PDF《云时代的图像视频新“气质”》

自然科学基金

2019 年6月24 日 星期一 主编 / 肖洁 编辑 / 张双虎 校对 / 何工劳 Tel: (010)

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4 电子信息 是近几年频频出现的一个词. 得益于计 算机技术、通信技术和高密度存储技术的迅速发展, 电 子信息技术和产品展现了广阔的市场前景. 科学家充分 利用云环境下海量图像视频的特征进行编码和处理, 提 供了缓解海量数据存储和传输压力并有效利用的新思 路和新方法. 具有独特性质的石墨烯, 在电路、 电子器件 制造等领域发挥着重要作用, 为我国电子信息技术开辟 了新天地. 我们不难发现, 在电子信息科学研究中, 有相当大 一部分与实际应用联系紧密, 而应用技术的发展也离不 开基础理论研究, 两者相辅相成、 互相作用.为此, 中国 科学家立足国家实际需求、 瞄准领域研究前沿, 进行探 索性理论研究并发展应用技术, 取得了长足进展和丰厚 回报. 一直以来, 国家自然科学基金重大项目面向国家经 济建设、 社会可持续发展和科技发展的重大需求, 选择 具有战略意义的关键科学问题, 汇集创新力量, 充分发 挥导向和带动作用, 积极推进各项理论研究投入应用. 本期自然科学基金版将总结国家自然科学基金重 大项目取得的研究进展, 展示其取得的成绩. 编者按 石墨烯以其独特的结构和性能蕴含了 丰富而新奇的物理与化学性质, 成为兼有优 良力学、 热学、 光学和电学特性于一体的神 奇材料, 在信息器件与电路等领域具有广阔 的应用前景, 是目前信息科学发展最为迅速 和活跃的研究前沿之一. 近年来, 石墨烯研究已取得了一系列重 要进展, 新发现、 新成果不断涌现, 但总体来 说在实用化信息器件方面仍面临很多挑战. 特别是基于高质量大面积石墨烯的信息器 件构筑及其特性研究备受关注. 自2014 年起,在国家自然科学基金重 大项目 介电衬底上高质量大面积石墨烯信 息器件的构筑与特性研究 支持下, 中国科 学家瞄准领域研究前沿, 针对石墨烯信息器 件的一些关键基础问题, 开展新概念、 新方 法和新技术的研究, 在石墨烯信息器件的重 大科学问题上取得了一系列进展. 超级材料石墨烯独特又完美 石墨烯是由单层碳原子紧密堆积而成 的二维蜂窝状晶体结构, 这种独特而完美的 结构使它具有优异而新奇的特性.例如, 石 墨烯具有

100 倍于硅的超高载流子迁移率、 高达 130GPa 的强度、 很好的柔韧性, 以及近 20%的伸展率、 超高热导率、 高达

2600 平方 米每克的比表面积, 并且几近透明, 在很宽 的波段内光吸收只有 2.3%. 这些优异的物理性质使石墨烯在射频 晶体管、 超灵敏传感器、 柔性透明导电薄膜、 超强和高导复合材料、 高性能锂离子电池和 超级电容器等方面展现出巨大的应用潜力. 高 大 石墨烯制备绝非易事 能否在介电衬底上大面积、 高质量地 制备石墨烯是其应用能否真正实现的关键 前提和基础, 也是石墨烯研究领域的重点和 热点. 该重大项目负责人、 中国科学院物理 研究所研究员顾长志告诉 《中国科学报》 . 自2004 年以来,科学家们已发展出多 种制备石墨烯的方法, 包括机械剥离法、 SiC 或金属单晶表面外延生长法、 化学氧化剥离 法、插层剥离法及化学气相沉积(CVD) 法等.其中, CVD 法由于具有可控性高、 结晶 质量好、 均匀、 薄膜尺寸大等优势而成为制 备石墨烯最为普遍的方法之一. CVD 法大多以过渡金属为生长基底, 借助于其较高的化学催化活性, 促进碳源裂 解并在金属表面吸附、 扩散、 成核、 生长形成 石墨烯.通过调控生长过程的参数, 可以实 现大面积、 层数可控、 高质量且结构均一连 续的石墨烯薄膜, 经过工艺优化, 可实现超 大面积石墨烯单晶生长. 值得一提的是,在实际应用过程中, 金 属表面形成的石墨烯一般需要转移至介电 层上, 才可以进行下一步的器件加工.复杂 的转移过程不可避免地带来石墨烯的破损、 褶皱, 金属、 溶剂残留污染以及操作繁复、 一 致性差、 成本高昂等问题. 为解决这一问题, 研究者将目光投向了 在介电衬底表面直接生长石墨烯. 如果能 在介电衬底上直接可控制备大面积、 高质量 的石墨烯, 就可以直接利用目前的微电子技 术制备器件, 实现与硅技术融合, 这将会极 大促进石墨烯的广泛应用和长足发展. 项 目组成员、 中国科学院院士高鸿钧表示. 然而, 由于介电层表面能量较低, 对碳 源小分子的裂解以及石墨烯形成所产生的 催化作用十分微弱, 因而在介电衬底上直接 生长石墨烯是一个研究难点. 长出 高 大 石墨烯 如何将石墨烯的优异性能在器件中呈 现出来?面对这一挑战, 项目组改进了石墨 烯的生长手段, 尝试在多种介电衬底上生长 石墨烯. 研究人员通过巧妙控制碳源的通入量 和实验温度, 利用扫描隧道显微镜直接观测 到石墨烯生长初期的前驱体单元, 以及前驱 体单元在石墨烯成核阶段形成的链状结构. 课题负责人、 中国科学院物理研究所研究员 杜世萱向 《中国科学报》 表示: 前驱体的发 现表明, 可以考虑通过控制碳源的通入来影 响前驱体的产生, 进而实现高质量、 大面积 石墨烯的可控生长. 基于此, 该课题组在国际上首次提出并 利用 插层法 实现原位、 无损地将 Si、 Ge、 Mg、 Hf 等几种材料插入石墨烯与金属的界 面之间, 并克服重重困难对插层结构进行原 位氧化, 经过无数次实验摸索, 终于获得高 绝缘性的介电插层, 实现了介电衬底上高质 量、 大面积的石墨烯材料生长. 同时, 通过石 墨烯量子器件的加工印证了介电插层的有 效性, 引起了国际同行的 关注与好评. 此外, 研究人员还采 用非金属催化的 CVD 方法, 在多种绝缘基底上实 现了微米尺度石墨烯单 晶的直接生长和可控制 备, 获得大面积均匀的单 层石墨烯膜, 薄膜尺寸达