Графен – это монослой атомов углерода, в котором каждый атом связан с тремя соседними, образуя сотовую структуру. Международный союз теоретической и прикладной химии, International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), определяет графен как единичный слой углеродных атомов графитоподобной структуры. 

Многие специалисты из разных стран видят перспективы графена в электронике. В частности, терагерцовые полевые транзисторы (TeraFET) на основе графена и углеродных нанотрубок уже хорошо показали себя как чувствительные, быстрые и малошумящие детекторы терагерцового диапазона. Собственно, о графене мы сегодня и поговорим. 

Перспективы

В августе 2025 г. компания Market Research Future опубликовала исследование рынка графена по сферам применения (электроника, накопители энергии, композитные материалы, покрытия, биомедицина), отраслям конечного использования (потребительская электроника, автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, здравоохранение, строительство), формам (порошок, суспензия, пленка, дисперсии). Согласно анализу MRFR, мировой рынок графена ожидает значительный рост, обусловленный увеличением спроса на лёгкие и высокоэффективные материалы в различных отраслях. В 2023 г. объём рынка оценивался в 1,14 млрд долларов, а к 2035 году прогнозируется его рост до 5,0 млрд, что соответствует среднегодовому темпу роста в 13,1% в период с 2025 по 2035 год. Основные области применения включают электронику, накопители энергии, композитные материалы, покрытия и биомедицину.

Патентный аспект

Google.patents в сентябре 2025 года выдал более 100 000 патентов по теме Graphene for electronics. В системе международной патентной классификации лидировали следующие темы:

• неметаллические элементы; их соединения C01B — 33,6%;

• использование наноструктур B82Y — 32,5%;

• сокращение выбросов парниковых газов Y02E — 27%;

• полупроводниковые приборы H01L — 16,2%;

• способы и устройства, например батареи, для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую H01M — 15,4%;

• разное оборудование Y10T — 11,4%;

• кабели; проводники; изоляторы H01B — 9,3%;

• органические электрические твердотельные устройства H10K — 8,8%.

Проведём специальные 2 исследования, ближе к нашему делу: полупроводниковые приборы и органические электрические твердотельные устройства.

Во-первых, поиск для полупроводниковых приборов по (Graphene for electronics) (H01L) выдал 9280 патента в мире. Лидерами по числу патентов в этой теме являются следующие патентообладатели:

• Samsung Electronics Co., Ltd. — 6,7%;

• Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. — 4,9%;

• International Business Machines Corporation — 1,3%.

Тут никаких сюрпризов нет. Всем известные име на.
Динамика по годам представлена на рис. 1.

Рисунок 1: Динамика мирового патентования изобретений на тему полупроводниковых приборов по (Graphene for electronics) (H01L) в 1992-2025 гг.

Видно, что патентование резко скакнуло после открытия графена в 2004 году и затем в 2010-2025 гг. держалось на высоком уровне.

Динамика патентов (их всего 49348) на тему органические электрические твердотельные устройства (Graphene for electronics) (H10K) по годам представлена на рис. 2.

Рисунок 2: Динамика мирового патентования изобретений на тему органические электрические твердотельные устройства (Graphene for electronics) (H10K) в 1992-2025 гг.

Видно, что пик патентования изобретений пришёлся на 2016-2019 годы, а потом устойчиво пошёл на спад. Лидеры почти те же, но много китайских организаций:

• Tcl — 3,3%;

• Samsung Electronics Co., Ltd. — 2,5%;

• SEL — 2,1%;

• Nankai University — 1,5%;

• Postech — 1,3%;

• BOE Technology Group — 1,2%;

• Peking University — 1,2%;

• International Business Machines Corporation — 1,1%.

Примеры графеновых патентов:

• US12059251B2 Graphene-based nanosensor for identifying target analytes;

• US10283674B2 Graphene-based solid state devices capable of emitting electromagnetic radiation and improvements thereof.

Патенты РФ

В базе ФИПС по рефератам на термин «Графен электроника», «Графен H10K», «Графен H01L» выявлено 15 действующих патентов (табл. 1). Из них 14 принадлежит резидентам, один — комп ании из США.

Таблица 1. Действующие патенты на графеновые изобретения РФ в области электроники

Примечание: 2025 г. за первые 8 мес.

Источник: автор на основе данных базы ФИПС

Имеется 54 патента РФ на полезные модели с графеном, но по нашей теме 6 ед., из которых 3 действующих, и все три принадлежат МИФИ:

• №188920 (2019) Устройство для сбора солнечного излучения и генерации носителей заряда для прозрачных солнечных батарей; 

• №194493 (2019) Устройство для сбора солнечного излучения в широком диапазоне длин волн для солнечных батарей;

• 209 840 (2022) Устройство для сбора солнечного излучения. 

В РФ не зарегистрировано ни одной топологии интегральных схем с графеном.

Баз данных по графену зарегистрировано 7 ед., из которых 2 имеют отношение к электронике:

• №2024621486 Вольтамперометрическое распознавание и определение энантиомеров напроксена с помощью сенсора на основе оксида графена и модифицированного хитозана;

• №2024626354 Вольтамперометрическое определение линкомицина с помощью сенсора, модифицированного восстановленным оксидом графена и молекулярно импринтированным полиариленфталидом.

