? ?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，以其獨特結構蘊含豐富的新物理、新化學特性和新奇效應，成為兼有優良的力學、熱學、光學和電學特性于一體的神奇材料，可用于傳感、生物、能源、信息、環保、顯示觸控、復合/導熱/導電/防腐材料等領域。

　　我國目前在石墨烯粉體材料生產、超級電容器、鋰離子電池、導電油墨、防腐涂料、散熱、透明電極等領域的研究和投入較多。但對于石墨烯在高端信息領域，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域的研究和投入較少。而歐美國家則更關注石墨烯在高端信息領域的研發。事實上，石墨烯憑借超高的載流子遷移率、寬波段的光電響應特性，十分適合研制高性能射頻器件和光電子器件，在信息領域大有作為。

　　石墨烯光調制器

　　石墨烯的費米能級可以通過外電場調節，不同的費米能級對應不同的石墨烯/光耦合強度，從而實現可調吸收系數。基于石墨烯可調的光吸收特性，加州大學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現了對空間入射光的反射系數的調制，反射特性與石墨烯材料的能帶結構關系密切，對費米能級的調節導致了反射系數的變化。

　　除了空間入射光調制外，將石墨烯轉移到硅光波導表面可以實現波導型調制。硅光波導具有兩個作用，一是實現對石墨烯費米能級的調節，二是傳導光信號。利用硅波導結構能夠增強光信號與石墨烯的相互作用，從而增強對光信號的調制作用，實現了0.1dB/μm的消光，是世界上最小的寬帶電光調制器。我們另辟蹊徑，利用石墨烯的良好熱學特性和硅微環的熱敏特性，研制了首個石墨烯熱光調制器，實現了最快的熱光調制。

　　石墨烯激光器

　　石墨烯具有飽和吸收特性：當光功率較弱時，石墨烯狄拉克點附近的能帶未被填滿，石墨烯的光吸收率保持不變；當光功率很強時，石墨烯狄拉克點附近的能帶被填滿，由于泡利阻塞效應，石墨烯不能繼續吸收光子而實現飽和吸收。利用石墨烯的飽和吸收特性，新加坡國立大學的鮑橋梁等人借助光纖系統實現的世界上第一只基于石墨烯的鎖模激光器，獲得了脈寬756fs、重復頻率1.79MHz的脈沖激光輸出。中國科學院半導體研究所王圩院士團隊利用石墨烯光柵實現對III-V族激光器的選模，成功研制出高溫度穩定性的單模激光器。該激光器首次實現了石墨烯、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勢。金屬-石墨烯-金屬結構是以石墨烯為有源區材料的光電探測器的最基本的結構，在石墨烯材料兩端布置兩個金屬電極，實現光電流信號的輸出。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的電學帶寬；受益于石墨烯的可調光響應特性，石墨烯光探測器的光電響應高效可調；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。

　　由于石墨烯光探測器具有如此多的優良特性，是最可能實現產業化應用的方向之一。在實驗室，人們已經在六寸晶圓上實現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，能夠將低頻信號的頻率成倍提高，廣泛應用于現代通信和雷達等多個領域。傳統的倍頻器一般基于非線性電子器件，例如場效應晶體管或者整流結。受限于傳統體材料電子器件較弱的非線性特性，傳統倍頻器的頻譜純度很低，需要復雜的濾波系統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密度，具有電可調諧雙極性傳輸特性，可實現具有很強非線性特性的GFET。利用GFET能實現高純度且結構簡單的新型三倍頻器，同時可實現高性能的倍增因子可調的倍頻器。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%），同時采用雙柵結構首次研制了倍頻因子可調的倍頻器，可實現兩倍頻、三倍頻、四倍頻。理論上，通過合理設計器件結構，可以實現任意倍頻系數的倍頻器。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用于高頻電子領域。

　　石墨烯光電混頻器

　　石墨烯特殊的能帶結構決定其對光獨特的響應特性。一方面，GFET作為一種場效應器件，其電學特性受柵源漏電壓調控；另一方面，由于石墨烯缺少帶隙，GFET呈現出源漏電流弱飽和特性。將以上特性結合，讓GFET作為光探測的同時，利用其非線性實現混頻，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，可實現“光域”信號和“電域”信號的直接混頻。2016年，法國Thales集團和法國國家科學研究中心（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。日本東京大學和NTT公司的研究人員于2016年也發表了類似的GFET光電混頻器，實現了120GHz的光電混頻。

