石墨烯在未来通信领域的应用展望

一、引言

2010年，诺贝尔物理学被两位英国物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖诺夫夺得，他们因制备出了石墨烯而获此殊遇。而石墨烯的成功制备，引起了学界的巨大轰动，也引发了一场石墨烯制备、理论研究、应用开发的浪潮。

石墨烯

石墨烯（Graphene），又称单层石墨，是一种由碳原子以sp ²混成轨域组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯是目前世界上公认的最薄也是最坚硬的纳米级材料，几乎透明，导热系数高，高于纳米碳管和金刚石，室温下，石墨烯的电子传递速度比任何已知导体都快，而电阻率比铜或银更低。由于以上突出的特性，石墨烯被认为是未来电气电子航空航天领域的新一代突破性材料。

在现代通信领域，我们通常会面临以下难题：电子设备体积庞大，重量重，能耗高，运行速度慢，发热量高，抗干扰能力差，这些问题都是电子工业与生俱来的难题，人们一直致力于追求更小，更轻，更快，经过几代人的努力也取得了不小的成果，从最初的埃尼阿克到现在的IPAD，从最初的电子管到现在的单晶硅，可以说，电子工业的发展的依托之一就是材料科学。而到现在，硅系材料已经在电子产业的舞台上手舞足蹈了好几十年，随着电子科学的发展以及人们需求的不断提升，硅系材料的缺点也不断涌现出来，电子传导慢，发热量大，体积大，直接制约着现代电子领域的发展。在人们为硅的缺点唏嘘不已焦头烂额的时候，石墨烯出现在了世人面前。

二、石墨烯在通信电子设备中的应用

由于石墨烯中电子的低能行为与相对论的中微子非常相似，这使得它能以极快的速度几乎毫无阻力的通过前进道路上所遇到的障碍，因此，石墨烯晶体管传输速度远超目前的硅晶体管，如果将石墨烯制备的晶体管用于通信处理设备，调制、解调设备的处理速度及性能将会得到飞跃性提升，而其极佳的低电阻和导热性能，又能极大地能源消耗，甚至为降低设备的损耗做出巨大贡献（电子设备的损耗很大一个原因是其长期处于高温而造成的元件氧化）。另外，石墨烯至轻至薄的特性，将会使通信电子设备(处理设备，传输设备，终端)的体积成倍变小，重量成倍变轻，而性能成倍提升。特别是现在的通信卫星，如果能用石墨烯材料替代大部分材料制造内部元件及外壳，性能提升暂且不说，超轻超薄的特性将会使卫星发射成本成倍降低，到时候只需一支火箭，就能将十位数的卫星送上太空，卫星通讯将会因此得到跨越式发展。

射频石墨烯晶体管，频率高达100GHz，将大大提高通信信号处理效率

三、石墨烯在通信有线传输领域的应用

早在2002年，垂直于基底表面的石墨烯纳米墙就被制备出来，他被看作是非常优良的场致发射电子源材料，这开启了石墨烯在场发射源及其真空电子器件领域的应用研究大门。更重要的是，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因为晶格缺陷或引入外来原子而发生散射，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部收到的干扰也非常小。也就是说，如果我们将传统的信号传输铜缆替换为石墨烯，不仅传输线缆的重量降低，强度增大，信道降噪抗干扰能力也会得到极大地提升！这绝对是一个让人振奋的发现。不仅如此，大家都知道光纤传输能力强，速度快，效率也高，但是数据传输过程中，电—光—电，光与电的相互转换依旧是个难点。如果我们能将石墨烯代替光纤应用于远程有线信息传输，实现电—电的直接传输，不仅传输速度和质量不会降低，还能回避在光电传输领域中不必要的难题，更免去了一大堆光电转换设备及研究、制造经费。

四、石墨烯在通信传感领域的应用

传感，就是将目标能量，如化学能机械能作为信息收集起来，处理转换成另一种能被人类直接感知、便于监控、分析的能量，如电能。因此，传感与通信相辅相成，密不可分。科学家们在研究时发现，当一个氧原子吸附于石墨烯表面时，吸附位置会产生电阻的局域变化。因为石墨烯具有高导电率和低杂讯的优良品质，能够精确地侦测这微小的电阻变化，这就决定了它是一种极其精密的传感材料，如果能将石墨烯应用于传感领域，传感器将摆脱各种复杂的化合物的束缚，变得更轻、更硬、更小、更精确，解决通信传感领域的一系列问题。

石墨烯半导体量子点，能够实现单分子传感

五、结束语

据最新消息，美国宾夕法尼亚大学已经制成100mm的纯石墨烯晶圆。研究人员将会在近日制造出一种石墨烯放大器，它不仅可以降低无线通信电路的复杂性，还可以提高通信电路的速度，这种放大器将会被用于蓝牙和射频识别技术（RFID）。IBM研究人员成功获得频率高达100GHz的石墨烯晶体管，创造了一个世界级的高频记录（此前最高纪录只有40GHz），这种石墨烯晶体管的栅极宽度目前为240纳米，因此还有充分的改进空间，性能也将会有大幅提升，而且与传统硅系材料具有良好的兼容性。这一突破充分体现出石墨烯在高性能器件和集成电路制造领域的广阔前景。频率的大小决定了设备处理传输信息的性能的高低，因此，高效率的信息传输绝对离不开超高频的元器件。而石墨烯，使这种超高频元器件的制造成为了现实，也为今后的通信工程的跨越式发展铺平了道路。

100mm石墨烯晶圆

石墨烯，让通信人看到了一个崭新的未来。

作者：罗兴宇（20102837）