Владелец обеих — Уфимский университет науки и технологий.

Программ для ЭВМ по графену зарегистрировано в РФ начиная с 2013 года 34 ед. К электронике прямое или косвенное отношение имеют, например, следующие:

• №2013617718 Расчёты полевого транзистора на основе графена. Физико-технологический институт РАН. Программа рассчитывает статические вольтамперные характеристики полевых нанотранзисторов на основе однослойного графена с длиной канала меньшей 10 мкм, длиной затвора меньше 5 мкм. Напряжение на стоке может варьироваться в пределах от 0 до 1.5 В, напряжение на затворе от -1.5В до 1.5В. Расчет базируется на самосоглосованном решении уравнений квантовой гидродинамики для электрон-дырочной плазмы в графене и уравнения Пуассона.

• №2016613332 S-RimplyGraphen-1.0 Программа для расчета энергии воздействия сморщенного графена. Томский государственный университет. Программа позволяет исследовать графен различной формы - плоский, сморщенный линейчатый и сморщенный шахматный.

• №2024689635 Программное обеспечение для демонстрации работы мультисенсорного чипа на основе производных графена. Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН. Программа обеспечивает передачу данных с платы управления мультисенсорным чипом на ПК и передачу управляющих команд с ПК на плату управления. Программа предоставляет графический пользовательский интерфейс, позволяющий устанавливать температуру чипа и отображающий результаты измерений температуры и электрических сопротивлений каналов мультисенсорного чипа.

НИОКТР

В ГИС «Наука» числится по запросу «Графен в электронике» 236 документа, в основном отчёты по НИР, диссертации, объекты интеллектуальной деятельности. 

Так, НИР «Биоинтегрированная электроника на основе углеродных нанотрубок и графена» выполнен в 2024 г. за 34 млн руб. в. МИЭТ совместно с ФГБНУ «Научно-производственный комплекс «Технологический центр» и ФГБУН Институт нанотехнологий микроэлектроники РАН. Биомедицинские исследования проведены в сотрудничестве с ФГАОУ ВО Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский Университет) и ФГБУ «Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии имени почетного академика Н.Ф. Гамалеи».

Нас привлекли начатые работы, поскольку они потенциально способны дать новые патенты.

Так, например, исследование и разработка технологических подходов и моделей процессов синтеза наноразмерных углеродных материалов и изучение свойств получаемых на их основе структур для нано- и микроэлектроники за 170 млн руб. от Минобрнауки осуществляет в 2025-2027 гг. ИНМЭ РАН. Данные наноматериалы могут применяться для создания новых высокоэффективных активных и пассивных элементов кремний-углеродной электроники: холодные эмитирующие катоды на базе нанотрубок и наностенок, композитные материалы с углеродными нанотрубками, полевые транзисторы с функциональными слоями из углеродных нанотрубок, приемники излучения широкого диапазона частот, элементы памяти и др. Будут проведены теоретические исследования технологий создания указанных материалов и разработаны модели ключевых технологических процессов. 

Транзисторы с высокой крутизной переключения для высокочувствительного детектирования терагерцового излучения за грант 14 млн руб. от РНФ разрабатывает в 2025-2026 гг. МФТИ. Проект нацелен на создание детекторов терагерцового излучения на основе двумерных систем, выращиваемых промышленно-масштабируемыми способами. В качестве таких систем будет исследован двухслойный графен, выращенный методом химического осаждения из газовой фазы, и квантовые ямы теллурида ртути. Принцип детектирования, состоящий в выпрямлении ТГц излучения на туннельном p-n-переходе с высокой выпрямляющей способностью, был выявлен и экспериментально апробирован в проекте-2021 на примере инкапсулированного графена. Однако данный материал не удовлетворял требованию промышленной масштабируемости, и мог быть использован лишь для лабораторных демонстраций физического принципа.

Перенос подтвержденного принципа детектирования на промышленно-масштабируемые материалы является необходимым для практической реализации высокочувствительных суб-ТГц приемников.

В случае достижения конкурентных характеристик детектирующих устройств по результатам проекта планируется выполнение опытноконструкторских работ с ведущими российскими производителями терагерцового и тепловизионного оборудования — ОКБ «Астрон» и АО «Сканда Рус».

Заключение

Графеновая электроника в РФ развивается в условиях высокого внимания со стороны правительства. В Разработках заняты серьёзные научно-технические силы из Курчатовского Института, ведущих институтов Российской академии наук (ФТИ, ИЯФ и др.), Сколково, ряда технических вузов физико-химической направленности (МИФИ, МФТИ и т. д.). Одним из приоритетов являются графеновые датчики и сенсоры. Отрадно, что предпринимаются усилия для проектирования наноэлектронных устройств и интегральных схем с элементами топологий до 10 нм.

В России имеются считанные патенты на изобретения и полезные модели. Речь идёт об открытых патентах.

Кстати, зарегистрированные в РФ программы для ЭВМ и тематика выдаваемых грантов отчасти приоткрывают завесу над фронтом отечественных работ в области графеновой электроники.

За рубежом графеном занимаются ведущие корпорации и НИИ, что видно по выданным зарубежным охранным документам. Потенциально возможно сотрудничество в этой сфере с китайскими организациями. IBM и TSMC вряд ли поделятся лицензиями на свои разработки.