一、引言

2010年，諾貝爾物理學被兩位英國物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖諾夫奪得，他們因制備出了石墨烯而獲此殊遇。而石墨烯的成功制備，引起了學界的巨大轟動，也引發了一場石墨烯制備、理論研究、應用開發的浪潮。

石墨烯

石墨烯（Graphene），又稱單層石墨，是一種由碳原子以sp ²混成軌域組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯是目前世界上公認的最薄也是最堅硬的納米級材料，幾乎透明，導熱系數高，高于納米碳管和金剛石，室溫下，石墨烯的電子傳遞速度比任何已知導體都快，而電阻率比銅或銀更低。由于以上突出的特性，石墨烯被認為是未來電氣電子航空航天領域的新一代突破性材料。

在現代通信領域，我們通常會面臨以下難題：電子設備體積龐大，重量重，能耗高，運行速度慢，發熱量高，抗干擾能力差，這些問題都是電子工業與生俱來的難題，人們一直致力于追求更小，更輕，更快，經過幾代人的努力也取得了不小的成果，從最初的埃尼阿克到現在的IPAD，從最初的電子管到現在的單晶硅，可以說，電子工業的發展的依托之一就是材料科學。而到現在，硅系材料已經在電子產業的舞臺上手舞足蹈了好幾十年，隨著電子科學的發展以及人們需求的不斷提升，硅系材料的缺點也不斷涌現出來，電子傳導慢，發熱量大，體積大，直接制約著現代電子領域的發展。在人們為硅的缺點唏噓不已焦頭爛額的時候，石墨烯出現在了世人面前。

二、石墨烯在通信電子設備中的應用

由于石墨烯中電子的低能行為與相對論的中微子非常相似，這使得它能以極快的速度幾乎毫無阻力的通過前進道路上所遇到的障礙，因此，石墨烯晶體管傳輸速度遠超目前的硅晶體管，如果將石墨烯制備的晶體管用于通信處理設備，調制、解調設備的處理速度及性能將會得到飛躍性提升，而其極佳的低電阻和導熱性能，又能極大地能源消耗，甚至為降低設備的損耗做出巨大貢獻（電子設備的損耗很大一個原因是其長期處于高溫而造成的元件氧化）。另外，石墨烯至輕至薄的特性，將會使通信電子設備(處理設備，傳輸設備，終端)的體積成倍變小，重量成倍變輕，而性能成倍提升。特別是現在的通信衛星，如果能用石墨烯材料替代大部分材料制造內部元件及外殼，性能提升暫且不說，超輕超薄的特性將會使衛星發射成本成倍降低，到時候只需一支火箭，就能將十位數的衛星送上太空，衛星通訊將會因此得到跨越式發展。

射頻石墨烯晶體管，頻率高達100GHz，將大大提高通信信號處理效率

三、石墨烯在通信有線傳輸領域的應用

早在2002年，垂直于基底表面的石墨烯納米墻就被制備出來，他被看作是非常優良的場致發射電子源材料，這開啟了石墨烯在場發射源及其真空電子器件領域的應用研究大門。更重要的是，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因為晶格缺陷或引入外來原子而發生散射，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯內部收到的干擾也非常小。也就是說，如果我們將傳統的信號傳輸銅纜替換為石墨烯，不僅傳輸線纜的重量降低，強度增大，信道降噪抗干擾能力也會得到極大地提升！這絕對是一個讓人振奮的發現。不僅如此，大家都知道光纖傳輸能力強，速度快，效率也高，但是數據傳輸過程中，電—光—電，光與電的相互轉換依舊是個難點。如果我們能將石墨烯代替光纖應用于遠程有線信息傳輸，實現電—電的直接傳輸，不僅傳輸速度和質量不會降低，還能回避在光電傳輸領域中不必要的難題，更免去了一大堆光電轉換設備及研究、制造經費。

四、石墨烯在通信傳感領域的應用

傳感，就是將目標能量，如化學能機械能作為信息收集起來，處理轉換成另一種能被人類直接感知、便于監控、分析的能量，如電能。因此，傳感與通信相輔相成，密不可分。科學家們在研究時發現，當一個氧原子吸附于石墨烯表面時，吸附位置會產生電阻的局域變化。因為石墨烯具有高導電率和低雜訊的優良品質，能夠精確地偵測這微小的電阻變化，這就決定了它是一種極其精密的傳感材料，如果能將石墨烯應用于傳感領域，傳感器將擺脫各種復雜的化合物的束縛，變得更輕、更硬、更小、更精確，解決通信傳感領域的一系列問題。

石墨烯半導體量子點，能夠實現單分子傳感

五、結束語

據最新消息，美國賓夕法尼亞大學已經制成100mm的純石墨烯晶圓。研究人員將會在近日制造出一種石墨烯放大器，它不僅可以降低無線通信電路的復雜性，還可以提高通信電路的速度，這種放大器將會被用于藍牙和射頻識別技術（RFID）。IBM研究人員成功獲得頻率高達100GHz的石墨烯晶體管，創造了一個世界級的高頻記錄（此前最高紀錄只有40GHz），這種石墨烯晶體管的柵極寬度目前為240納米，因此還有充分的改進空間，性能也將會有大幅提升，而且與傳統硅系材料具有良好的兼容性。這一突破充分體現出石墨烯在高性能器件和集成電路制造領域的廣闊前景。頻率的大小決定了設備處理傳輸信息的性能的高低，因此，高效率的信息傳輸絕對離不開超高頻的元器件。而石墨烯，使這種超高頻元器件的制造成為了現實，也為今后的通信工程的跨越式發展鋪平了道路。

100mm石墨烯晶圓

石墨烯，讓通信人看到了一個嶄新的未來。

作者：羅興宇（20102837）