第一情报 ---材料工业

二维材料产业发展的主要瓶颈

供稿人:宋鸿  供稿时间:2019-2-17   关键字:二维材料  产业发展  关键因素  瓶颈  

由于二维材料天生的性质,几乎对所有工艺流程,诸如互连接触、掺杂、栅极加工、图形化及其刻蚀等都会产生很大的挑战,而将这些工艺步骤整合进一个超净环境的工艺流程中对推进大规模制造应用来说也是必需的。只有成功地实现基于实验室的器件概念向真正的大规模生产制造转化,二维材料才能真正引领对许多产业的改革。目前二维材料的制备工艺流程仍旧不成熟,但在发展过程中出现一些里程碑式的重大突破,是迈向工业化之路的重要关键因素(表1)。

表1 二维材料工业化的重要关键因素

工艺流程中的技术

里程碑

重大意义

二维材料的合成

基于粉末的化学气相沉积(P-CVD)/气体源化学气相沉积(CVD)/分子束外延(MBE)技术,实现单晶2D的批量合成

•单晶,晶片规模2D膜的实现

•TMD生长集成到硅衬底

这种制造大尺寸单晶的方法意义重大,不仅适用于石墨烯单晶的实际应用,同样适合可用化学气相沉积法生长的氮化硼、过渡金属二硫属化合物等其他2D材料,为这些2D材料进行工业化生产及实际应用,铺平了道路。

模拟气体源CVD/MOCVD(有机金属化学气相沉积法)反应器,实现可再现性和精确的控制

•计算有效,高性能和高精确度模型实现2D材料生长的实时控制

•对于大面积、均匀生长工艺优化的反应器设计

•反应器数据库,以减少2D材料的生产时间

开发的模型应有助于其保持在大面积上,这是可再现合成均匀生长工业规模高质量2D材料反应器的设计关键。两个主要策略:(ⅰ)开环的设计方法,根据预定义条件而设计(且因此要求高度精确的模型);和(ii)闭环设计,其中所述建立的模型不仅可用于反应器设计,也可以用在实验过程中主动地控制生长过程。在这两种情况下,精确的增长模式是至关重要的。然而,ⅰ设计方法对模型的精确度更为敏感,而ⅰ计算效率是关键。主动地控制生长过程的能力将是设计具有新颖结构和性质2D材料的新范例。反应器数据库和图表,可以减少设计到2D材料生产的时间。

成核和2D材料的生长

•在2D薄膜的成核和层号实验对照

•复杂的合成环境及二维材料成核和生长相应的影响计算表示

成核密度高

基质的影响

•阐明生长2D层和衬底之间的键合的性质

•制定最佳2D层传输衬底工程策略

•开发2D层和基底系统的电子和光电特性定量评价预测工具

与固态基底相比,液态基底具有更松散的原子排列、更剧烈的原子迁移,使得液面平滑而各向同性,液相可流动且可包埋异质原子。这使得液态金属在催化石墨烯等二维材料及其异质结生长时表现出很多独特的行为,比如层数严格自限制、超快的生长速度、晶粒拼接平滑等。更重要的是,基底的液态特性给二维材料的自组装和转移带来了突破,实乃二维材料的点金石。

材料工程

掺杂

•多式联用,通过实验和计算特征的整合来识别和理解二维材料缺陷及其对中尺度运输的影响

•数据库的建立,规范缺陷表征和缺陷工程

•缺陷结构、化学和安置的实验,进行大面积的结构调控

其材质的标准化将成为可能。这些标准将为2D材料的工业合作伙伴提供一个合理的引导。

催化及合金化

•建立规则,根据所需的性能选择掺杂剂

•受控置换掺杂调谐n型和p型半导体层

将为二维材料的应用提供更多的可控性和可操作性,与传统半导体工艺兼容的二维材料载流子调控与掺杂

异质

•控制合成大面积的横向或垂直范德华异质结构

•可预测,可计算地实现新颖的异质结构

通过控制设计,得到具有多种优异性能的终极材料。二维材料的各种组合,使得这些异质结构材料的功能范围不断扩展,应用领域不断扩大,将导致属于任一目前技术的显著改善,或产生完全新的技术特性。

(ISTIS整理)

