碳時代開啟：碳納米管與石墨烯技術分析

　　利用已發(fā)現20多年的碳納米管和發(fā)現10年的石墨烯等微細碳材料，電子部件終于開始實用化。包括最近性能大幅提高的金剛石半導體在內，“碳電子”將大大改變電子部件和電子電路的形態(tài)。

　　“我的夢想是用碳（C）取代硅（Si），實現全部用碳制造電子電路的全碳化”、“3000年前是青銅器（Cu）時代，20世紀前半期是鐵（Fe）時代，之后是硅時代，而今后將是碳時代”。

　　一位碳材料研究人員就研究的意義和目標如此說道。尤其是電子電路的全碳化，可以說是碳材料研究人員的共識。如今，這個夢想正朝著實現奮進。如果全碳化成為現實，電子產品將比現在更輕量、更結實，柔性產品也能實現超高性能，而且價格會大幅降低。

　　鴻海開發(fā)，華為采用

　　碳化的動向似將從電子產品的外圍向中心進發(fā)。個人電腦等的機殼材料就常使用碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）。其最大優(yōu)點是，既輕又結實。

　　在電子產品的內部，碳作為導電材料的使用雖未能取得進展，但2013年中期終于在觸摸面板和太陽能電池等上開始了實用化。觸摸面板配備在了中國華為技術有限公司于2013年5月上市的智能手機上。

　　觸摸面板的開發(fā)商是臺灣鴻海精密工業(yè)在中國大陸的集團公司——中國富納源創(chuàng)（CNTouch）。為高度兼顧透明性和導電性而采用了管狀碳材料——碳納米管（CNT）。

　　備注：

　　碳納米管（CarbonNanotube）即管狀碳材料。把碳原子以蜂窩狀相連的薄膜（石墨烯）再制成管狀。管的直徑細至0.4nm～50nm。根據把薄膜卷成管狀的方法的不同（手性），分為金屬型和半導體型。半導體型的帶隙因直徑而異。碳納米管是名城大學研究生院理工學研究科教授、NEC特別研究員飯島澄男1991年發(fā)現的。

　　太陽能電池方面，從前有機薄膜太陽能電池就一直將稱為富勒烯*的足球狀碳材料作為n型半導體使用。經過長期的研究開發(fā)，2013年三菱化學開始量產并開始了樣品供貨。

　　富勒烯（Fullerene）即組成五元環(huán)或六元環(huán)的碳原子相互連接形成的球狀或橢球狀材料的總稱。共計由60個碳原子組成球狀的材料稱為C60。C60的五元環(huán)和六連環(huán)的連接形態(tài)與足球相同。該材料發(fā)現于1985年，三位發(fā)現者獲得了1996年的諾貝爾化學獎。

　　后硅時代的有力候補

　　不僅如此，已完成開發(fā)、只等著上市的材料和部件接連不斷地涌現。電容器、存儲器、各種高性能傳感器等部件也開發(fā)出了采用薄膜狀碳材料CNT和石墨烯*的產品。性能十分高，如果材料量產成本降低，便能立即實用化的開發(fā)案例非常多。

　　備注：

　　石墨烯（Graphene）=六個碳原子組成六元環(huán)，然后再相連形成蜂窩狀薄膜的材料。也是構成石墨的基本單位。認識這種基本單位是在1962年，但從石墨中以不含雜質的形式分離出來是在2004年。是用膠帶轉印的機械剝離法實現的。實現了分離，而且探明了大量特殊物理性質的兩人獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。

　　金剛石半導體的實用化也在研究人員的考慮之中。意在以前只能使用真空管的用途。比如用于電力系統(tǒng)控制和電視臺發(fā)射塔的高耐壓控制元件等。

　　接下來，可以稱之為全碳化的核心、用碳材料實現超越硅極限的高性能IC和微處理器的技術也看到了曙光。目前已經集成出了CNT晶體管，試制了原始的微處理器，并確認了工作情況。

　　IBM公司表示，利用CNT晶體管和現有的半導體制造工藝，有可能實現與目前的高性能微處理器相匹敵的晶體管集成度。正以本世紀20年代上半期實現實用化為目標推進開發(fā)。

　　材料潛力超高

　　碳材料受到關注，全碳化目標備受矚目主要有兩大理由。（1）碳材料的基本特性遠遠高于其他材料、（2）碳為常見元素，采購成本低。

　　關于（1），在電特性、導熱性和機械特性三方面均遠遠高于其他材料。電特性方面，單層CNT和石墨烯的載流子遷移率在室溫環(huán)境下理論上為10萬～20萬cm2/Vs，實測值也達到3萬cm2/Vs，是硅的20～100倍。對大電流的耐性也高達銅（Cu）的1000倍。

　　導熱率與其他材料相比也非常高。例如，CNT和石墨烯的導熱率是硅的20～30倍，是銅（Cu）和銀（Ag）的約10倍，即使與以前導熱率最高的金剛石相比，也高達其2倍左右。

　　機械特性方面，破壞強度達到鋼鐵的約20倍以上，硬度也與金剛石相當或者更高。比表面積為1300～2600m2/g，在相同表面的材料中為最輕。

　　還有潛力作受光元件

　　CNT和石墨烯的光學特性也很高。二者均為直接躍遷型、即非常容易發(fā)光的材料，而硅正好相反，是難以發(fā)光的材料。石墨烯還具有電磁波吸收率不受頻率影響的特點。

　　而且，石墨烯還有很多其他碳材料所不具備的性質。例如，具備極高的阻隔性能，不會透過氦原子;因形狀的不同而具備磁性，等等注2）。

　　注2）除此之外還具備幾何學相位Berry相位，石墨烯上的電子的有效質量像光子一樣為零。

　　關于（2）碳為常見材料這一點，與以硅為基礎的電子部件相比，有望大幅降低成本。這是因為碳材料成本本身就很低，而且還能大幅簡化制造裝置。說得極端點，就連鉛筆也能成為制造裝置。用鉛筆寫字繪畫，就如同涂布了石墨烯。實際上已經有了用鉛筆制作電池和傳感器的例子。

　　開發(fā)制造技術尚需時間

　　雖然這些材料潛力非常高，但迄今基本沒在電子領域應用過。CNT的發(fā)現已經20年有余，石墨烯也發(fā)現有10年了，金剛石更是歷史悠久，但一直都處于“默默無聞”的狀態(tài)。

　　原因在于，沒有能夠發(fā)揮這種高潛力的材料合成技術和電子部件制造技術。尤其是合成材料時，存在純度低、結晶缺陷多的課題，量產極為困難。獲得高品質CNT和石墨烯的精煉成本非常高，最終價格會達到每克幾十萬～幾百萬日元。

　　碳用于電子部件時的課題也還很多。合成的單層CNT直徑為0.4nm～幾十nm，石墨烯每個原子的厚度只有約0.3nm，難以處理。而且，用于晶體管也存在深刻的課題，比如單層CNT一般呈金屬型和半導體型混合的狀態(tài)、石墨烯不能直接作為半導體使用，等等。

　　碳材料的應用在最近突然呈暴發(fā)性成長，是因為這材料合成技術和電子部件制造技術的課題取得了巨大進展。雖然在充分發(fā)揮碳材料本來的實力方面還處于研發(fā)途中，但碳材料的高潛力已初露端倪。