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赵猛:国家集成电路石墨烯新材料基因组计划蓄

ʱ䣺 2019-10-09

  4月20日,由无锡华烯传媒有限公司主办的“2018华烯论坛石墨烯产业发展论坛暨展览会”在江苏无锡隆重召开,国家石墨烯应用产业技术创新战略联盟常务副理事长兼秘书长、中国石墨烯商业应用旗舰计划工作委员会秘书长、中国国际石墨烯资源产业联盟(CIGIU)副秘书长、全国工商联特色小镇发展委员会副主任赵猛博士应邀做主题报告,创造性地提出国家集成电路石墨烯新材料基因组计划,备受各方关注。

  石墨烯是最薄的电子纳米材料之一,具有极强导电性、超高强度、高韧性、较高导热性能等优异性能,被誉为将在半导体、光伏、储能、航天等领域带来一次材料技术革命,市场潜在规模至少在万亿元以上。

  对此,赵猛表示,集成电路排在实体经济第一位置,足见政府对于集成电路的支持力度之大。而石墨烯堪比材料领域的互联网,与不同材料、技术结合起来能够形成具备特殊性能、满足特定应用的新型“材料”。其自身特有的“颠覆式基因”在巩固提升传统产业方面具有极强的可塑性,不仅是国家重点支持的5大产业之一,还是推动传统产业创新转型和升级换代的重要载体。因此,推动石墨烯+集成电路的研究应用对于传统集成电路产业的创新发展意义重大。

  谈及国家集成电路石墨烯新材料基因组计划的构想来源,赵猛表示,当前,面对竞争激烈的制造业和快速发展的经济,必须缩短新材料从发现到应用的研发周期,来满足新兴制造业对高性能新材料的需求。美国已于2011年率先启动材料基因组计划,采用人工智能技术加快新材料的开发。欧盟委员会在2013年启动“石墨烯旗舰计划”,通过多边合作、多领域协同将石墨烯从实验室研究扩展到社会应用,争取在新一轮的材料革命性发展中抢占先机。在中国科学院和中国工程院的推动下,“中国版材料基因组计划”重大项目于2012年底正式启动,并先后于上海、成都、合肥、西安、南京等地召开了多场材料基因组高峰论坛研讨会。同时,我国各大院校也纷纷成立了专门的材料基因组研究中心,如上海交通大学材料基因组联合研究中心、上海材料基因组工程研究院、北京材料基因工程创新联盟。

  华为总裁任正非曾预言这个时代将来最大的颠覆,是石墨烯时代颠覆硅时代。今年两会上,新经济无疑是一个高频热词。而中国的经济升级,最大的两个领域是汽车制造工业和集成电路工业。赵猛认为,石墨烯作为“后硅时代”的新潜力材料,随着石墨烯+360行商业应用的不断突破,可能出现很多颠覆性的新概念产品甚至领域。比如微电子器件。未来的石墨烯半导体、石墨烯集成电路、THz器件等领域,可能需要利用石墨烯独特的性能来发挥。在功能复合材料领域,通过将石墨烯加入各种塑形基体,能够制备出具有很好导电、导热、可加工、耐损伤的特殊材料,在集成电路、散热片等方面也深具应用潜力。

  就在4月26日,习主席来到武汉新芯集成电路制造有限公司,察看集成电路生产线,了解芯片全流程智能化制造和加快国产化进程等情况。习主席说,要实现“两个一百年”奋斗目标,一些重大核心技术必须靠自己攻坚克难。充分体现了国家对集成电路产业的重视以及对集成电路产业取得重大突破的期望。

  据赵猛透露,中国石墨烯商业应用旗舰计划工作委员会、国家石墨烯应用产业技术创新战略联盟、上海华烯新材料(集团)有限公司正积极响应国家推动集成电路、新材料(石墨烯)等五大产业的制造强国战略,隆重推出行业版“国家集成电路石墨烯新材料基因组计划”,旨在通过加强“官产学研用”相结合,集众之力,提速石墨烯+集成电路领域的新材料研发和产业化应用进程。其中,国家集成电路石墨烯新材料基因组计划一期首推十七大工程:

