石墨烯为英国半导体带来第二次机会

今年，我们英国将迎来一个非常重要的周年纪念日。2004 年，曼彻斯特大学的两位科学家利用一卷粘性胶带取得了惊人的发现。当安德烈-盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁-诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）用胶带将石墨层层剥开时，他们首次分离出了单层石墨的小薄片，这就是后来被称为 “神奇材料 “的石墨烯。这被证明是一项惊人的科学突破，因为石墨烯具有一些世界领先的特性，例如，它是世界上最好的导电体。由于这一发现，他们获得了 2010 年诺贝尔物理学奖。

在这几年中，石墨烯的机械特性已被应用于建筑和纺织领域，但其更令人瞩目的电子特性，如极高的电子迁移率和热导率，却难以应用于现实世界的电子设备中。这是因为很难按照大规模生产电子设备所需的规模，制造出大面积、器件级、单原子厚的石墨烯薄片。不过，英国科学界和英国一流大学再次赢得了这场竞赛，将石墨烯从盖姆和诺沃肖洛夫生产的小薄片放大到大面积石墨烯层，直径达 150 毫米（6 英寸），但厚度仍然只有单原子碳原子层。

2015 年，在我搬到伦敦玛丽女王大学之前，我在剑桥大学材料科学与冶金学系运营着一个研究实验室。与我一起工作的两位科学家西蒙-托马斯（Simon Thomas）和伊沃-吉尼（Ivor Guiney）发明并开发了一种沉积工艺，能够在基底晶圆（我们最初使用蓝宝石）上形成器件质量的无污染石墨烯层。我们意识到，这些晶圆可以生产出数百甚至数千个以石墨烯为导电元素的器件，而且这些器件可以包装后用于大规模生产的电子产品中。由于我们看到了石墨烯电子产品的巨大商业意义，因此我们成立了 Paragraf 公司来利用我们的发明。如今，世界各地的研究人员都在努力追赶这一创新。例如，中国正在投入巨资开发可扩展的石墨烯电子器件。

Paragraf 公司已将这一项目从实验室带入实验室，将晶圆级单层石墨烯纳入半导体制造工艺。迄今为止，该工艺已生产出石墨烯传感器，可用作量子计算中的霍尔效应磁传感器，以及可检测多种生物分子的石墨烯场效应晶体管（GFET）。下一步，晶圆级石墨烯将用于制造更复杂的设备，如射频电路中使用的设备。

石墨烯是最早发现的二维（2D）材料。此后，一系列其他二维材料相继问世。包括 Paragraf 在内的全球科学家正在研究如何将石墨烯和其他二维材料结合起来，生产出比硅设备速度更快、能耗更低的下一代电子设备。这一点非常重要，因为全球硅设备的耗电量正呈指数级增长，这主要是由人工智能的发展所驱动的，而人工智能使用数据中心的庞大数据库，这对实现零净能耗构成了重大威胁。超低能耗的 2D 电子设备有可能成为实现 “零能耗 “的重要推动力。

英国工程师杰弗里-杜默（Geoffrey Dummer）是第一个构想出硅集成电路的人，他在 1952 年美国电子元件研讨会上发表的论文中对此进行了描述。然而，他为实现这一创新所做的努力被同时代资金更雄厚的美国人超越，英国工业在半导体革命中的潜在领导作用也因缺乏资金支持而夭折。

英国在可制造石墨烯设备方面的世界领先地位为英国引领下一代二维半导体设备提供了新的机遇。Paragraf 公司目前在剑桥郡拥有两家工厂，一家专门从事石墨烯/二维电子器件的研发，另一家则负责生产。它已经吸引了大量来自英国和海外投资者的资金。如果英国准备好与其他发达国家在半导体领域提供的资金投入相匹配，这将使我们的大学和产业能够与他们公平竞争。 特别是，这将使英国在二维设备领域保持世界领先地位，超越硅技术，帮助实现零净排放。届时，英国将从我们 20 年前剥离石墨烯的成果中获益匪浅，为我国未来的健康和财富做出贡献。

作者是伦敦玛丽女王大学材料科学教授。 他还是 Paragraf 公司的共同创始人和首席科学官。