? ?石墨烯是一種由sp2共軛碳原子組成的只有單原子層厚的二維晶體，以其獨(dú)特結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含豐富的新物理、新化學(xué)特性和新奇效應(yīng)，成為兼有優(yōu)良的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電學(xué)特性于一體的神奇材料，可用于傳感、生物、能源、信息、環(huán)保、顯示觸控、復(fù)合/導(dǎo)熱/導(dǎo)電/防腐材料等領(lǐng)域。

　　我國目前在石墨烯粉體材料生產(chǎn)、超級電容器、鋰離子電池、導(dǎo)電油墨、防腐涂料、散熱、透明電極等領(lǐng)域的研究和投入較多。但對于石墨烯在高端信息領(lǐng)域，包括石墨烯射頻器件、石墨烯光電器件、石墨烯集成電路芯片、石墨烯光電集成芯片等領(lǐng)域的研究和投入較少。而歐美國家則更關(guān)注石墨烯在高端信息領(lǐng)域的研發(fā)。事實(shí)上，石墨烯憑借超高的載流子遷移率、寬波段的光電響應(yīng)特性，十分適合研制高性能射頻器件和光電子器件，在信息領(lǐng)域大有作為。

　　石墨烯光調(diào)制器

　　石墨烯的費(fèi)米能級可以通過外電場調(diào)節(jié)，不同的費(fèi)米能級對應(yīng)不同的石墨烯/光耦合強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)吸收系數(shù)。基于石墨烯可調(diào)的光吸收特性，加州大學(xué)伯克利分校研究人員等人利用單層石墨烯和雙層石墨烯分別實(shí)現(xiàn)了對空間入射光的反射系數(shù)的調(diào)制，反射特性與石墨烯材料的能帶結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，對費(fèi)米能級的調(diào)節(jié)導(dǎo)致了反射系數(shù)的變化。

　　除了空間入射光調(diào)制外，將石墨烯轉(zhuǎn)移到硅光波導(dǎo)表面可以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)型調(diào)制。硅光波導(dǎo)具有兩個作用，一是實(shí)現(xiàn)對石墨烯費(fèi)米能級的調(diào)節(jié)，二是傳導(dǎo)光信號。利用硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)光信號與石墨烯的相互作用，從而增強(qiáng)對光信號的調(diào)制作用，實(shí)現(xiàn)了0.1dB/μm的消光，是世界上最小的寬帶電光調(diào)制器。我們另辟蹊徑，利用石墨烯的良好熱學(xué)特性和硅微環(huán)的熱敏特性，研制了首個石墨烯熱光調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了最快的熱光調(diào)制。

　　石墨烯激光器

　　石墨烯具有飽和吸收特性：當(dāng)光功率較弱時(shí)，石墨烯狄拉克點(diǎn)附近的能帶未被填滿，石墨烯的光吸收率保持不變；當(dāng)光功率很強(qiáng)時(shí)，石墨烯狄拉克點(diǎn)附近的能帶被填滿，由于泡利阻塞效應(yīng)，石墨烯不能繼續(xù)吸收光子而實(shí)現(xiàn)飽和吸收。利用石墨烯的飽和吸收特性，新加坡國立大學(xué)的鮑橋梁等人借助光纖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的世界上第一只基于石墨烯的鎖模激光器，獲得了脈寬756fs、重復(fù)頻率1.79MHz的脈沖激光輸出。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所王圩院士團(tuán)隊(duì)利用石墨烯光柵實(shí)現(xiàn)對III-V族激光器的選模，成功研制出高溫度穩(wěn)定性的單模激光器。該激光器首次實(shí)現(xiàn)了石墨烯、III-V材料、硅的集成，有望解決硅基光電子最大的難題——片上光源，具有重要的意義。