  研究团队创造性地利用完全原位替代掺杂的制备方法制备石墨烯半导体材料,且制备方法简单易行、能够规模化制备、产品的一致性好,年产可以达到百万片量级,且质量可靠。若进一步应用于半导体工业领域中,可实现对硅、锗、氮化镓、砷化镓等半导体的替代,具有极大的应用价值和升值空间。半导体石墨烯不仅可以用于生产集成电路、射频芯片、传感器,还可以应用于超级电容器、锂离子电池、高性能涂料等。

  此外,半导体石墨烯可以进一步应用在医学基因工程用途的各种传导装置上面。内容包括:生物转导、疾病预防、新药开发、健康智能管理和障碍人口辅助设置等重大项目工程。以石墨烯半导体转导性能为切入点,即可建设一个规模庞大、具有更大体量和高价值增加值的产业园区。

  采用石墨烯材料的芯片具有极高的工作频率和极小的尺寸,在前端设计水平相当的情况下,使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能强几十倍,随着后续发展可能强上百倍,同时还拥有更低的功耗。

  载带主要应用于电子元器件贴装工业,广泛应用于IC、电阻、电感、电容、传感器、LED、二极管、三极管等SMT电子元件的封装测试。配合盖带(封带)使用,通过在载带上方封合盖带形成闭合式的包装,用于保护电子元器件在运输途中不受污染和损坏,确保元器件不受静电击穿影响,起核心定位作用,适合自动化生产。将石墨烯新材料应用于载带上,可大幅提升传统芯片封装材料的防护品质及性能。

  钻石碟是集成电路(IC)必用制程化学机械平坦化(CMP)的催生者,而且产能、良率及成本因IC的轻薄短小而越来越重要。传统钻石碟寿命短,每台机器要停机三次更换钻石碟,成为产能的瓶颈。而石墨烯次世代钻石碟AODD寿命可延长四倍。已经由美国矽谷的应用材料公司(世界上最大的CMP机台制造者)向全球推出,并通过中芯半导体最先进制程14奈米IC的马拉松验证。

  如今,硅基集成电路芯片技术正在逼近摩尔定律的物理极限,而二维纳米材料石墨烯的发现为新型半导体器件的设计与制备注入了新活力。利用晶圆级石墨烯合成出最先进的多功能集成电路,这种晶圆级石墨烯是一种新型的半导体材料,可能具备改进无线电设备的能力,使其朝着低成本、高速传输的方向发展。具有里程碑式的纳米科学即将开启碳基电子设备和集成电路应用的新时代。

  石墨烯几乎是全透明的,电导率与透光率的矛盾在石墨烯透明电极中可得到很好的解决。石墨烯材料仅一个碳原子层厚, 其载流子迁移率极高,是迄今为止发现的电导率高的材料;同时石墨烯薄膜具有极高的力学强度,并且非常柔软(甚至可以在一定程度折叠)。因此,石墨烯触控屏色质纯净、透光性好、触控灵敏,特别是在弯曲的情况下同样可以实现良好的触控和书写。这种随意卷曲也不会影响使用效果的触摸屏将促进柔性智能终端的开发。

  利用多层石墨烯材料制造的闪存,无论在信息存储速度还是保存时间方面都超过现有其它材料制成的闪存。其作用原理是用来制作闪存的存储介质(多层石墨烯材料)对电子具有很大的功函数,约5电子伏特。因此在石墨烯层和氧化硅边界势垒就会增加到大约4电子伏特。被夹在隧道和阻挡氧化物之间的石墨烯层相当于一个深势阱,电荷进去后就长期贮存在那里,这就有了对闪存进行几何学优化的可能。

