碳時(shí)代開啟:碳納米管與石墨烯技術(shù)分析
利用已發(fā)現(xiàn)20多年的碳納米管和發(fā)現(xiàn)10年的石墨烯等微細(xì)碳材料,電子部件終于開始實(shí)用化。包括最近性能大幅提高的金剛石半導(dǎo)體在內(nèi),“碳電子”將大大改變電子部件和電子電路的形態(tài)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/368754.htm“我的夢想是用碳(C)取代硅(Si),實(shí)現(xiàn)全部用碳制造電子電路的全碳化”、“3000年前是青銅器(Cu)時(shí)代,20世紀(jì)前半期是鐵(Fe)時(shí)代,之后是硅時(shí)代,而今后將是碳時(shí)代”。
一位碳材料研究人員就研究的意義和目標(biāo)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(gè)夢想正朝著實(shí)現(xiàn)奮進(jìn)。如果全碳化成為現(xiàn)實(shí),電子產(chǎn)品將比現(xiàn)在更輕量、更結(jié)實(shí),柔性產(chǎn)品也能實(shí)現(xiàn)超高性能,而且價(jià)格會(huì)大幅降低。
鴻海開發(fā),華為采用
碳化的動(dòng)向似將從電子產(chǎn)品的外圍向中心進(jìn)發(fā)。個(gè)人電腦等的機(jī)殼材料就常使用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)。其最大優(yōu)點(diǎn)是,既輕又結(jié)實(shí)。
在電子產(chǎn)品的內(nèi)部,碳作為導(dǎo)電材料的使用雖未能取得進(jìn)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(shí)用化。觸摸面板配備在了中國華為技術(shù)有限公司于2013年5月上市的智能手機(jī)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(tuán)公司——中國富納源創(chuàng)(CNTouch)。為高度兼顧透明性和導(dǎo)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(xì)至0.4nm~50nm。根據(jù)把薄膜卷成管狀的方法的不同(手性),分為金屬型和半導(dǎo)體型。半導(dǎo)體型的帶隙因直徑而異。碳納米管是名城大學(xué)研究生院理工學(xué)研究科教授、NEC特別研究員飯島澄男1991年發(fā)現(xiàn)的。
太陽能電池方面,從前有機(jī)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(dǎo)體使用。經(jīng)過長期的研究開發(fā),2013年三菱化學(xué)開始量產(chǎn)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(jì)由60個(gè)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(xiàn)于1985年,三位發(fā)現(xiàn)者獲得了1996年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
后硅時(shí)代的有力候補(bǔ)
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(xiàn)。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(chǎn)品。性能十分高,如果材料量產(chǎn)成本降低,便能立即實(shí)用化的開發(fā)案例非常多。
備注:
石墨烯(Graphene)=六個(gè)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(gòu)成石墨的基本單位。認(rèn)識這種基本單位是在1962年,但從石墨中以不含雜質(zhì)的形式分離出來是在2004年。是用膠帶轉(zhuǎn)印的機(jī)械剝離法實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)了分離,而且探明了大量特殊物理性質(zhì)的兩人獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
金剛石半導(dǎo)體的實(shí)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(shí)現(xiàn)超越硅極限的高性能IC和微處理器的技術(shù)也看到了曙光。目前已經(jīng)集成出了CNT晶體管,試制了原始的微處理器,并確認(rèn)了工作情況。
IBM公司表示,利用CNT晶體管和現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝,有可能實(shí)現(xiàn)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(jì)20年代上半期實(shí)現(xiàn)實(shí)用化為目標(biāo)推進(jìn)開發(fā)。
材料潛力超高
碳材料受到關(guān)注,全碳化目標(biāo)備受矚目主要有兩大理由。(1)碳材料的基本特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他材料、(2)碳為常見元素,采購成本低。
關(guān)于(1),在電特性、導(dǎo)熱性和機(jī)械特性三方面均遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)測值也達(dá)到3萬cm2/Vs,是硅的20~100倍。對大電流的耐性也高達(dá)銅(Cu)的1000倍。
導(dǎo)熱率與其他材料相比也非常高。例如,CNT和石墨烯的導(dǎo)熱率是硅的20~30倍,是銅(Cu)和銀(Ag)的約10倍,即使與以前導(dǎo)熱率最高的金剛石相比,也高達(dá)其2倍左右。
機(jī)械特性方面,破壞強(qiáng)度達(dá)到鋼鐵的約20倍以上,硬度也與金剛石相當(dāng)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(xué)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(diǎn)。
而且,石墨烯還有很多其他碳材料所不具備的性質(zhì)。例如,具備極高的阻隔性能,不會(huì)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(xué)相位Berry相位,石墨烯上的電子的有效質(zhì)量像光子一樣為零。
關(guān)于(2)碳為常見材料這一點(diǎn),與以硅為基礎(chǔ)的電子部件相比,有望大幅降低成本。這是因?yàn)樘疾牧铣杀颈旧砭秃艿?,而且還能大幅簡化制造裝置。說得極端點(diǎn),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(shí)際上已經(jīng)有了用鉛筆制作電池和傳感器的例子。
開發(fā)制造技術(shù)尚需時(shí)間
雖然這些材料潛力非常高,但迄今基本沒在電子領(lǐng)域應(yīng)用過。CNT的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)20年有余,石墨烯也發(fā)現(xiàn)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(shù)和電子部件制造技術(shù)。尤其是合成材料時(shí),存在純度低、結(jié)晶缺陷多的課題,量產(chǎn)極為困難。獲得高品質(zhì)CNT和石墨烯的精煉成本非常高,最終價(jià)格會(huì)達(dá)到每克幾十萬~幾百萬日元。
碳用于電子部件時(shí)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(gè)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(dǎo)體型混合的狀態(tài)、石墨烯不能直接作為半導(dǎo)體使用,等等。
碳材料的應(yīng)用在最近突然呈暴發(fā)性成長,是因?yàn)檫@材料合成技術(shù)和電子部件制造技術(shù)的課題取得了巨大進(jìn)展。雖然在充分發(fā)揮碳材料本來的實(shí)力方面還處于研發(fā)途中,但碳材料的高潛力已初露端倪。
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