　　石墨烯光電探測器

　　石墨烯作為零帶隙材料，具有超寬譜光吸收的優(yōu)勢。金屬-石墨烯-金屬結(jié)構(gòu)是以石墨烯為有源區(qū)材料的光電探測器的最基本的結(jié)構(gòu)，在石墨烯材料兩端布置兩個金屬電極，實(shí)現(xiàn)光電流信號的輸出。受益于石墨烯的零帶隙特性，石墨烯光探測器具有超寬光學(xué)帶寬；受益于石墨烯超高載流子遷移率，石墨烯光探測器理論上具有500GHz的電學(xué)帶寬；受益于石墨烯的可調(diào)光響應(yīng)特性，石墨烯光探測器的光電響應(yīng)高效可調(diào)；受益于石墨烯的可飽和吸收特性，石墨烯光探測器具有非線性光響應(yīng)。

　　由于石墨烯光探測器具有如此多的優(yōu)良特性，是最可能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的方向之一。在實(shí)驗(yàn)室，人們已經(jīng)在六寸晶圓上實(shí)現(xiàn)了大批量高性能石墨烯光探測器的制作，這表明將石墨烯光探測器商用化指日可待。

　　石墨烯倍頻器

　　頻率倍頻器是一種重要的射頻器件，能夠?qū)⒌皖l信號的頻率成倍提高，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信和雷達(dá)等多個領(lǐng)域。傳統(tǒng)的倍頻器一般基于非線性電子器件，例如場效應(yīng)晶體管或者整流結(jié)。受限于傳統(tǒng)體材料電子器件較弱的非線性特性，傳統(tǒng)倍頻器的頻譜純度很低，需要復(fù)雜的濾波系統(tǒng)來提高倍頻信號的純度，從而大大提高了倍頻器的成本。

　　新型二維材料石墨烯具有較低的態(tài)密度，具有電可調(diào)諧雙極性傳輸特性，可實(shí)現(xiàn)具有很強(qiáng)非線性特性的GFET。利用GFET能實(shí)現(xiàn)高純度且結(jié)構(gòu)簡單的新型三倍頻器，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)高性能的倍增因子可調(diào)的倍頻器。我們利用表面分布微晶的石墨烯研制了純度最高的三倍頻器（94%），同時(shí)采用雙柵結(jié)構(gòu)首次研制了倍頻因子可調(diào)的倍頻器，可實(shí)現(xiàn)兩倍頻、三倍頻、四倍頻。理論上，通過合理設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)任意倍頻系數(shù)的倍頻器。考慮到石墨烯具有超高的載流子遷移率，基于GFET的倍頻器將會被廣泛應(yīng)用于高頻電子領(lǐng)域。

　　石墨烯光電混頻器

　　石墨烯特殊的能帶結(jié)構(gòu)決定其對光獨(dú)特的響應(yīng)特性。一方面，GFET作為一種場效應(yīng)器件，其電學(xué)特性受柵源漏電壓調(diào)控；另一方面，由于石墨烯缺少帶隙，GFET呈現(xiàn)出源漏電流弱飽和特性。將以上特性結(jié)合，讓GFET作為光探測的同時(shí)，利用其非線性實(shí)現(xiàn)混頻，即石墨烯光電混頻器。我們于2015年首次研制了石墨烯光電混頻器，可實(shí)現(xiàn)“光域”信號和“電域”信號的直接混頻。2016年，法國Thales集團(tuán)和法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）的研究人員基于我們提出的光電混頻器原理，研制了載波頻率為30GHz的光電混頻器，等效變頻損耗約35dB。日本東京大學(xué)和NTT公司的研究人員于2016年也發(fā)表了類似的GFET光電混頻器，實(shí)現(xiàn)了120GHz的光電混頻。

　　石墨烯光電混頻器可用于光載射頻系統(tǒng)（RoF）中。傳統(tǒng)的RoF光載射頻信號需先經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)換為射頻電信號，再用射頻混頻器下變頻為中頻信號。而石墨烯光電混頻器，采用一個器件，即可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)光探測和解調(diào)功能。如果石墨烯光電混頻器的增益足夠高，還可以同時(shí)兼有放大的功能。也就是說，通過石墨烯光電混頻器一個器件，可以替代傳統(tǒng)RoF系統(tǒng)中的探測器、放大器、混頻器，從而簡化系統(tǒng)。