  石墨烯U盘将取代现有的基于闪存的优盘,让数据存储和交换,变得像写一张即时贴一样直观又方便,只需要贴在光学数据传输面板上即可传输读写数据。

  把石墨烯纳米带(GNR)夹在两层有纳米孔(内径约1纳米)的固体膜中间,再让DNA分子穿过这种设备,以此来感知辨认所通过的DNA碱基对。这种DNA感测器是一种以石墨烯为基础的场效应类晶体管设备,能探测DNA链的旋转和位置结构。实现这一点的关键是利用了石墨烯的电学性质,制成的GNR可以多方调节,改变它的边缘形状、载流子浓度、纳米孔位置等,由此来调节它的电导率和对外部电荷的灵敏度。

  科学家们制造了一种新型石墨烯晶体管,使用它打造的处理器未来将能够跑到100GHz的超高频率。这种双层石墨烯晶体管不仅可以高频率运行,电压和功耗还特别低,因为开关切换所需的能量极小,是传统硅材料晶体管所无法比拟的。

  一种特殊的石墨烯材料,可以在不同的温度下做出不同的动作,比如伸展或收缩,甚至旋转等等。这也就意味着,可以通过使用这种石墨烯来制作低成本的传感器,包括温度,湿度和PH值等都可以涉及到。

  通过CMOS集成电路与石墨烯的单片集成,将石墨烯CMOS器件与量子点相结合,以形成一个阵列的光电探测器,产生高分辨率图像传感器。当作数码相机使用时,该设备能够同时感测紫外光、可见光和红外光。石墨烯CMOS技术将可以广泛的应用于安全、安保、低成本的口袋和智能相机、消防系统、被动夜视和夜间监控摄像机、汽车传感器系统、医疗成像应用、食品和药物检验、对环境监测等等领域。

  石墨烯复合导电浆料未来在无线射频识别系统、导电油墨、触摸屏等领域会有十分广泛的应用。其优势突出表现在:(1)高导电性满足智能化需求:片状结构可实现多重网络电子传导,提高电子传导速率,电阻率低。(2)柔性特质满足柔性化需求:石墨烯为有强度的柔性体,可使印刷涂层更轻薄,制备出更强的导电涂层。(3)稳定性及可控性满足功能化需求:石墨烯的高稳定性可使涂层更耐酸、耐碱、耐高温、耐氧化、耐析出;石墨烯的可控性可实现涂层的功能化赋予导电涂层不同的特殊功能;石墨烯经功能化处理后可与不同树脂体系、不同溶剂体系相容进而扩展导电油墨的适印基底,增大使用范围。

  基于石墨烯高导电复合膜原材料,可设计出高弹性、高柔韧性、耐弯折、耐冲击等不同力学性能的系列产品,以及满足耐腐蚀、阻燃、耐高温高寒等特种性能的特殊需求,可应用于航空器除冰、电磁屏蔽和非金属导电电极、柔性发热材料等多个领域,特别是应用于石墨烯发热可穿戴产品中,解决困扰现有发热材料的舒适性、贴服性、统一性的问题。

  石墨烯的化学和物理稳定性、优良的导电性及定向的散热效能,将之作为照明新材料,不仅可以增加LED灯具的节能、散热性能和使用寿命,而且在价格上有望比传统LED更便宜,有效降低成本。

  利用石墨烯膜作为材料,研发出的新型铝-石墨烯电池,只要每天充电10次可以使用70年,也能在极短时间内充满电,在摄氏零下40度到120度的温度范围内都能正常运作,未来如果把这项科技用到手机上,充电5秒钟就可以通线、石墨烯太阳能电池

