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麦肯锡:石墨烯有望取代硅为半导体行业带来下

来源:未知   作者:admin    发布时间: 2018-08-08 00:48   浏览:

麦肯锡:石墨烯有望取代硅为半导体行业带来下

  硅为设计师和工程师提供了大展身手的舞台,数十年来硅的性能不断得到提升。看看20世纪70年代的数据就会发现这些性能呈指数级改进。然而,近年来这一速度明显放缓。个人电脑的处理能力已经趋于平稳,智能手机处理器性能的提高也开始放缓——简而言之,硅正在进入衰退期(见表1)。这些趋势意味着,在持续创新的基础上建立竞争优势的公司,随着其他公司的发展,它们的领先地位开始下降。

  目前,石墨烯在全球范围都引起了高度关注。依据产品属性,石墨烯产业被分为上游、中游与下游三大块。上游是石墨开采与烃类物质加工等原材料生产产业。中游是石墨烯粉体、薄膜等产品的生产加工产业。下游是材料、电子、生物医药、环保等领域的石墨烯应用。因此,对于石墨烯及其在陶瓷中的发展趋势可以从以上三部分进行分析。

  在对硅进行了长期且富有成效的开发后,高管们开始考虑用什么来取代硅,并提供类似的创新曲线。石墨烯的特性激发了人们的想象力,但到目前为止,它的物理局限使它无法被命名为硅的继承人。最近的技术创新历史表明,发展态势可能会迅速发生改变——因此,高管们应该把石墨烯视为一个有力的竞争者。无论最终结果如何,半导体企业都可以通过采用专注于结构化创新的思维模式来定位自己,以应对颠覆性技术,并使自己在竞争中脱颖而出。返回搜狐,查看更多

  于有海,彭莉等将石墨作为原料,通过充分的插层氧化制得氧化石墨烯,并配置氧化石墨烯溶液,然后将溶液喷涂在微孔陶瓷表面,在惰性气氛、高温条件下,经还原获得复合石墨烯的陶瓷过滤膜。此法能提高陶瓷过滤膜和石墨烯间的结合力,制得的复合石墨烯陶瓷过滤膜使用寿命长,过滤分离效果明显提高,且制备工艺简单,适于产业化,此复合石墨烯陶瓷膜可广泛应用于海水淡化或污水处理技术等领域。

  胡洋洋,许崇海等用Al2O3作为原料,通过水热反应制得Al2O3/ 石墨烯复合粉体并运用热压烧结技术获得Al2O3/ GS复合陶瓷材料。研究证明,当Al2O3/ GS复合粉体中GS的质量分数是0.75%时,复合陶瓷材料抗弯强度高达460.8 MPa,断裂韧性7.9 MPam1/2。

  历史表明,有些技术需要很长时间才能商业化,但一旦进入市场,它们就能迅速改变行业。根据我们的经验,有过利用广泛网络发现下一个革命性技术的公司,往往更有能力承受行业颠覆。

  尽管如此,石墨烯的采用还是很困难的。那么是什么阻碍了石墨烯的采用呢?我们已经确定了四种限制,两个技术限制和两个工业限制。在技术方面,带隙工程仍然是一个主要障碍:没有带隙,石墨烯开关就无法关闭。在过去的十年里,研究人员专注于解决这个问题,但尚未破解这个问题。此外,石墨烯制造必须产生高质量的晶体,并与现有的互补金属氧化物半导体(CMOS)器件兼容。在工业方面,晶圆厂需要投入大量资金,但半导体公司的大部分资源与目前的晶圆厂改善计划有关。此外,硅已经拥有了一个集成的价值链,但要为石墨烯重新创造一个价值链需要数十亿美元的投资。

  在制备石墨烯陶瓷复合材料时,需根据所需的特性选择不同形式石墨烯原材料,例如浆料、粉体、薄膜等不同形式石墨烯,亦或选择侧重于导热、导电、增韧等不同性质石墨烯。

  但目前因石墨烯生产过程尚未完善,行业标准的制定也就无法统一。石墨烯其实是一大类多功能材料的统称,同时存在很多的形式,例如粉体、浆料、薄膜等。但不同形式特点都有差异,比如有些可导电的,而其它则是绝缘的。另外,因生产商、原材料以及生产工艺不同,致使所制备的石墨烯性质、质量也有差异。且即便选择了适宜的的石墨烯材料与生产商,但仍可能会获得不一致的石墨烯,同一生产商不同批次的石墨烯会有波动,同一批次的石墨烯也可能会有不同。对于石墨烯材料的宽广定义,规范石墨烯的标准就显得格外重要。标准的缺乏会使得石墨烯间产生混淆,且会严重影响推进商业化,标准化将保证石墨烯的性质与质量,以及其应用化进程。

