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显示开启碳时代:碳纳米管与石墨烯技术分析

作者:时间:2014-04-28来源:中华液晶网
编者按:电子元件也要成功硅时代进入到碳时代了,不知未来会不会在世界的某一个角落出现碳谷,哪里聚集无数改变世界的人。。。。

  利用已发现20多年的和发现10年的等微细碳材料,电子部件终于开始实用化。包括最近性能大幅提高的金刚石半导体在内,“碳电子”将大大改变电子部件和电子电路的形态。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/246048.htm

  “我的梦想是用碳(C)取代硅(Si),实现全部用碳制造电子电路的全碳化”、“3000年前是青铜器(Cu)时代,20世纪前半期是铁(Fe)时代,之后是硅时代,而今后将是碳时代”。

  一位碳材料研究人员就研究的意义和目标如此说道。尤其是电子电路的全碳化,可以说是碳材料研究人员的共识。如今,这个梦想正朝着实现奋进。如果全碳化成为现实,电子产品将比现在更轻量、更结实,柔性产品也能实现超高性能,而且价格会大幅降低。

  鸿海开发,华为采用

  碳化的动向似将从电子产品的外围向中心进发。个人电脑等的机壳材料就常使用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)。其最大优点是,既轻又结实。

  在电子产品的内部,碳作为导电材料的使用虽未能取得进展,但2013年中期终于在触摸面板和太阳能电池等上开始了实用化。触摸面板配备在了中国华为技术有限公司于2013年5月上市的智能手机上。

  触摸面板的开发商是台湾鸿海精密工业在中国大陆的集团公司——中国富纳源创(CNTouch)。为高度兼顾透明性和导电性而采用了管状碳材料——(CNT)。

  备注:

  (CarbonNanotube)即管状碳材料。把碳原子以蜂窝状相连的薄膜()再制成管状。管的直径细至0.4nm~50nm。根据把薄膜卷成管状的方法的不同(手性),分为金属型和半导体型。半导体型的带隙因直径而异。碳纳米管是名城大学研究生院理工学研究科教授、NEC特别研究员饭岛澄男1991年发现的。

  太阳能电池方面,从前有机薄膜太阳能电池就一直将称为富勒烯*的足球状碳材料作为n型半导体使用。经过长期的研究开发,2013年三菱化学开始量产并开始了样品供货。

  富勒烯(Fullerene)即组成五元环或六元环的碳原子相互连接形成的球状或椭球状材料的总称。共计由60个碳原子组成球状的材料称为C60。C60的五元环和六连环的连接形态与足球相同。该材料发现于1985年,三位发现者获得了1996年的诺贝尔化学奖。

  后硅时代的有力候补

  不仅如此,已完成开发、只等着上市的材料和部件接连不断地涌现。电容器、存储器、各种高性能传感器等部件也开发出了采用薄膜状碳材料CNT和*的产品。性能十分高,如果材料量产成本降低,便能立即实用化的开发案例非常多。

  备注:

  石墨烯(Graphene)=六个碳原子组成六元环,然后再相连形成蜂窝状薄膜的材料。也是构成石墨的基本单位。认识这种基本单位是在1962年,但从石墨中以不含杂质的形式分离出来是在2004年。是用胶带转印的机械剥离法实现的。实现了分离,而且探明了大量特殊物理性质的两人获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

  金刚石半导体的实用化也在研究人员的考虑之中。意在以前只能使用真空管的用途。比如用于电力系统控制和电视台发射塔的高耐压控制元件等。

  接下来,可以称之为全碳化的核心、用碳材料实现超越硅极限的高性能IC和微处理器的技术也看到了曙光。目前已经集成出了CNT晶体管,试制了原始的微处理器,并确认了工作情况。

  IBM公司表示,利用CNT晶体管和现有的半导体制造工艺,有可能实现与目前的高性能微处理器相匹敌的晶体管集成度。正以本世纪20年代上半期实现实用化为目标推进开发。

  材料潜力超高

  碳材料受到关注,全碳化目标备受瞩目主要有两大理由。(1)碳材料的基本特性远远高于其他材料、(2)碳为常见元素,采购成本低。

  关于(1),在电特性、导热性和机械特性三方面均远远高于其他材料。电特性方面,单层CNT和石墨烯的载流子迁移率在室温环境下理论上为10万~20万cm2/Vs,实测值也达到3万cm2/Vs,是硅的20~100倍。对大电流的耐性也高达铜(Cu)的1000倍。

  导热率与其他材料相比也非常高。例如,CNT和石墨烯的导热率是硅的20~30倍,是铜(Cu)和银(Ag)的约10倍,即使与以前导热率最高的金刚石相比,也高达其2倍左右。

  机械特性方面,破坏强度达到钢铁的约20倍以上,硬度也与金刚石相当或者更高。比表面积为1300~2600m2/g,在相同表面的材料中为最轻。

  还有潜力作受光元件

  CNT和石墨烯的光学特性也很高。二者均为直接跃迁型、即非常容易发光的材料,而硅正好相反,是难以发光的材料。石墨烯还具有电磁波吸收率不受频率影响的特点。

  而且,石墨烯还有很多其他碳材料所不具备的性质。例如,具备极高的阻隔性能,不会透过氦原子;因形状的不同而具备磁性,等等注2)。

  注2)除此之外还具备几何学相位Berry相位,石墨烯上的电子的有效质量像光子一样为零。

  关于(2)碳为常见材料这一点,与以硅为基础的电子部件相比,有望大幅降低成本。这是因为碳材料成本本身就很低,而且还能大幅简化制造装置。说得极端点,就连铅笔也能成为制造装置。用铅笔写字绘画,就如同涂布了石墨烯。实际上已经有了用铅笔制作电池和传感器的例子。

  开发制造技术尚需时间

  虽然这些材料潜力非常高,但迄今基本没在电子领域应用过。CNT的发现已经20年有余,石墨烯也发现有10年了,金刚石更是历史悠久,但一直都处于“默默无闻”的状态。

  原因在于,没有能够发挥这种高潜力的材料合成技术和电子部件制造技术。尤其是合成材料时,存在纯度低、结晶缺陷多的课题,量产极为困难。获得高品质CNT和石墨烯的精炼成本非常高,最终价格会达到每克几十万~几百万日元。

  碳用于电子部件时的课题也还很多。合成的单层CNT直径为0.4nm~几十nm,石墨烯每个原子的厚度只有约0.3nm,难以处理。而且,用于晶体管也存在深刻的课题,比如单层CNT一般呈金属型和半导体型混合的状态、石墨烯不能直接作为半导体使用,等等。

  碳材料的应用在最近突然呈暴发性成长,是因为这材料合成技术和电子部件制造技术的课题取得了巨大进展。虽然在充分发挥碳材料本来的实力方面还处于研发途中,但碳材料的高潜力已初露端倪。

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关键词: 碳纳米管 石墨烯

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