從近乎熱得發(fā)燙到一片冷靜，再到“新材料之王”的美譽，石墨烯產(chǎn)業(yè)只用了兩三年的時間。資本市場也在熱炒石墨烯概念股，在2017年—2018年上半年，石墨烯概念股非常之火，而在各行各業(yè)，石墨烯概念炒作不絕于耳。”一位熟悉石墨烯行業(yè)的分析人士說：“各地興建石墨烯產(chǎn)業(yè)園，前幾年就連個別縣級行政區(qū)也要建立石墨烯產(chǎn)業(yè)園，甚至?xí)霈F(xiàn)如果不做石墨烯，項目都無法成立的狀況。”

2019年，石墨烯再度迎來“新材料之王”的美譽。在工信部公布的《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2019年版）》中，高效能石墨烯散熱復(fù)合膜、石墨烯改性防腐涂料、石墨烯改性潤滑材料、石墨烯散熱材料、石墨烯發(fā)熱膜、石墨烯導(dǎo)熱復(fù)合材料、石墨烯改性無紡布、石墨烯改性電池、石墨烯改性發(fā)泡材料等9種石墨烯材料入選。

首先是石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)增長

石墨烯，因其擁有獨特的物理性能而被廣泛關(guān)注。它是目前世界上已知最薄、最堅硬、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性最好的材料，“多才多藝”的性質(zhì)使得石墨烯有著廣闊的應(yīng)用前景，可以運用在計算機芯片上，大幅度提高計算速度。用石墨烯作為導(dǎo)電添加劑，可以顯著提高鋰電池的充電速度和綜合性能。所以人們稱它為會改變世界的材料。

中國經(jīng)濟信息社在常州發(fā)布的《2018—2019中國石墨烯發(fā)展年度報告》(下稱《年報》)顯示，我國石墨烯產(chǎn)業(yè)前景廣闊，產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)增長。據(jù)中信證券統(tǒng)計，2018年我國石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模約為111億元，較2017年增長41億元，同比增長58%。2018年以來，石墨烯粉體和薄膜的生產(chǎn)規(guī)模進一步擴大。粉體方面，常州第六元素、青島昊鑫、寧波墨西等多家企業(yè)已擁有國內(nèi)領(lǐng)先的石墨烯粉體生產(chǎn)線。薄膜方面，長沙暖宇新材料科技公司年產(chǎn)量100萬平方米的石墨烯膜生產(chǎn)線已開建，預(yù)計建成后將成為國內(nèi)第二大石墨烯膜生產(chǎn)線。

《年報》分析，隨著石墨烯粉體和薄膜研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)的成熟和市場規(guī)模的擴大，我國在復(fù)合材料、大健康、電子信息、儲能等方面的石墨烯應(yīng)用已起步。《年報》認為，未來石墨烯在新能源汽車、海洋工程、能源發(fā)展、高端裝備、環(huán)境治理等領(lǐng)域的應(yīng)用將進一步深入，石墨烯市場規(guī)模將不斷擴大，有望成為各個細分領(lǐng)域不可或缺的部分。

芯片產(chǎn)業(yè)瓶頸倒逼材料革新

2016年以前，芯片行業(yè)內(nèi)有聲音認為：7nm是硅芯片工藝的物理極限。而現(xiàn)在，7nm制程的硅芯片已經(jīng)問世，新的聲音又出現(xiàn)了：3nm才是極限。

但3nm以下的芯片該怎么發(fā)展？對此，目前各大半導(dǎo)體廠商都沒有明確的答案。

芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨瓶頸，推出新的架構(gòu)是一大解決方案，但更“根本”的辦法，或許是找到能夠替代硅的新材料。事實上，硅材料并非從一開始就是首選。在硅之前，主流芯片材料是鍺，但鍺的“硬傷”，主要有三個：

一是含量少。鍺在地殼中的含量僅為一百萬分之七，且分布極為分散，被稱為“稀散金屬”。沒有集中的“鍺礦”，導(dǎo)致鍺的開采成本十分高昂，也很難實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

二是高純度鍺的提煉難度很大。純度不足的直接結(jié)果就是芯片性能難以提升。

三是穩(wěn)定性差。采用鍺晶體管的芯片，最多只能承受80°C左右的高溫，而早期芯片的買方以政府軍方為主，這些客戶通常要求產(chǎn)品能夠經(jīng)受200°C的高溫，鍺芯片顯然做不到。

鍺的這些“硬傷”，恰好都是硅的長處。硅在地殼中的含量高達26.3%，僅次于氧（48.6%），是含量第二高的元素。在

穩(wěn)定性方面，硅也強于鍺。在提純方面，現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)能將純度無限提升至接近100%。

自從發(fā)明了硅晶體管的平面處理技術(shù)，讓硅在芯片中的應(yīng)用變得簡單高效，硅就逐漸成為了芯片制造的主流材料。

如今，硅遇到了什么問題？

芯片發(fā)展的趨勢，可以簡單總結(jié)為：體積更小、性能更強。要朝這個方向發(fā)展，就要讓芯片單位面積上集成的元器件數(shù)量更多。元器件尺寸越小，芯片上能集成的元器件就自然越多，當(dāng)然這同時也意味著更高的制造難度。

這就好比房間越來越小，但里面要裝的東西卻越來越多，不管采用什么樣的“收納”方式，總有一天，這個房間會“過載”。

漏電和散熱不佳，就是硅芯片“過載”產(chǎn)生的問題。

實際上，這兩個問題并不是在當(dāng)前芯片制程工藝走到了7nm這一時期才突然出現(xiàn)的。在硅芯片發(fā)展歷程中，這樣的問題也多次出現(xiàn)，但各大廠商都用各種方式巧妙解決了。運用新的材料，就是其中一種方法，比如用鍺硅等元素作為信道的材料。但如何將不同的材料整合到硅基板上，也是一項挑戰(zhàn)。