  半导体公司发现自己处境艰难。数十年来,硅的常规创新使该行业一直保持盈利和不断取得令人印象深刻的性能改进。最近,企业越来越难以从硅中获取更多价值。这种困境让企业一直在思索用什么材料来取代硅以及何时取代硅。以石墨烯为例,它被誉为是一种具有等同于或超越硅性能潜力的奇迹材料。然而,这种材料的商业化可能需要25年的时间,需要在研发和资本成本上投入大量资金才能将其投入生产。由于目前大量的资金都被分配给了硅,公司高管们必须确定合适的时机,将重心转向下一种物质——即使效果不一定得到保证。

  碳本身大量存在,石墨烯价格也应会适宜。但是,由于制备工艺与生产量局限等原因,导致现在其价格很高,市场价格1 RMB/g的产品,大多数还都是5 ~ 10层,客观上只算薄片石墨而称不上石墨烯,而真正的单层石墨烯价格还会高很多。石墨烯要实现产业化,还需依靠下游行业的刚性需求,同时石墨烯制备成本首先要降到0.1 RMB/g以下,但这是个漫长的过程,初始材料成本依旧十分高。值得一提的是运输与储存是石墨烯项目成本和可行性的重要方面应引起重视,类型不同的石墨烯对储存与运输条件要求会有差异。目前石墨烯项目,虽然研究与应用正在逐步进行,但是石墨烯的商业化还未能完全实现,利润可能还无法达到预期。

  贸易局表示,不适用贸易款项清算机制货品项目,主要是根据美国制裁类别、国际措施整理出来,目前这项清算业务国内主要由兆丰银负责。

  石墨烯目前无法大规模应用的主要原因有两个。石墨烯的转移和涂层过程的要求需要在制造过程中得到充分发展和整合。此外,石墨烯的成本必须大幅降低,才能实现商业化大规模生产。我们预计,至少需要5到10年的时间来解决这些问题后,石墨烯才能成为硅的一种可行替代品。

  从石墨烯在陶瓷中的应用研究角度出发,对于石墨烯陶瓷复合材料的性质会受到原料选择、成分配比、制备方法和工艺参数等的影响,所以,需加强以下方面的研究:拓展石墨烯陶瓷复合材料的种类和应用范围,优化石墨烯陶瓷复合材料的制备方法,研究石墨烯和陶瓷间互相作用所产生的独特性质,同时对两者间作用机理进行探讨,并经过理论模拟,为有关研究成果提供理论依据,以便控制复合材料性能。另外,当今关于复合材料的研究大多都聚焦在力学性能上,而掺入石墨烯对陶瓷电、热和磁性能方面的改善研究很少,希望以后的研究会更加全面完善。

  上海高诚创意科技集团有限公司蔡世山将陶土、石墨烯、氧化锆按重量比混合后装入球磨机,加水球磨,磨好的泥浆料进行静置,抽出上层清液,并将沉淀物取出晾干,然后炼泥,成型,烧制获得石墨烯陶瓷制品。此法能提高坯体强度与耐磨性,提升陶瓷制品的强度、硬度与抗拉强度。

  天津大学李亚利,殷正娥等将氧化石墨作为前驱体,并按比例混合氧化锆陶瓷粉,成型后,通过原位烧结获得石墨烯和氧化物陶瓷复合材料。此复合材料中纳米片层石墨烯能均匀分散在陶瓷基体构建网络纳米复合结构,且利于增强陶瓷,同时改变陶瓷导热、导电与电化学等特性,另外,制备工艺简单,适于产业化。

