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《英国资助 600 万英镑推动石墨烯等二维半导体材料研发 助力节能减排》

  • 来源专题：集成电路与量子信息
  • 发布时间：2025-04-30

  • 据欧洲电子新闻网4月29日报道，来自英国伦敦大学玛丽皇后学院、诺丁汉大学和格拉斯哥大学的联合研究团队获得 600 万英镑资助，开展 “使用超低能耗2D材料和设备实现净零和人工智能革命”（Enabling Net Zero and the AI Revolution with Ultra-Low Energy 2D Materials and Devices ，简称NEED2D)项目研究。NEED2D项目得到英国工程与物理科学研究理事会（EPSRC）和 20 余家制造商和研究机构的共同支持，旨在开发单原子层半导体材料。项目由伦敦大学玛丽皇后学院的材料科学 Colin Humphreys 教授领导，他说二维材料可以节省数据中心所需能源的 90%，从而帮助英国实现净零排放目标。

  • 原文来源：https://www.qmul.ac.uk/media/news/2025/science-and-engineering/se/atom-thin-semiconductors-could-cut-energy-use-by-over-90-.html
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相关报告

  • 《中国科学院成功合成新型碳基二维半导体材料 弥补石墨烯缺憾》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2021-12-09
    • 近期召开的“全球IEEE（电气和电子工程师协会）国际芯片导线技术会议”上，IMEC（欧洲微电子研究中心）提出了四种延续摩尔定律、打破2nm芯片物理极限的方法。这几种方法无一不是建立在了使用“石墨烯材料”的基础之上。经过讨论，专家组最终达成一致，将石墨烯定位下一代新型半导体材料，将碳基芯片定义为下一个芯片时代的主流。 以石墨烯为代表的碳基二维材料自发现以来受到了广泛关注。然而，石墨烯的零带隙半导体性质严重限制了其在微电子器件领域的应用。 针对该情况，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究人员等自2013年开展新型碳基二维半导体材料的制备研究，2014年1月成功制备了由碳和氮原子构成的类石墨烯蜂窝状无孔有序结构半导体C3N单层材料，并发现该材料在电子注入后产生的铁磁长程序。 C3N晶格结构及氢化后铁磁长程序 从结构图可以看出原本C原子构成的六边形全部被N原子分隔开。C3N的成功合成弥补了石墨烯无带隙的缺憾，为碳基纳米材料在微电子器件的应用提供了新的选择，并引起广泛关注。 研究人员于2016年初步实现AA'及AB'堆垛双层C3N的制备。在此基础上，他们与华东师范大学研究员袁清红团队通过近5年努力，借助实验技术与理论研究，在双层C3N的带隙性质、输运性质等研究领域取得突破，进一步证明双层C3N在纳米电子学等领域的重要应用潜力。该工作证明了通过控制堆垛方式实现双层C3N从半导体到金属性转变的可行性。与本征带隙为1.23 eV的单层C3N相比，双层C3N的带隙大致可以分为三种：接近金属性的AA和AA'堆垛、带隙比单层减少将近30%的AB和AB'堆垛、与单层带隙相近的双层摩尔堆垛。 AA'（a-c）及AB'（d-f）堆垛双层C3N的HAADF-STEM图像 上述工作是C3N材料实验与理论研究的重要突破，为进一步构建新型全碳微电子器件提供了支撑。然而，相比于目前研究已经比较成熟的石墨烯，C3N的研究起步较晚，该材料的基本物性研究仍有大量空白有待填补。
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  • 《石墨烯材料的研发与应用展望》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-06-06
