顯示開放碳時代：碳納米管和石墨烯的技術分析

顯示開放碳時代：碳納米管和石墨烯的技術分析

隨著20多年和10年來人們對碳材料的使用，電子元件終于開始實用化了，碳電子學，包括最近大幅度改進的金剛石半導體，將極大地改變電子元件和電路的形狀。

我的夢想是用碳（C）代替硅（Si），實現碳制成的所有電子電路的完全碳化。3000年前，是青銅時代（銅），20世紀上半葉是鐵時代（鐵），然后是硅時代，未來將是碳時代。

一位碳材料研究者談到了這項研究的意義和目標，特別是電子電路的完全碳化，可以說是碳材料研究者的共識，如今，這一夢想正朝著實現的方向邁進，如果完全碳化成為現實，電子產品將越來越輕，越來越強。他們現在是。柔性產品還可以實現超高性能，價格也會大大降低。

碳化的趨勢似乎正在從電子產品的外圍向中心轉移，碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）常用于個人電腦等包裝材料，其最大的優點是輕質、堅固。

在電子產品內部，碳作為導電材料的使用還沒有取得進展，但在2013年年中，碳作為導電材料在觸摸板和太陽能電池方面終于開始實用化，觸摸板配備了中國華為科技有限公司于2013年5月推出的智能手機。

觸控面板的開發商是中國大陸臺灣鴻海精密工業集團公司CNTOUCH，為了充分考慮透明度和導電性，采用管狀碳材料（CNT）。

碳納米管是一種管狀的碳材料，碳原子以蜂窩狀膜（）連接，然后制成管，管的直徑從0.4納米到50納米，根據將薄膜軋制成管的不同方法（手性），可分為金屬型和半導體型，半導體帶隙隨時間的變化而變化。1991年，明城大學研究生院理工學教授、NEC專門研究人員程南·伊吉馬發現了納米碳管（CNT）。

對于太陽能電池而言，足球類碳材料富勒烯已被用作有機薄膜太陽能電池的n型半導體，經過長期的研究和開發，三菱化學于2013年開始批量生產和樣品供應。

富勒烯是由碳原子連接的五元環或六元環組成的球形或橢球形材料的通稱。由60個碳原子組成的球形材料稱為C60。C60的五元環和六元環的連接形式與足球的連接形式相同。這種材料于1985年被發現，其中三個是迪斯科舞廳的。韋爾斯獲得了1996年諾貝爾化學獎。

不僅如此，已經開發出來的、只等待上市的材料和組件還在不斷涌現，電容器、存儲器、高性能傳感器等組件也開發出了使用薄膜碳材料CNT和*的產品，性能非常高，如果降低了材料生產成本，有很多產品需要經過特殊工藝處理?？闪⒓磻玫陌l展案例。

石墨烯=一種由六個碳原子組成的材料，形成一個六元環，然后連接成蜂窩狀薄膜。它也是石墨的基本單位。這種基本單位在1962年被認可，但在2004年以無雜質的形式從石墨中分離出來。它是通過膠帶轉移印刷的機械剝離法實現的。實現了分離，并鑒定了大量的特殊物理性質。這兩人獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

金剛石半導體的實用性也在研究者們的考慮之中，過去只打算使用真空管，例如電力系統控制中使用的高壓控制元件和電視發射塔等。

下一步，高性能集成電路和微處理器技術也迎來了曙光，它被稱為全碳化的核心，可以用碳材料超越硅極限。目前，碳納米管晶體管已經集成，原始微處理器已經試生產，工作條件已經確定。

IBM表示，利用CNT晶體管和現有的半導體制造工藝，可以實現與當前高性能微處理器相當的晶體管集成。20世紀20年代上半年，我們的目標是實現實用性，促進發展。

碳材料引起了人們的廣泛關注。全炭化的目標之所以引起人們的關注，主要有兩個原因：（1）炭化材料的基本特性比其他材料高出很多；（2）碳是一種常見元素，購買成本低。

對于（1），其電學性能、熱導率和力學性能都遠高于其它材料，從電學性能來看，單層碳納米管和石墨烯在室溫下的載流子遷移率理論上為100000-200000平方厘米/秒，測量值為30000平方厘米/秒，是其它材料的20-100倍。比硅的電阻大，對大電流的電阻是銅的1000倍。

與其它材料相比，碳納米管和石墨烯的熱導率也很高，例如，碳納米管和石墨烯的熱導率是硅的20-30倍，是銅（Cu）和銀（Ag）的10倍，是金剛石的2倍左右，而金剛石的熱導率以前最高。

從力學性能來看，鋼材的破壞強度是金剛石的20倍以上，硬度等于或高于金剛石，比表面積1300-2600 m2/g，是同一表面材料中最輕的。

碳納米管和石墨烯的光學性能也很高，它們都是直接過渡材料，即很容易發光，而硅則相反，很難發光，石墨烯還具有電磁波吸收率不受頻率影響的特性。

此外，石墨烯具有許多其他碳材料所沒有的性質。例如，石墨烯具有很高的勢壘性質，不穿透氦原子；由于其形狀不同，石墨烯具有磁性等。注2。

注2）除了幾何漿果相，石墨烯上電子的有效質量與光子的有效質量一樣為零。

關于（2）碳作為一種常見材料，與硅基電子元件相比，預計將大大降低成本。這是因為碳材料本身的成本很低，而且可以大大簡化制造設備。在極端情況下，甚至鉛筆也可以用作制造設備。書寫和繪畫鉛筆就像是在石墨烯上涂一層涂層，實際上有一些用鉛筆制造電池和傳感器的例子。

盡管這些材料的潛力很高，但迄今為止還沒有應用于電子領域。碳納米管已經發現20多年，石墨烯已經發現10年，鉆石有很長的歷史，但它一直處于一種默默無聞的狀態。

其原因在于，目前還沒有能夠充分發揮這一高潛力的材料合成技術和電子元件制造技術，特別是在合成材料時，存在純度低、結晶缺陷多等問題，生產量大難度大，精制成本高。GH質量CNT和石墨烯非常高，最終價格將達到每克數十萬到數百萬日元。

碳在電子元件中的應用也有許多課題，合成的單層碳納米管直徑為0.4～數十納米，石墨烯的每個原子的厚度僅為0.3納米左右，這是很難處理的，而且晶體管也存在著很深的問題，如單層碳納米管的混合態。碳納米管、石墨烯不能直接用作半導體等。

近年來，由于材料合成技術和電子元件制造技術等領域取得了巨大的進步，碳材料使用的爆炸性增長，盡管碳材料的發展仍在充分發揮其原有的強度，但碳材料的高潛力開始出現。

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