一、引言

2010年，諾貝爾物理學(xué)被兩位英國(guó)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖諾夫奪得，他們因制備出了石墨烯而獲此殊遇。而石墨烯的成功制備，引起了學(xué)界的巨大轟動(dòng)，也引發(fā)了一場(chǎng)石墨烯制備、理論研究、應(yīng)用開(kāi)發(fā)的浪潮。

石墨烯

石墨烯（Graphene），又稱(chēng)單層石墨，是一種由碳原子以sp ²混成軌域組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯是目前世界上公認(rèn)的最薄也是最堅(jiān)硬的納米級(jí)材料，幾乎透明，導(dǎo)熱系數(shù)高，高于納米碳管和金剛石，室溫下，石墨烯的電子傳遞速度比任何已知導(dǎo)體都快，而電阻率比銅或銀更低。由于以上突出的特性，石墨烯被認(rèn)為是未來(lái)電氣電子航空航天領(lǐng)域的新一代突破性材料。

在現(xiàn)代通信領(lǐng)域，我們通常會(huì)面臨以下難題：電子設(shè)備體積龐大，重量重，能耗高，運(yùn)行速度慢，發(fā)熱量高，抗干擾能力差，這些問(wèn)題都是電子工業(yè)與生俱來(lái)的難題，人們一直致力于追求更小，更輕，更快，經(jīng)過(guò)幾代人的努力也取得了不小的成果，從最初的埃尼阿克到現(xiàn)在的IPAD，從最初的電子管到現(xiàn)在的單晶硅，可以說(shuō)，電子工業(yè)的發(fā)展的依托之一就是材料科學(xué)。而到現(xiàn)在，硅系材料已經(jīng)在電子產(chǎn)業(yè)的舞臺(tái)上手舞足蹈了好幾十年，隨著電子科學(xué)的發(fā)展以及人們需求的不斷提升，硅系材料的缺點(diǎn)也不斷涌現(xiàn)出來(lái)，電子傳導(dǎo)慢，發(fā)熱量大，體積大，直接制約著現(xiàn)代電子領(lǐng)域的發(fā)展。在人們?yōu)楣璧娜秉c(diǎn)唏噓不已焦頭爛額的時(shí)候，石墨烯出現(xiàn)在了世人面前。

二、石墨烯在通信電子設(shè)備中的應(yīng)用

由于石墨烯中電子的低能行為與相對(duì)論的中微子非常相似，這使得它能以極快的速度幾乎毫無(wú)阻力的通過(guò)前進(jìn)道路上所遇到的障礙，因此，石墨烯晶體管傳輸速度遠(yuǎn)超目前的硅晶體管，如果將石墨烯制備的晶體管用于通信處理設(shè)備，調(diào)制、解調(diào)設(shè)備的處理速度及性能將會(huì)得到飛躍性提升，而其極佳的低電阻和導(dǎo)熱性能，又能極大地能源消耗，甚至為降低設(shè)備的損耗做出巨大貢獻(xiàn)（電子設(shè)備的損耗很大一個(gè)原因是其長(zhǎng)期處于高溫而造成的元件氧化）。另外，石墨烯至輕至薄的特性，將會(huì)使通信電子設(shè)備(處理設(shè)備，傳輸設(shè)備，終端)的體積成倍變小，重量成倍變輕，而性能成倍提升。特別是現(xiàn)在的通信衛(wèi)星，如果能用石墨烯材料替代大部分材料制造內(nèi)部元件及外殼，性能提升暫且不說(shuō)，超輕超薄的特性將會(huì)使衛(wèi)星發(fā)射成本成倍降低，到時(shí)候只需一支火箭，就能將十位數(shù)的衛(wèi)星送上太空，衛(wèi)星通訊將會(huì)因此得到跨越式發(fā)展。

