介紹的兩種未來(lái)的電子器件就是“憶阻器和石墨烯”。近年來(lái)隨著各國(guó)電子界對(duì)兩者研究的深入，樣品的出現(xiàn)，證實(shí)了理論的可行，引起了業(yè)內(nèi)高度的重視。對(duì)于它們的功能和未來(lái)的作用預(yù)測(cè)頗多。有的認(rèn)為猶如晶體管替代電子管那樣將會(huì)出現(xiàn)一場(chǎng)“革命”。如今，國(guó)內(nèi)很多學(xué)術(shù)及研究單位都已投入研究開(kāi)發(fā)。本文僅根據(jù)收集到的一些資料對(duì)它們的原理和未來(lái)做一些介紹。

一、憶阻器(Memristor)

1，原理和現(xiàn)狀

憶阻器是一種通過(guò)控制電流的變化可改變其阻值，有記憶功能的非線(xiàn)性電阻。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的華人科學(xué)家蔡少棠于1971年，從理論上預(yù)言存在除電阻器、電容器和電感器外的第四種基本電路元件——憶阻器。

他當(dāng)時(shí)發(fā)表的論文《憶阻器：下落不明的電路元件》提供了憶阻器的原始理論架構(gòu)，推測(cè)憶阻器有天然的記憶能力，即使電力中斷亦然。簡(jiǎn)單說(shuō)，憶阻器是一種有記憶功能的非線(xiàn)性電阻。通過(guò)控制電流的變化可改變其阻值，如果把高阻值定義為“1”，低阻值定義為“0”，則這種電阻就可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能。

蔡教授原先的想法是：憶阻器的電阻取決于多少電荷經(jīng)過(guò)了這個(gè)器件。也就是說(shuō)，讓電荷以一個(gè)方向流過(guò)，電阻會(huì)增加；如果讓電荷反向流動(dòng)，電阻就會(huì)減小。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這種器件在任一時(shí)刻的電阻值是時(shí)間的函數(shù)，能記住多少電荷向前或向后經(jīng)過(guò)了它。實(shí)質(zhì)上，就是它的電阻會(huì)隨著通過(guò)的電流量而改變，而且一旦電流停止，它的電阻仍然會(huì)停留在之前的值，直到接受到反向的電流它才會(huì)被推回去。

這一簡(jiǎn)單想法如果被證實(shí)，將對(duì)計(jì)算及計(jì)算機(jī)科學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

2008年美國(guó)惠普公司實(shí)驗(yàn)室研究人員在英國(guó)《自然》雜志上發(fā)表論文宣稱(chēng)，他們已經(jīng)證實(shí)了電路世界中的第四種基本元件——記憶電阻器，簡(jiǎn)稱(chēng)憶阻器的存在，并成功設(shè)計(jì)并制造出一個(gè)能工作的憶阻器實(shí)物模型。他們像制作三明治一樣，將一層納米級(jí)的二氧化鈦半導(dǎo)體薄膜夾在由鉑制成的兩個(gè)金屬薄片之間。憶阻器的組成部分只有5納米大小，也就是說(shuō)，僅相當(dāng)于人一根頭發(fā)絲的萬(wàn)分之一。

華裔科學(xué)家37年前理論預(yù)測(cè)成真。

此后學(xué)術(shù)界提出了“憶阻器有可能代替晶體管”這種說(shuō)法。但更多的還是研究它的自動(dòng)記憶能力和狀態(tài)轉(zhuǎn)換特性、人工智能和模擬存儲(chǔ)。

科學(xué)家指出，只有在納米尺度上，憶阻器的工作狀態(tài)才可以被察覺(jué)到。他們希望這種新元件能夠給計(jì)算機(jī)的制造和運(yùn)行方式帶來(lái)革命性變革。科學(xué)家說(shuō)，用憶阻電路制造出的計(jì)算機(jī)將能“記憶”先前處理的事情，并在斷電后“凍結(jié)”這種“記憶”。這將使計(jì)算機(jī)可以反復(fù)立即開(kāi)關(guān)，因?yàn)樗薪M件都不必經(jīng)過(guò)“導(dǎo)入”過(guò)程就能即刻回復(fù)到最近的結(jié)束狀態(tài)。讓科學(xué)家能夠用一種不同于編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序的方式來(lái)模擬大腦，或模擬大腦的某種功能，構(gòu)造出基于憶阻器的仿生類(lèi)大腦功能的硬件。這樣的計(jì)算機(jī)可以做許多數(shù)字式計(jì)算機(jī)不太擅長(zhǎng)的事情，例如圖形識(shí)別，甚至是學(xué)習(xí)。比如，這樣的硬件用于臉部識(shí)別技術(shù)，可以比數(shù)字式計(jì)算機(jī)上運(yùn)行程序快幾千到幾百萬(wàn)倍。