即使現(xiàn)在的7nm芯片并沒有像過去預(yù)測的那樣，達到硅芯片的物理極限，但硅的物理極限是必然存在的。

芯片的下一個“根本性”的突破，就是找到新的材料。

石墨烯有望成主流芯片材料

近日，達摩院發(fā)布的“2020十大科技趨勢”預(yù)測：新材料的全新物理機制，將實現(xiàn)全新的邏輯、存儲及互聯(lián)概念和器件，推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的革新。例如，拓撲絕緣體、二維超導(dǎo)材料等，能夠?qū)崿F(xiàn)無損耗的電子輸運和自旋輸運，可以成為全新的高性能邏輯器件和互聯(lián)器件的基礎(chǔ)。

著名華裔科學(xué)家張首晟就在2016年宣稱：已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了新的拓撲絕緣體材料，并且該材料已經(jīng)實驗成功。如果這種新的拓撲絕緣體材料最終能夠成功地應(yīng)用到半導(dǎo)體和芯片產(chǎn)業(yè)中，將帶來巨大的商機，也將造就一個新的硅谷時代。

當(dāng)然，目前拓撲絕緣體在芯片制造領(lǐng)域的應(yīng)用，還處于比較早期的研發(fā)階段。已知的是能夠解決電子芯片發(fā)熱的問題，但未來這種材料該怎么用、能用在哪里，還有許多需要探索的地方。此外，拓撲絕緣體更多地被寄希望于應(yīng)用在量子芯片上，但量子芯片與經(jīng)典芯片是完全不同的兩個領(lǐng)域。

另一種新材料——二維超導(dǎo)材料，是時下半導(dǎo)體行業(yè)討論的熱門話題。二維材料包括石墨烯、磷烯、硼烯等，這些材料更有希望成為主流材料。

其中，石墨烯是最突出的一個。

之所以看好石墨烯，是因為它除了“二維”這個屬性外，還有一個身份——碳納米材料。早在2012年，IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會）就在《超越摩爾》中寫道，未來半導(dǎo)體工業(yè)可能從“硅時代”進入“碳時代”。碳納米材料石墨烯可能在未來代替原來的硅基材料。

碳納米管是由石墨烯片卷成的無縫、中空的管體，導(dǎo)電性能極好，而且管壁很薄。因此，理論上在同樣的集成度下，碳納米管芯片能比硅芯片更小。此外，碳納米管本身產(chǎn)熱很少，加上有良好的導(dǎo)熱性，因此能夠減少能耗。另外，從開采成本考量，碳的分布廣泛，獲取成本并不高。

更重要的是，石墨烯作為人類最早發(fā)現(xiàn)的二維材料，其應(yīng)用已經(jīng)在屏幕、電池、可穿戴設(shè)備上出現(xiàn)，石墨烯的研究已經(jīng)到了相對成熟的階段。因此，石墨烯最為有望成為新的主流芯片材料，取代硅的地位。

中國芯片能否彎道超車？

目前中國自主研發(fā)的傳統(tǒng)芯片，還在28nm到14nm制造工藝的商業(yè)化量產(chǎn)轉(zhuǎn)化過程中，與國際先進水平還有較大的差距。

但這都是建立在硅作為芯片主要材料的基礎(chǔ)上來說的，如果未來碳納米材料能夠成為主流，那么中國是否有機會在這個節(jié)點上實現(xiàn)彎道超車？

首先，中國的碳納米管器件研究與國際前沿水平差距不大。國際上最早實現(xiàn)碳納米管器件制備的是IBM，2017年IBM通過使用碳納米管將晶體管尺寸縮小到40nm；同年，北京大學(xué)研制了120nm的碳納米管晶體管，在0.8伏特電壓下的跨導(dǎo)，為已發(fā)表的碳納米管器件中的最高值。

但任何技術(shù)的發(fā)展都不會一帆風(fēng)順。石墨烯在芯片制造領(lǐng)域的應(yīng)用面臨著三大難題：首先，目前高純度的石墨烯還比較難獲得；其次，石墨烯晶圓的制造也十分困難，雖然現(xiàn)在中國已經(jīng)率先實現(xiàn)石墨烯單晶晶圓的規(guī)模化制備，但在當(dāng)前的制作工藝下，還是容易出現(xiàn)褶皺、點缺陷和污染的情況；最后，要讓納入器件的石墨烯能夠繼續(xù)保持其優(yōu)良的性能，其他相關(guān)的制作工藝和材料也需要與之配套迭代，才能保證以石墨烯為原料的芯片得以穩(wěn)定運行。

簡單總結(jié)來說，石墨烯還是一個比較新的材料。要想讓石墨烯能夠真正替代硅，成為芯片的主流材料，在制造工藝以及配套器件的技術(shù)跟進上，還有許多難題需要解開。

對中國而言，在技術(shù)新舊交替的節(jié)點上，無疑存在著彎道超車的機會。但需要正視的問題是：國內(nèi)對新概念往往過于狂熱。石墨烯在芯片等眾多領(lǐng)域確實大有潛力，但從發(fā)現(xiàn)潛力到產(chǎn)業(yè)化，中間需要的是腳踏實地的研究，也需要大眾對新技術(shù)研發(fā)失敗的包容。

中國芯片的彎道超車，不僅僅需要“新”材料，更需要的是“新”的產(chǎn)學(xué)研體系以及更加開放包容的投資環(huán)境。