首先,通过内容分析和比较分析后发现,二维材料产业发展的主要瓶颈呈现一定的共性特征:①要实现二维材料的广泛应用,首先需要解决的问题就是实现大面积的可控制备。随之再将其转移到最终的基片上。以石墨烯为例,基质模板非常关键,石墨烯的质量很大程度上取决于其生长模板质量的好坏。而石墨烯的质量越好,其膜层无缺陷转移工艺就越困难。也可以采用CVD工艺来生长二维材料。②另一个技术障碍就是二维材料的掺杂问题,需要通过掺杂来调节材料的能级从而控制其性能。传统的半导体掺杂方法是通过取代3D结构中的原子来实现的,但是如果在2D结构中要取代一个原子的话,那么就会导致材料产生缺陷,所以不得不考虑用别的方法来进行掺杂。除了掺杂之外,互连也是一个问题,电极对器件总电阻的贡献要越小越好,故而需要寻找有着最低接触电阻的材料及结构。此外,很多的应用都需要在活性半导体材料上生长一层介质材料,二维材料几乎是具有完全钝化性的材料,其表面没有介质材料成核的锚固点,因此,二维材料越完美,在其上生长的介质材料缺陷就会越多,也对加工工艺产生挑战。但是这种结构也将为表面分子掺杂、多层隧道堆叠等技术提供应用机遇。解决对不同二维材料进行钝化、掺杂和在其上生长介质的难题,又牵涉到图像化、刻蚀、光刻和表征等技术。

其次,需要产业界和学术界建立有效的合作体系,并通过长期的共同努力才能实现。①学术、产业界的协同合作。二维材料器件及集成技术的诸多研究仍停留在实验室阶段,未进入产业界的研发阶段。例如利用石墨烯、二硫化钼等二维材料能够实现CMOS兼容微米级高效的有源硅基器件,包括调制器、探测器等,实现硅基高效有源无源器件体系的建立。利用金属-介质、二维材料石墨烯的表面等离激元技术可深入发展新型高集成度硅光技术,从而构建超大容量硅基通信系统。通过研究硅基光电子器件内部光、电、热相互耦合机理,建立多物理问题模型,可以系统地研究硅基光电的封装问题。只有前沿科研和产业研发的共同协作,建立科研成果和市场产品之间有效的连通桥梁,才有希望实现硅基光电子的重大突破。在石墨烯产业化进程较快的美国和韩国,其研发和产业化主体都以企业为主,各企业的研发部门通过建立联盟实现技术共享,企业既掌握核心技术,又洞悉市场需求,从而可有效推动石墨烯的研发进程、研发成果转化进程和产业化进程。中国虽然也有石墨烯产业技术创新战略联盟,但联盟成员的关系比较松散,在产业化协调推动方面明显不够,所以当前亟需建立连接研发主体和产业化主体的产业转换平台,推动研发成果向产业化应用转化。②产业界内部合作。快速构建硅基和III-V族有源器件的混合集成生态需要传统InP基的III-V族材料厂商和硅基光电子厂商的共同合作。工艺技术的积累不是一朝一夕的努力,要想快速实现硅基的混合异质集成系统,必须将III-V族的有源光器件技术和硅基光电子技术共同结合,因此厂商之间的内部合作是一种有效的捷径,将大大缩短研发时间,促进硅基光电子器件和集成技术的市场化。

三是下游应用市场发展缓慢。目前,还没有一个应用领域可以实现石墨烯等二维材料的规模化生产。以动力电池用石墨烯为例,宁波墨西科技于2012年建成全球首条年产300吨的石墨烯生产线,并可以实现电动汽车用高容量锂离子电池和高性能磷酸铁锂动力电池的产业化生产。但受我国现有电动车的充电桩等配套服务滞后影响,该产业链尚未打通。只有通过巨大的应用驱动,二维材料技术才可能成为颠覆性技术。

二维材料被科学界和工业界誉为新一代的“梦幻材料”,已经在诸多领域得到证实,从最初的输运性质,到光电器件和自旋电子器件,再到后来的光/电催化剂、锂电池、太阳能电池、超级电容器等,二维材料已渗透入众多现有的研究领域甚至开拓出一些新兴领域,有望在下一代信息传输器件和能源存储器件领域得到广泛应用。石墨烯电热膜及其衍生的理疗产品、用于锂电的石墨烯导电剂、石墨烯改性功能纤维等产品已经商业化,未来会有更多石墨烯产品,甚至颠覆性产品,进入市场。但是,二维材料的品质和成本问题仍是严重制约它在规模化应用的核心要素。要实现二维材料在各领域的实际应用,仍然存在巨大的挑战。二维材料的产业应用涉及到全产业链条中的各要素,迫切需要政府从宏观层面积极介入,通过政策性引导和资金支持,有效整合技术链与产业链中的各创新要素与资源,保障二维材料的研发、生产与应用工作又好又快发展。

 

 


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