研究人員預(yù)測(cè)，這種技術(shù)產(chǎn)品5年后才可能投入商業(yè)應(yīng)用。
2，憶阻器在中國(guó)

國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界在正式場(chǎng)合引介憶阻器大約在2010年。在該年的中國(guó)電子學(xué)會(huì)第16屆電子元件學(xué)術(shù)年會(huì)上，清華大學(xué)材料系教授周濟(jì)介紹了憶阻器。

目前國(guó)內(nèi)研究仍處于“自由探索”階段，不僅力量分散，而且主要集中于理論層面和計(jì)算機(jī)仿真。受研究條件所限，真正物理實(shí)現(xiàn)尚不多見(jiàn)。據(jù)了解，華中科技大學(xué)歷經(jīng)四年研究，已經(jīng)能夠制備出納米級(jí)性能穩(wěn)定的憶阻器原型器件。近期，由該校牽頭，聯(lián)合清華、北大、國(guó)防科大、中科院微電子所等單位已在聯(lián)合申報(bào)一個(gè)“973”計(jì)劃項(xiàng)目，一旦獲批，將拉開(kāi)我國(guó)憶阻器研發(fā)“協(xié)同作戰(zhàn)”的序幕。

二、石墨烯(Graphene)

1，原理和現(xiàn)狀

說(shuō)石墨烯是電子器件還不如說(shuō)是電子材料更為確切。

石墨烯是由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。是一種由碳原子組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地在實(shí)驗(yàn)室從石墨中分離出石墨烯而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。并且石墨烯在自然界也有產(chǎn)出，2014年在中國(guó)由一顆碳質(zhì)球粒隕石中，發(fā)現(xiàn)了碳晶體納米石墨烯。中國(guó)發(fā)現(xiàn)的這顆碳原子“石墨烯”使人們得以看見(jiàn)石墨烯的成長(zhǎng)基理，意義重大。

人們發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有非比尋常的優(yōu)良特性。它是人類(lèi)已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，比鉆石還堅(jiān)硬，比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍，根據(jù)石墨烯強(qiáng)度超大，超薄的特性，石墨烯可被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，比如超薄超輕型飛機(jī)材料，超輕防彈衣等；它導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石；石墨烯具有非同尋常的導(dǎo)電性能、其電阻率極低，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料，耗能低；石墨烯具有極好的透光性，幾乎是完全透明，它又是良好的導(dǎo)體，也適合用來(lái)制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽(yáng)能電池。

在電子領(lǐng)域石墨烯有其更廣闊的天地。

石墨烯是零帶隙半導(dǎo)體，具備獨(dú)特的載流子特性和優(yōu)異的電學(xué)質(zhì)量。石墨烯有可能會(huì)成為硅的替代品。由于它的電子遷移的速度極快，因此被期待可用來(lái)發(fā)展更薄、更小、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管，例如制造超微型晶體管。室溫下石墨烯具有10倍于商用硅片的高載流子遷移率，并且受溫度和摻雜效應(yīng)的影響很小，較大的費(fèi)米速度和低接觸電阻則有助于進(jìn)一步減小器件開(kāi)關(guān)時(shí)間。超高頻率的操作響應(yīng)特性好是石墨烯基電子器件的顯著優(yōu)勢(shì)。此外，石墨烯減小到納米尺度同樣保持很好的穩(wěn)定性和電學(xué)性能，使探索單電子器件成為可能。
又如用石墨烯電子器件生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)可以獲得更高的速度。石墨烯由于其導(dǎo)電性能好、損耗小特性，尤其適合于高頻電路。這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。

2010年，清華大學(xué)首次將石墨烯覆蓋在傳統(tǒng)的單晶硅材料上，研究發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能。光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到10%以上。

2012年物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的科研人員設(shè)計(jì)出一種新型石墨烯晶體管，在其中電子可借助隧穿和熱離子效應(yīng)，同時(shí)從上方和下方穿越障礙，并在室溫下展現(xiàn)出高達(dá)106的開(kāi)關(guān)頻率。

2011年6月，IBM的研究人員宣布，他們已經(jīng)成功地創(chuàng)造了第一個(gè)石墨烯為基礎(chǔ)的集成電路——寬帶無(wú)線(xiàn)混頻器。電路處理頻率高達(dá)10 GHz，溫度高達(dá)127攝氏度時(shí)其性能不變。

石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾，有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命。

2，石墨烯在中國(guó)

中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院(簡(jiǎn)稱(chēng)中科院重慶研究院)已經(jīng)成功制備出國(guó)內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯并成功將其完整地轉(zhuǎn)移到柔性PET襯底上和其他基底表面， 并且通過(guò)進(jìn)一步應(yīng)用，還制備出了7英寸的石墨烯觸摸屏。這樣的大尺寸，達(dá)到了國(guó)內(nèi)最高水平，它或?qū)槲覀兊氖謾C(jī)、電腦等電子產(chǎn)品帶來(lái)一場(chǎng)革命。