    • 自从2004年凭借其优异的性能从众多材料中脱颖而出引发世人关注以来，有“材料之王”之称的石墨烯在全世界范围内引起了一股新的研究热潮——物理、化学、材料科学家开始对石墨烯进行系统研究，各种极具魅力的奇特性质相继被发现。 目前，主要的石墨烯制备方法有机械劈裂法、外延晶体生长法、化学气相沉积法、氧化石墨的热膨胀和还原方法。还有其他一些制备方法也陆续被开发出来，如气相等离子体生长技术，静电沉积法和高温高压合成法等。 超级电容器凭借其高功率密度、优秀的倍率性能和极佳的循环性能等特质成为了近年来的研究热点之一，甚至被认为有机会成为最主要的储能装置。 石墨烯具有较大的比表面积，良好的导电性和导热特性，是很有潜力的储能材料。作为已知最薄的二维材料，石墨烯因具有大比表面积等特性成为超级电容器电极材料的热门选择。 近日，在东京大学先端科学技术研究中心（RCAST），筑波大学教授、日本物质科学研究机构（NIMS）主席研究员唐捷为新材料在线®日本新材料考察团发表了题为《石墨烯材料的研发与应用展望》的精彩演讲，引发现场讨论热潮。 日本物质科学研究机构（NIMS）主席研究员唐捷发表演讲 以下为演讲实录，有删减修改： 石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，这种稳定二维蜂巢状晶格结构赋予了石墨烯力学、光学、电学和微观量子性质等极为优异的性能，被称为“材料之王”。 2004年，曼彻斯特大学的安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用微机械剥离法成功分离出稳定的单层石墨烯，颠覆了凝聚态物理学界既往的二维材料不能在有限温度下存在的观点，被授予2010年诺贝尔物理奖。 石墨烯是人类已知最薄最坚硬的物质，单层石墨烯厚度只有0.335纳米，是头发直径的二十万分之一。作为理想二维晶体材料，石墨烯导电率可达10^6 S/m，是室温下最好的导电材料，性能超过已知最好的导体银或铜。同时，石墨烯是已知的导热系数最高的物质，是室温下导热最好的材料。 单层石墨烯对光的吸收率仅为2.3%，且对任何波长都有效，打破了目前常用半导体化合物如砷化镓等的吸收带仅在可见光和近红外端的限制，可制备透明导电薄膜，替代ITO，用于触摸面板、柔性液晶面板、太阳能电池及LED照明等。 石墨烯具有2630 m^2/g 的超大比表面积，能够作为强力吸附剂与过滤材料，应用于环保、海水淡化等领域，还能充当储能材料负载。 日本物质科学研究机构（NIMS）主席研究员唐捷与考察团合影留念 超级电容器凭借其高功率密度、优秀的倍率性能和极佳的循环性能等特质成为了近年来的研究热点之一，甚至被认为有机会成为最主要的储能装置。 事实上，超级电容器在生活中的应用已经很广泛了，比如太阳能发电、风力发电，都用它作为辅助设备，家电回收上也用到了超级电容器。 超级电容器的工作原理只是表面的吸附，所以它反应非常快，充电时间特别短，所以我们希望保持超级电容器充电时间短，又希望能够提高它的能量密度。现在超级电容器用的材料是活性炭，因为中间有很多微孔，它的能量密度并不大，没有起到作用，性能也不好。 我们做石墨烯超级电容器就是希望能够实现高速充电，大容量和大输出。我们主要通过石墨烯加纳米碳管做成一个三维纳米的构造，希望能够做成一个新型、大容量的材料。将来用在电动车上。 纳米碳管是一个被看好的材料，因为它导电性好，强度又高。日本政府花了几十亿元日元用于纳米碳管超级电容器的研究，最后发现纳米碳管可以提高性能，可以耐高压，但是比容量没有得到提高。因为纳米碳管的性能好，纳米碳管超级电容器的成本是现有的活性炭的一百倍，所以几乎是没有汽车的厂家愿意使用。 在这样的情况下，我们希望找到一个能提到超级电容器容量的材料，选择石墨烯这种材料是因为其具有最大的比表面积，又有很好的导电性，这样我们通过它的比表面积可以提高容量密度，又因为它有很好的导电性，又可以实现大的功率密度，达到了提高容量与缩短充电时间双重目的。 根据储电规模不同，石墨烯超级电容器的目标和市场包括手机、便携式计算机、汽车等领域。要将石墨烯超级电容器用在汽车领域未来还有很长的路走。 据了解，新材料在线®日本新材料考察之旅的目的是带领国内业界精英深入了解日本最先进、最前沿和最全面的新材料发展动向与科技成果；了解日本知名企业先进管理水平及技术，开拓视野，提升企业管理思维和能力；与日本知名高校材料研究所的教授交流探讨新材料技术及应用；通过本次标杆学习之旅，寻找到自身企业管理运营升级及技术创新的解决方案。 本次活动为新材料私董会系列活动之一。新材料私董会聚焦新材料行业的企业家学习、交流与社交，汇集新材料行业的企业家、投资机构合伙人、券商高管、行业资深专家等群体智慧，解决新材料企业经营管理中遇到的难题。打造高端圈层俱乐部。
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