2010年，曼彻斯特大学两位科学家因为对石墨烯的开创性研究获诺贝尔物理学奖。从那年起，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称“中科院上海微系统所”）开始研制这种材料。“十年磨一剑”，如今，微系统所石墨烯团队在高品质石墨烯电子材料制备方面取得多项突破，近日获上海市自然科学奖一等奖。
为让这类材料尽快产业化，中科院上海微系统所与上海市石墨烯产业技术功能型平台合作，通过建设创新实验室实现8英寸石墨烯晶圆小批量制造。通过与国内、国际多家单位合作，科研团队还在探索晶圆级石墨烯在电子学领域的应用。
创世界纪录
以石墨烯为代表的二维材料替代传统半导体材料进入微电子领域，既充满机遇，又面临许多挑战。就像制造硅基芯片的原材料是一片片硅单晶晶圆，二维微电子材料与器件的应用与发展，也需要制备出单晶石墨烯晶圆。“高质量石墨烯单晶制备被誉为石墨烯材料‘皇冠上的明珠’。”中科院上海微系统所石墨烯团队青年骨干吴天如副研究员说，“我们花10年工夫，终于突破石墨烯单晶晶圆可控制备技术，实现了4英寸—8英寸石墨烯单晶晶圆的小批量生产。”
在国家科技重大专项、上海市科委项目支持下，微系统所团队解决了在合金衬底表面用籽晶制备单晶的技术难题，让一个几百微米大小的石墨烯籽晶在二维平面上生长，经过约2.5小时，籽晶能够生长成1.5英寸大小的石墨烯单晶，生长速度和单晶尺寸均创造了当时的世界纪录。经过后期设计优化，目前团队已能够制备8英寸石墨烯单晶晶圆。
中科院上海微系统所还在国际上首次实现半导体锗基石墨烯CVD（化学气相沉积）制备，通过选用特定晶体取向的锗衬底，成功研制出4英寸单晶石墨烯晶圆。近期，他们通过设备升级和工艺优化，进一步研制出8英寸锗基石墨烯晶圆。锗基石墨烯材料与当前主流集成电路制造工艺线具有良好的兼容性，引起国际同行广泛关注。
迄今为止，中科院上海微系统所在石墨烯材料制备与器件应用领域已申请100余项专利，授权70余项，其中国际专利9项。
中试生产8英寸石墨烯单晶晶圆
如何把这些国际一流的科研成果转化为现实生产力？去年9月，中科院上海微系统所与上海市石墨烯产业技术功能型平台签约合作，由后者提供创新实验室承担中试工作，扩大石墨烯晶圆等产品的生产规模。
作为上海市和宝山区政府共同打造的新型研发机构，上海市石墨烯产业技术功能型平台以石墨烯应用需求为牵引，拥有技术创新、中试及产业化的核心服务能力；以“基地+基金+人才”模式集聚并配置技术、人才、资本市场等创新资源，培育石墨烯产业集群。上海市石墨烯产业技术功能型平台董事长梁勇说，功能型平台吸引优秀研发团队主要凭借两点优势：一是平台拥有一批工程技术人员，可以参与中试研发，这是科研院所和高校通常所缺乏的；二是平台拥有丰富的产业资源，可以为科研团队对接一批企业，加快科技成果产业化进程。
目前，微系统所石墨烯团队的创新实验室正在加紧建设。这个具有中试放大功能的实验室设在上海市石墨烯产业技术功能型平台，与其他科研团队的创新实验室毗邻。这些实验室占地面积较大，安装了多台大型设备，看上去像一个个厂房。“我们计划今年9月完成整个厂房的建设，中试生产8英寸石墨烯单晶晶圆等多种产品。”吴天如告诉记者，“我们还想通过平台了解产业下游需求，早日实现产品的规模化应用。”
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