2013年3月，浙江大學(xué)高分子系高超教授的課題組制備出了一種超輕氣凝膠——碳海綿：碳納米管和石墨烯共同支撐起無(wú)數(shù)個(gè)孔隙的三維多孔材料。它刷新了世界上最輕材料的紀(jì)錄，每立方厘米0.16毫克，僅是空氣密度的1/6。“碳海綿”具備超高的吸油能力。吸收量是自身質(zhì)量250倍左右，最高可達(dá)900倍。

2013年4月，貴州新碳高科有限責(zé)任公司宣布研制成功出中國(guó)首個(gè)純石墨烯粉末產(chǎn)品——柔性石墨烯散熱薄膜。其散熱效果比常用的散熱材料銅要高2-4倍，而且具有良好的可加工性能。

金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)并制備出可快速充放電的柔性鋰離子電池?？稍?分鐘內(nèi)完成充電(達(dá)到初始容量的90%)，在100次循環(huán)之后容量保持率在96%。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授吳恒安、博士王奉超與諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆教授課題組在石墨烯材料方面合作研究，最新發(fā)現(xiàn)表明，，氧化石墨烯薄膜具有“快速精密篩選離子”的性能，有望實(shí)現(xiàn)海水的迅速淡化與凈化。
中國(guó)石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)正式發(fā)布中國(guó)石墨烯第1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)《石墨烯材料的名詞術(shù)語(yǔ)與定義》，并于2014年1月1日起實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)的主要起草單位為中科院金屬所、東南大學(xué)、泰州石墨烯研究及檢測(cè)平臺(tái)、泰州巨納新能源有限公司及中科院半導(dǎo)體所。

中國(guó)已然成為全球石墨烯的出版物和專(zhuān)利的領(lǐng)先者，其碳納米管制造可能占到了全球的50%。中國(guó)已經(jīng)在碳納米管和石墨烯的研究和制造中處于全球領(lǐng)先地位。

三、展望

科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展總是循著一條由低級(jí)到高級(jí)、由簡(jiǎn)單到精密、由新事物代替舊事物的規(guī)律。近百年電子技術(shù)的發(fā)展證實(shí)了這條規(guī)律。研究者預(yù)言，新電子器件憶阻器和石墨烯的出現(xiàn)很有可能替代半導(dǎo)體器件，只是現(xiàn)在斷言為時(shí)過(guò)早，因?yàn)檠芯窟€在進(jìn)行中。電力電子發(fā)展也是如此：從磁放大器到引燃管，后又進(jìn)入硅整流、可控硅時(shí)代，如今又出現(xiàn)IGBT/IGCT的繁榮。此時(shí)，寬禁帶大功率器件正進(jìn)入研發(fā)的高潮，來(lái)勢(shì)洶涌。新來(lái)者的優(yōu)點(diǎn)明顯優(yōu)于老產(chǎn)品，但有一條，老產(chǎn)品還有它的市場(chǎng)，新來(lái)者不可能全替代，這也是“規(guī)律”。舉例來(lái)說(shuō)，磁放大器和引燃管至今還有它的用武之地。

憶阻器和石墨烯也離不開(kāi)這條規(guī)律。華中科技大學(xué)微電子學(xué)系教授、長(zhǎng)江學(xué)者繆向水表示，憶阻器的確具有給微電子領(lǐng)域帶來(lái)強(qiáng)大變革的能力，但要徹底取代晶體管，目前看來(lái)還不太現(xiàn)實(shí)。“還不太現(xiàn)實(shí)”的一個(gè)重要原因，在于憶阻器的實(shí)際應(yīng)用還有許多技術(shù)問(wèn)題有待研究。

越來(lái)越多科學(xué)家認(rèn)為，最遲至2020年，石墨烯被認(rèn)為是替代硅最有前途的材料，但究竟哪種元器件堪當(dāng)此大任，科學(xué)家仍在尋找。

要知道人們對(duì)新事物總是抱有極大的熱情，但新事物不是一個(gè)晚上就能成熟。新事物出現(xiàn)的初期，總是存在不少問(wèn)題和不足。例如，目前石墨烯還僅停留于實(shí)驗(yàn)室階段，而用石墨烯制造的傳感器，也表現(xiàn)出了照片響應(yīng)差、噪音多等問(wèn)題。因此諾基亞或許將在最近幾年不斷提升和研發(fā)這種石墨烯光電傳感器的性能。

新事物的出現(xiàn)到成熟是需要人們不斷努力才能得到的。需要各方面的幫助和支持。我們相信我國(guó)的憶阻器和石墨烯的開(kāi)發(fā)在不遠(yuǎn)的將來(lái)定會(huì)取得成功。