  石墨烯是理想的太阳能电池导电电极材料,通过在太阳能电池中引入石墨烯材料,可有效提高太阳能电池的光电转换效率。

  据赵猛介绍,国家集成电路石墨烯新材料基因组计划由三大块组成:高通量材料计算、高通量材料合成和检测、材料数据库。其中,高通量材料计算是实现“材料按需设计”的基础,可以帮助缩小高通量材料的实验范围,提供实验理论依据。材料数据库可以为材料计算模拟提供计算基础数据,为高通量材料实验提供实验设计的依据,同时计算和实验所得的材料数据亦可以丰富材料数据库的建设。简而言之,国家集成电路石墨烯新材料基因组计划就是在利用现有数据库平台的基础上,通过数学计算、材料的原理来预测要达到某种材料所需要的组成,然后再通过实验合成,并检测是否符合要求。这种做法把传统的“研发产品”过程翻转过来,即从应用需求出发,倒推符合相应结构功能的材料,从而达到缩短新材料从发现到应用的研发周期并实现快速产业化的目的。

  那么,国家集成电路石墨烯新材料基因组计划如何实施呢?赵猛总结出六个精辟要点,即六驾马车驱动“集成电路+石墨烯”快速产业化发展:

  1、市场导向。构建以市场为导向、以应用为牵引、以企业为主体的石墨烯+集成电路产业技术创新体系,打通技术创新资源的集成与共享通道;

  2、政府支持。政府应加大对石墨烯产业的扶持力度。一是建立公共服务平台,在石墨烯产业化,包括引进人才、石墨烯应用等方面发挥作用。二是对石墨烯新产品进行标准制定,并通过示范项目推动石墨烯大规模应用,如在政府采购中鼓励优先选择石墨烯产品,破解下游应用狭窄难题。三是对石墨烯企业及项目提供相应的扶持政策;

  3、产业基金。在整合战略新兴产业、新材料专项、人才、科技等相关资金的基础上,借助国内外资本市场乃至民间资本的力量,筹建石墨烯+集成电路产业发展专项基金(500亿),解决研发、生产、推广的各项资金投入问题;

  4、聚集模式。践行十八大提出的“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念,注重应用上下游产业链互联互通,以石墨烯小镇为平台,建立产业生态圈。推进协同创新,推进共享资源、渠道、用户,降低企业成本,做大市场蛋糕,全面提升石墨烯应用产业和产品成长能力、仓储和物流服务能力,促进小镇之间产业匹配,共同转型升级。而通过细分石墨烯产业的垂直应用领域,可推出石墨烯集成电路小镇、石墨烯健康小镇、石墨烯新能源汽车小镇、石墨烯纺织纤维小镇、石墨烯电热小镇等,在实现不同行业的专业化的同时,以聚沙成塔的效应实现石墨烯在全行业、全领域的全覆盖;

  5、科研院校研究。鼓励科研院校开展针对石墨烯新材料的基础研究和技术研发,在履行科学研究使命的同时,重视研究成果转化为生产力,推动石墨烯从实验室走向产业化,并培养石墨烯相关专业人才;

  6、应用技术研究。以产业应用为方向,加强产学研合作,利用石墨烯材料研发适销对路的新技术、新产品、新材料、新装备。可由相关领域内龙头企业牵头,整合他们现有的优势技术、工程化装备、优势资源及已有市场,通过“石墨烯+”探索和完善多方合作、互利共赢的融合发展模式,进行相关产品的技术升级和大规模商业化应用!

  赵猛指出,上述六驾马车既以应用为原点、又以应用为结点,形成“政、产、学、金、研、用”紧密结合的纽带和载体,有效链接在一起,打造一个产业应用的闭环,是国家集成电路石墨烯新材料基因组计划成功实施的重要保障。

  国家石墨烯应用产业技术创新战略联盟作为国家集成电路石墨烯新材料基因组计划的实施主体,其历史使命是整合协调产业资源,建立上下游、产学研信息、知识产权等资源共享机制,提升低成本石墨烯的整体竞争力,从而达到推动石墨烯产业应用快速发展的目的。