射頻石墨烯晶體管，頻率高達(dá)100GHz，將大大提高通信信號(hào)處理效率

三、石墨烯在通信有線傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用

早在2002年，垂直于基底表面的石墨烯納米墻就被制備出來(lái)，他被看作是非常優(yōu)良的場(chǎng)致發(fā)射電子源材料，這開(kāi)啟了石墨烯在場(chǎng)發(fā)射源及其真空電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用研究大門(mén)。更重要的是，石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因?yàn)榫Ц袢毕莼蛞胪鈦?lái)原子而發(fā)生散射，即使周?chē)荚影l(fā)生擠撞，石墨烯內(nèi)部收到的干擾也非常小。也就是說(shuō)，如果我們將傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸銅纜替換為石墨烯，不僅傳輸線纜的重量降低，強(qiáng)度增大，信道降噪抗干擾能力也會(huì)得到極大地提升！這絕對(duì)是一個(gè)讓人振奮的發(fā)現(xiàn)。不僅如此，大家都知道光纖傳輸能力強(qiáng)，速度快，效率也高，但是數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，電—光—電，光與電的相互轉(zhuǎn)換依舊是個(gè)難點(diǎn)。如果我們能將石墨烯代替光纖應(yīng)用于遠(yuǎn)程有線信息傳輸，實(shí)現(xiàn)電—電的直接傳輸，不僅傳輸速度和質(zhì)量不會(huì)降低，還能回避在光電傳輸領(lǐng)域中不必要的難題，更免去了一大堆光電轉(zhuǎn)換設(shè)備及研究、制造經(jīng)費(fèi)。

四、石墨烯在通信傳感領(lǐng)域的應(yīng)用

傳感，就是將目標(biāo)能量，如化學(xué)能機(jī)械能作為信息收集起來(lái)，處理轉(zhuǎn)換成另一種能被人類(lèi)直接感知、便于監(jiān)控、分析的能量，如電能。因此，傳感與通信相輔相成，密不可分。科學(xué)家們?cè)谘芯繒r(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)氧原子吸附于石墨烯表面時(shí)，吸附位置會(huì)產(chǎn)生電阻的局域變化。因?yàn)槭┚哂懈邔?dǎo)電率和低雜訊的優(yōu)良品質(zhì)，能夠精確地偵測(cè)這微小的電阻變化，這就決定了它是一種極其精密的傳感材料，如果能將石墨烯應(yīng)用于傳感領(lǐng)域，傳感器將擺脫各種復(fù)雜的化合物的束縛，變得更輕、更硬、更小、更精確，解決通信傳感領(lǐng)域的一系列問(wèn)題。

石墨烯半導(dǎo)體量子點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)單分子傳感

五、結(jié)束語(yǔ)

據(jù)最新消息，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)已經(jīng)制成100mm的純石墨烯晶圓。研究人員將會(huì)在近日制造出一種石墨烯放大器，它不僅可以降低無(wú)線通信電路的復(fù)雜性，還可以提高通信電路的速度，這種放大器將會(huì)被用于藍(lán)牙和射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）。IBM研究人員成功獲得頻率高達(dá)100GHz的石墨烯晶體管，創(chuàng)造了一個(gè)世界級(jí)的高頻記錄（此前最高紀(jì)錄只有40GHz），這種石墨烯晶體管的柵極寬度目前為240納米，因此還有充分的改進(jìn)空間，性能也將會(huì)有大幅提升，而且與傳統(tǒng)硅系材料具有良好的兼容性。這一突破充分體現(xiàn)出石墨烯在高性能器件和集成電路制造領(lǐng)域的廣闊前景。頻率的大小決定了設(shè)備處理傳輸信息的性能的高低，因此，高效率的信息傳輸絕對(duì)離不開(kāi)超高頻的元器件。而石墨烯，使這種超高頻元器件的制造成為了現(xiàn)實(shí)，也為今后的通信工程的跨越式發(fā)展鋪平了道路。

100mm石墨烯晶圓

石墨烯，讓通信人看到了一個(gè)嶄新的未來(lái)。

作者：羅興宇（20102837）