  在近期,我们期望石墨烯可以作为硅的增强剂,因为石墨烯的保护层可以用来提高互连的可靠性和性能。目前,铜互连上采用了14个纳米氮化钽金属屏障,以防止扩散到硅中。在小于10纳米的间隙中,扩散成为设备故障的主要原因。石墨烯屏障比钌和钴等其它替代物具有几个优势,包括保护能力更好、只有它们的1 / 8大小、互连速度快30%左右。

  为避免厂商货品卖至伊朗违反国际相关规定,经济部国际贸易局公告不适用贸易款项清算机制货品项目,共有石墨金属、贵金属、汽车产业零组等三大类。贸易局表示,并非禁止这些厂商出口,而是提醒出口商,以上商品不在清算机制保障范围内,届时可能会有收不到钱损失。

  挑战远不止石墨烯:随着半导体公司寻求识别并利用下一波创新成果,高管们必须采取不同的方式。要理解看似完全不同的开发材料如何能够创建新的业务模型和应用程序,就需要一个更广泛的视角。半导体公司的高管们应该利用这一视角,制定一个长期战略,在监控新生创新技术的同时,从现有材料和技术中提取价值。这种思维模式将使企业在未来几年既能应对已知挑战,又能应对未知挑战。

  硅,半导体工业中使用的主要材料,历史上一直与摩尔定律的地位一致,带来了史无前例的进步。先进的分析技术、增强现实技术、自动驾驶汽车、数字技术和物联网等颠覆性和变革性的技术,都是现代生活中最先进的科技创新技术,都对硅材料性能的进一步改善提出了更高的要求。然而,人们对硅的未来及其支持创新的能力提出了严重的质疑:以下三种趋势可以表明这点。

  对于石墨烯电池现阶段所谓的实验成功,其实都是在不计成本的情况下,虽然这也是电池产业的一个新的发展点。但是从现在开始等的话可能要等到您失去信心了。并且电动汽车电池的基本诉求有三点:充电快、容电量大、耐用性强。而石墨烯目前也仅仅是满足了充电快这点,石墨烯电池用于电动车行业确实还需要时间。返回搜狐,查看更多

  据外媒报道,科学家们(化学)用铌钨氧化物(niobium tungsten oxides,NTO)制作了锂离子电池电极(battery electrodes),铌钨氧化物的结晶结构或能实现电动车的快速充电,其中的一种方式,就是加速锂离子在锂电池电极内的进出速率,从而大幅缩短充电时间,科学家们需提供纳米尺寸的活性颗粒物(active particles),从而缩短粒子的移动距离。不幸的是,该方式将导致材料的尺寸增大,增加成本并导致材料结构不稳定。

  该行业正在试验几种奇异的新材料,包括硅烯、锗烯和黑磷,但石墨烯被吹捧为最有潜力的材料(见表3)。

  张秋雨研究了不同种类的表面活性剂、不同配比的石墨烯以及不同的烧结工艺来解决石墨烯在Al2O3基体中的团聚。从研究结果可看出,适量石墨烯掺入能明显提升石墨烯Al2O3基复合陶瓷材料致密度、硬度、断裂韧性与抗弯强度,且随烧结温度与保温时间的增加有先升后降的趋向。当石墨烯掺入量为0.4 vol%, 1500℃微波烧结保温30 min时,复合材料综合性能最好。

  依据中国地质调查局调查称,我国石墨储量是世界总储量的33%,居世界第二,2.6亿吨矿储已证实,预估潜在还有18.7亿吨。另外,我国目前是世界第一大石墨生产国与出口、消费国。现今,中国有石墨矿山194座,其中分别有40座大型,19座中型,135座小型矿山,集中在内蒙古、黑龙江、河北和山东等地。因此,从以上信息可以看出,石墨烯的原材料供应还是十分充足的,这对整个石墨烯市场及其应用化非常有利。

  总体而言,乐观的预测显示,到2030年,石墨烯半导体的市场价值有望达到700亿美元左右。

  除了商业上的挑战,硅性能是否会持续改进也是不确定的,因为创新已经达到材料的物理局限性。例如,节点长度正在接近传导通道宽度,这会致使性能受到严重限制:硅晶体管将由于隧道效应、泄漏和热问题等小维度的量子效应而停止工作。光刻、仪器和纳米结构制造的局限性也将阻碍进步。