　　石墨烯雙光混頻器

　　利用石墨烯非線性特性除了可以實(shí)現(xiàn)上述光電混頻器外，還可以實(shí)現(xiàn)雙光混頻器，即可以實(shí)現(xiàn)兩束不相干光信號的探測和混頻。在信息爆炸式增長的今天，人們對高帶寬、低延時(shí)通信的需求日益強(qiáng)烈。光通信網(wǎng)絡(luò)因其大容量、高速率、低損耗、高可靠度和低成本的優(yōu)勢，在遠(yuǎn)距通信以及核心網(wǎng)組建中取代傳統(tǒng)的電網(wǎng)絡(luò)是大勢所趨。因此急需一種高帶寬的新型光電接口來解決海量信號高速傳輸問題。

　　雙光混頻器能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)光信號的探測和混頻，借助一個器件能夠完成傳統(tǒng)光信號探測器和電信號混頻器兩個器件的功能。將雙光混頻器用于光電接口，能夠大大簡化光電接口系統(tǒng)的復(fù)雜度，大幅度降低信號延時(shí)。新材料石墨烯具有超高載流子遷移率和超快寬光譜響應(yīng)特性，是最合適的光探測器有源區(qū)材料，基于石墨烯的高性能光探測器已經(jīng)取得重要進(jìn)展。我們利用石墨烯光探測器的非線性光響應(yīng)實(shí)現(xiàn)了光信號和光信號的直接混頻，利用光信號直接對光載電信號的探測和解調(diào)，具有巨大潛力應(yīng)用到全光通信網(wǎng)絡(luò)和ROF通信網(wǎng)絡(luò)中。

　　石墨烯晶體管

　　在石墨烯被發(fā)現(xiàn)的2004年，人們就利用石墨烯研制石墨烯場效應(yīng)晶體管（GFET）。第一只GFET利用硅襯底作為背柵，利用二氧化硅作為柵極絕緣層。其電導(dǎo)率呈現(xiàn)明顯U型（或稱為V型）特性，因此可看做柵壓控制的可變電阻，其輸出阻抗和跨導(dǎo)都很小，性能較差。

　　石墨烯場效應(yīng)管可以分為背柵和頂柵兩種。背柵結(jié)構(gòu)GFET一般采用重?fù)降墓枳鳛楸硸烹姌O，在硅上生長二氧化硅作為柵氧化層，在其上轉(zhuǎn)移一層石墨烯作為溝道，在石墨烯溝道上做上金屬源漏。背柵GFET制作簡單，柵與源漏之間一般有較大的寄生電容，而且柵氧化層一般難以做到很薄，因此性能不高。頂柵結(jié)構(gòu)GFET最早是在SiC外延生長的石墨烯上制成的，其流程一般是在SiC表面的石墨烯上先制作源漏電極，然后用源漏電極作為對準(zhǔn)的掩膜，在石墨烯表面制作柵氧化層，最后再制作頂柵電極。

　　目前已證明制作出性能良好的GFET比較優(yōu)秀的工藝方法主要有：自對準(zhǔn)工藝和T型柵工藝。將這兩種方法結(jié)合的T柵自對準(zhǔn)工藝GFET，特征頻率（fT）和最大諧振頻率（fmax）已分別達(dá)到400GHz和100GHz。

　　石墨烯集成電路

　　在單個石墨烯晶體管基礎(chǔ)上，人們也試圖嘗試研制石墨烯集成電路。IBM公司最早對石墨烯晶體管的集成做了初步探索，其通過在碳化硅襯底上高溫（1400度）外延生長石墨烯、淀積柵絕緣層和三層金屬鋁來實(shí)現(xiàn)石墨烯晶體管和無源器件的單片集成。該芯片是世界上首個石墨烯集成電路芯片，單片集成了一個石墨烯晶體管和兩個電感，可以實(shí)現(xiàn)混頻的功能，但是芯片性能不佳，在200MHz和7.8GHz的頻率下的損耗高達(dá)27dB和52dB。