　　石墨烯光電混頻器可用于光載射頻系統（RoF）中。傳統的RoF光載射頻信號需先經過光電探測器轉換為射頻電信號，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，即可以同時實現光探測和解調功能。如果石墨烯光電混頻器的增益足夠高，還可以同時兼有放大的功能。也就是說，通過石墨烯光電混頻器一個器件，可以替代傳統RoF系統中的探測器、放大器、混頻器，從而簡化系統。

　　石墨烯雙光混頻器

　　利用石墨烯非線性特性除了可以實現上述光電混頻器外，還可以實現雙光混頻器，即可以實現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、低延時通信的需求日益強烈。光通信網絡因其大容量、高速率、低損耗、高可靠度和低成本的優勢，在遠距通信以及核心網組建中取代傳統的電網絡是大勢所趨。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實現光信號的探測和混頻，借助一個器件能夠完成傳統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的復雜度，大幅度降低信號延時。新材料石墨烯具有超高載流子遷移率和超快寬光譜響應特性，是最合適的光探測器有源區材料，基于石墨烯的高性能光探測器已經取得重要進展。我們利用石墨烯光探測器的非線性光響應實現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，具有巨大潛力應用到全光通信網絡和ROF通信網絡中。

　　石墨烯晶體管

　　在石墨烯被發現的2004年，人們就利用石墨烯研制石墨烯場效應晶體管（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。其電導率呈現明顯U型（或稱為V型）特性，因此可看做柵壓控制的可變電阻，其輸出阻抗和跨導都很小，性能較差。

　　石墨烯場效應管可以分為背柵和頂柵兩種。背柵結構GFET一般采用重摻的硅作為背柵電極，在硅上生長二氧化硅作為柵氧化層，在其上轉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。頂柵結構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比較優秀的工藝方法主要有：自對準工藝和T型柵工藝。將這兩種方法結合的T柵自對準工藝GFET，特征頻率（fT）和最大諧振頻率（fmax）已分別達到400GHz和100GHz。

　　石墨烯集成電路

　　在單個石墨烯晶體管基礎上，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現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，可以實現混頻的功能，但是芯片性能不佳，在200MHz和7.8GHz的頻率下的損耗高達27dB和52dB。

　　隨后IBM對集成方案和工藝進行了改進，在硅襯底上采用先淀積金屬互連層和電介質層，最后轉移石墨烯的方法實現了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，可以實現射頻接收功能，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，可以實現多個有源器件和無源器件的集成，成功實現了下變頻接收功能。

　　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量有限，且性能欠佳。基于石墨烯晶體管的集成電路短期內還很難與硅晶體管集成電路抗衡，難以實現實用化的大規模集成。與石墨烯電子器件相反，石墨烯光電子器件的零帶隙結構決定了它在寬波段范圍內具有良好的光電響應特性，可覆蓋可見光到中遠紅外波段，在太赫茲波段也具有良好的光電響應特性。且石墨烯的光電特性可被外電場調制，可實現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用。

　　由此可見，石墨烯和硅各自在光電子和微電子領域有明顯的優勢，將二者結合可充分發揮石墨烯在寬波段光電響應的優勢和硅在電信號放大和處理方面的優勢，實現寬波段、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合了石墨烯優良的光學特性和硅基集成電路絕佳的電學特性，是突破后摩爾時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，實現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現，光電流放大功能由硅基CMOS集成電路來實現，充分發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勢。在單個石墨烯探測器基礎上，將多個石墨烯探測器陣列和硅基CMOS電路集成即可實現成像的功能。由于石墨烯在紅外波段具有良好的光電響應特性，因此可實現紅外成像的功能。

　　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InGaAs紅外成像芯片需要復雜的液氮制冷，具有低成本、高集成度、高成品率的優勢，在紅外成像領域具有廣闊市場前景。

　　總結與展望

　　石墨烯憑借超高的載流子遷移率、費米能級高效可調、寬波段的光電響應特性，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現超高速射頻器件；費米能級高效可調使其具備豐富的非線性特性，可以實現頻率變換的射頻器件；寬波段的光電響應特性使其可以實現寬光譜響應的光電器件，突破了傳統半導體光電子器件只能響應特定波長的限制。基于石墨烯的射頻器件和光電子器件彌補了硅在該領域的不足，展示了與傳統半導體材料不同的優良特性，真正發揮了石墨烯卓越的材料特性，可用于射頻、太赫茲、光通信、紅外成像等領域，是石墨烯潛在的“殺手锏”應用領域。