  据赵猛介绍,国家石墨烯应用产业技术创新战略联盟的战略框架可归结为“一体两翼”。“一体”指的是以推动产业、服务产业为核心,以差异化定位为鲜明特色,将之打造成为推动石墨烯产业应用快速发展的全球石墨烯领域的麦肯锡。为此,它专门设立了服务石墨烯应用细分领域的各个专业委员会,包括集成电路委员会、新能源汽车委员会、军民融合委员会、环保委员会、大健康委员会、纺织纤维委员会等。在他看来,没有行业化就没有专业化,只有激活各个行业资源,才具备石墨烯专业化的基础。此外,石墨烯+360行,培养行行“烯”状元。通过融合各行各业企业进来成为该专业委员会的秘书长单位,构建一个完整的共创、共享、共荣的生态系统,实现强强联手,长短互补,是推动石墨烯产业应用的重要助力。

  “两翼”,一是专家委员会(石墨烯应用技术研究院),以应用需求为牵引,以应用发展为动力,联合中外石墨烯领域的研究院、科研院校、研发团队、产业界,共建石墨烯应用的实验室、技术研发中心、工程中心,进行石墨烯创新应用产品、相关课题的研究。每个参与其中的企业自身拥有的产业、技术、人才、资金等资源,将成为“石墨烯+360行”产业化应用的源动力和发动机。二是顾问委员会(产业创新中心),整合行业高端资源、政府领导、产业领军人物等重要推手,成立全球石墨烯产业创新中心,每个行业设立分行业产业创新中心,针对各个地区设立区域产业创新中心,各个省市成立省市产业创新中心。

  此外,联盟秘书处内部还设有会展活动部、国际合作部、金融促进部、知识产权部等工作机构,配合“一体两翼”形成有机交互网络,建设石墨烯应用产业互联网共享生态系统,实现360行共享石墨烯应用技术创新资源,包括材料、技术、人才、市场,推动全国所有石墨烯制备企业、研发机构、创新团队与应用企业匹配,解决应用需求,做到材料供给、技术转化接活外包、生产、消费一键服务,从而实现推动石墨烯快速产业化的目的。

  无疑,集成电路产业是国民经济和社会发展的战略性、基础性和先导性产业,是培育发展战略性新兴产业、推动信息化和工业化深度融合的核心与基础,是转变经济发展方式、调整产业结构、保障国家信息安全的重要支撑,其战略地位日益凸显。www.102649.com未来,随着国家产业政策扶持、供给侧改革等宏观政策贯彻落实,国内集成电路产业将逐步发展壮大,此外,车联网、物联网、人工智能等市场的发展,国产芯片的市场发展空间也将进一步扩大。可以预见,未来石墨烯+集成电路的创新应用的市场空间潜力大、利润高。

  为了推动国家集成电路石墨烯新材料基因组计划早日落地,赵猛早前就与国家石墨烯应用产业技术创新战略联盟高级顾问汪明才、华烯集团执行总裁周成君、华圆投资集团董事长李阳加一行辗转泉州永春、江西宜春、武汉、湖南益阳等产业基地,考察石墨烯半导体加阿贡电池三元正极材料的产业发展条件,并考虑在武汉落地石墨烯改性塑料导热电池壳、汽车全车密封材料、固态电池项目等。其中,湖南益阳艾华集团是一家以设计、开发、制造及销售铝电解电容器为核心,集电极箔与设备制造于一体的科技型企业。考察期间,赵猛一行就与艾华集团领导从技术推介、顶层设计、商业模式、产业落地等方面进行深入沟通,并初步达成项目合作意向。

  无疑,石墨烯新材料产业的发展,对促进基础材料产业、制造业转型升级起着重要作用,对“十三五”时期国民经济的可持续发展也有积极影响。赵猛充满信心地表示,2018年是石墨烯商业应用的春天,“石墨烯+集成电路”的叠加推动效应将引领实体经济新征程,随着国家集成电路石墨烯新材料基因组计划“十七大工程”不断取得技术突破、产业化应用迅速拓展,相信在不久之后的将来,石墨烯将让中国制造业涅槃重生,焕发制造强国之光!