　　隨后IBM對集成方案和工藝進(jìn)行了改進(jìn)，在硅襯底上采用先淀積金屬互連層和電介質(zhì)層，最后轉(zhuǎn)移石墨烯的方法實(shí)現(xiàn)了3個石墨烯晶體管、4個電感、3個電容、2個電阻的單片集成，可以實(shí)現(xiàn)射頻接收功能，在4.3GHz下混頻損耗為10dBm。該芯片是真正意義上的石墨烯集成電路，可以實(shí)現(xiàn)多個有源器件和無源器件的集成，成功實(shí)現(xiàn)了下變頻接收功能。

　　石墨烯光電集成

　　如上所述，基于石墨烯的集成電路芯片的研究還不成熟，能集成的石墨烯晶體管數(shù)量有限，且性能欠佳。基于石墨烯晶體管的集成電路短期內(nèi)還很難與硅晶體管集成電路抗衡，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的大規(guī)模集成。與石墨烯電子器件相反，石墨烯光電子器件的零帶隙結(jié)構(gòu)決定了它在寬波段范圍內(nèi)具有良好的光電響應(yīng)特性，可覆蓋可見光到中遠(yuǎn)紅外波段，在太赫茲波段也具有良好的光電響應(yīng)特性。且石墨烯的光電特性可被外電場調(diào)制，可實(shí)現(xiàn)功能豐富的光電器件。因此基于石墨烯的光電子器件具有比硅基光電子器件更好的性能和更廣闊的應(yīng)用。

　　由此可見，石墨烯和硅各自在光電子和微電子領(lǐng)域有明顯的優(yōu)勢，將二者結(jié)合可充分發(fā)揮石墨烯在寬波段光電響應(yīng)的優(yōu)勢和硅在電信號放大和處理方面的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)寬波段、高性能、高集成度的石墨烯光電集成芯片。石墨烯與硅CMOS電路單片集成充分結(jié)合了石墨烯優(yōu)良的光學(xué)特性和硅基集成電路絕佳的電學(xué)特性，是突破后摩爾時(shí)代集成電路芯片性能瓶頸的重要途徑。

　　我們將石墨烯探測器和硅基CMOS集成電路芯片單片集成，首次研制了單片集成石墨烯光接收芯片，實(shí)現(xiàn)了石墨烯光電集成芯片。該光電集成芯片的光電探測功能由石墨烯來實(shí)現(xiàn)，光電流放大功能由硅基CMOS集成電路來實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮了石墨烯在長波段光電探測和硅在信號放大處理方面的優(yōu)勢。在單個石墨烯探測器基礎(chǔ)上，將多個石墨烯探測器陣列和硅基CMOS電路集成即可實(shí)現(xiàn)成像的功能。由于石墨烯在紅外波段具有良好的光電響應(yīng)特性，因此可實(shí)現(xiàn)紅外成像的功能。

　　石墨烯光電集成紅外成像芯片具有很高的靈敏度，且可工作在室溫下，避免了傳統(tǒng)InGaAs紅外成像芯片需要復(fù)雜的液氮制冷，具有低成本、高集成度、高成品率的優(yōu)勢，在紅外成像領(lǐng)域具有廣闊市場前景。

　　總結(jié)與展望

　　石墨烯憑借超高的載流子遷移率、費(fèi)米能級高效可調(diào)、寬波段的光電響應(yīng)特性，十分適合研制高性能射頻器件和光電子器件。超高的載流子遷移率使其可以實(shí)現(xiàn)超高速射頻器件；費(fèi)米能級高效可調(diào)使其具備豐富的非線性特性，可以實(shí)現(xiàn)頻率變換的射頻器件；寬波段的光電響應(yīng)特性使其可以實(shí)現(xiàn)寬光譜響應(yīng)的光電器件，突破了傳統(tǒng)半導(dǎo)體光電子器件只能響應(yīng)特定波長的限制。基于石墨烯的射頻器件和光電子器件彌補(bǔ)了硅在該領(lǐng)域的不足，展示了與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料不同的優(yōu)良特性，真正發(fā)揮了石墨烯卓越的材料特性，可用于射頻、太赫茲、光通信、紅外成像等領(lǐng)域，是石墨烯潛在的“殺手锏”應(yīng)用領(lǐng)域。