  石墨烯的前景受到所讨论的严峻技术和商业挑战所抵消,这些挑战可能阻碍石墨烯作为硅替代物的使用。因此,在评估石墨烯的真正潜力时,半导体行业的高管们应该使用结构化创新方法来评估他们的选择。创新x射线由三个类别(创新战略、技术中断和创新实践(见表6))的10大问题组成。解决这些问题可以帮助企业领导者在追求创新的同时更好地了解其组织的能力,并支持在使用石墨烯或不使用石墨烯的情况下探索不同的方案。其结果是制定了一项战略,为企业进行颠覆性的、技术驱动的行业变革做好准备。

  张理卿以氧化石墨作载体,钛酸异丙酯为前驱体,运用超临界乙醇良好的分散性与还原性,制备晶型完整的锐钛矿TiO2/ 石墨烯纳米复合材料。结果表明,TiO2颗粒规则且均匀分散,平均粒径是8.24 nm,在太阳能电池、催化剂等领域将能起到重要作用。

  考虑到这些不确定性,我们预计石墨烯的采用和市场增长将分为三个阶段:增强剂阶段、替换硅阶段和革命性电子阶段(见表4)。

  随着半导体公司转向下一代晶圆厂,它们的成本会继续上升。为了实现性能提升,我们估计公司必须增加高达40%的资本支出(对新设备的要求)和150%的研发支出才能达到相同的吞吐量(见表2)。资本成本增加的主要原因在于生产设备,自从该行业向多重图式过渡以来,已增加了约20亿美元。毫不奇怪,集成设备制造商迅速增加了在领先节点技术上的研发投资。

  娄玥芸以氧化石墨烯与有机硅烷改性的氧化石墨烯材料作原料,以Al2O3多孔陶瓷为载体,采用浸渍提拉法制得连续无缺陷的石墨烯陶瓷复合膜。同时运用硅烷GLYMO改性接枝陶瓷载体法,可使氧化石墨烯膜层与载体层的结合性更好,且复合膜的渗透性能稳定。

  从突破性发现到变革型工业应用的道路可能是漫长且迂回的。通常,紧随第一次可能的重大发现是几十年的开发、改进和试验。即便如此,也无法保证一定会成功。世界各地的实验室里到处都充斥着曾经很有前途的技术,但这些技术从未在市场上获得商业用途。这一先例让高管们在决定何时何地投资新兴创新时举棋不定。对于每一个把赌注押在新兴数字技术上的公司来说,有数十个竞争对手完全错过了这股潮流,他们必须迎头赶上。时间将会告诉我们,柯达最近进军比特币行业,是一项孤立的举措,还是一个有先见之明的长期战略。

  Ramrez等运用SPS法制备GO(graphene oxide) / Si3N4复合材料,研究证明,GO / Si3N4复合材料有较大的电导率值,当r-GO含量为4 vol%与7 vol%时,测得的导电率为1 S/m与7 S/m。另外,此还原烧结法能避免石墨烯片热处理过程中产生高度弯曲,且能让石墨烯均一分散在陶瓷基中,并使Si3N4基体得到晶粒细化。

  2004年,英国曼彻斯特大学(University of Manchester)的两位研究人员发现了一种原子厚度的石墨烯,这一发现激发了人们的猜想,即它可能成为硅的高级替代品。石墨烯的特性让各行各业的公司垂涎三尺:据估计,石墨烯的移动性约是硅的250倍,它的灵活性和其他特性使它成为从电池技术到触摸屏等光电子产品等一系列应用的理想选择。最近的专利、学术论文和研究论文证明了人们对石墨烯的广泛兴趣。

  在未来的10到25年里,石墨烯将取代硅作为半导体的主要材料,前提是研究人员能够找到克服其带隙限制的方法。即便如此,石墨烯将在应用程序中利用其技术的优点(如高速、低损耗、规模小和灵活性)比其他材料更适合电子应用程序(见表5)。我们的分析计算了数据处理、无线通信和消费电子产品中石墨烯的总可寻址市场价值将为1900亿美元。

  因为现在石墨烯原料的一致性还较难控制,当制备石墨烯陶瓷复合材料时,要先做足准备,来确保实际应用参数,且预估材料的变化,同时提前设计应对方案。