显示开启碳时代：碳纳米管与石墨烯技术分析
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显示开启碳时代：碳纳米管与石墨烯技术分析
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：
　　&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m2/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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碳纳米管/石墨烯：纳米材料技术的领头羊
核心提示：
纳米技术是通过对纳米尺度物质的操控来实现材料、器件和系统的创造和利用，例如，在原子、分子和超分子水平上的操控纳米技术的发展正越来越成为世界各国科技界所关注的焦点,谁能在这一领域取得领先,谁就能占据21世纪科学的制高点。
基于碳纳米管的中央处理器
石墨烯纸的微观结构
纳米技术是通过对纳米尺度物质的操控来实现材料、器件和系统的创造和利用，例如，在原子、分子和超分子水平上的操控纳米技术的发展正越来越成为世界各国科技界所关注的焦点,谁能在这一领域取得领先,谁就能占据21世纪科学的制高点。纳米碳材料是指尺度至少有一维小于100纳米的碳材料。纳米碳材料主要包括四种类型：纳米碳球、碳纳米管、石墨烯和碳炔，其中碳纳米管和石墨烯由于其优异的性能，是近年来的研究热点。
碳纳米管的弹性模量与金刚石的基本相同，为已知的最高材料模量，约为钢的5&倍；其弹性应变最高可达12%，约为钢的60倍而密度仅为钢的几分之一。碳纳米管的强度大约比其他纤维的强度高200倍，可以经受约100&万个大气压的压力而不破裂。碳纳米管表现出良好的导电性，在一定方向，导电率可达铜的一万倍；&碳纳米管的热传导系数高于天然金刚石和石墨原子基面。
石墨烯目前是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎完全透明，只吸收2.3%的光；导热系数是金刚石的3倍；常温下电子迁移率是商用硅材料的140倍；&电阻率比铜和银更低，是目前电阻率最小的材料；单层石墨烯的比表面积是最好活性炭的1.75倍；具有超强的刚度和硬度，强度是钢的100多倍。
目前碳纳米管和石墨烯材料在多个领域开展研究，并逐步走向应用。其中，碳纳米管在航空领域的最新进展有：
美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员开发出一种均匀的多壁碳纳米管为基础的涂料，可降低常用的泡沫的内饰的易燃性。与未处理的泡沫相比，碳纳米管涂覆聚氨酯泡沫体的燃烧性降低了35％。研究人员将改性的碳纳米管均匀地分布并附着在聚合物层的上表面和下表面。由此产生的涂层，充分利用了碳纳米管的快速散热能力，与常用于软装饰的溴化阻燃剂相比，实现了更大的点火和燃烧阻力。同时当纳米管涂层泡沫暴露在极端高温中，会创建一个&炭保护层&屏障防止熔体池形成。
美国研制出完全基于碳纳米管的中央处理器。2013年10月，美国斯坦福大学采用与同硅互补金属氧化物半导体（CMOS）完全兼容的工艺研制出首台完全基于碳纳米场效应晶体管的中央处理器原型。该处理器芯片面积为6.5mm2，由178个晶体管组成，每一个晶体管由10~200纳米场的数个碳纳米管组成，尽管该处理器的工作频率仅为1kHz，与主频为108~740kHz的首台商用硅基计算机Intel&4004&存在巨大差距，目前仅能做演示和验证，但两者均采用相同的冯诺伊曼体系结构，都具有可编程能力，可串行执行多种计算任务，并运行基本的操作系统。与传统晶体管相比，碳纳米管体积更小，传导性也更强，并且能够支持快速开关，因此其性能和能耗表现也远远好于传统硅材料。
麻省理工学院航空航天工程师开发出一种碳纳米管(CNT)薄膜，可以加热并固化复合材料，而不需要热压罐。当连接到一个电源，包裹在一个多层聚合物复合材料中的薄膜就会加热，促使聚合物固化。研究小组在常见的飞机碳纤维材料部件中测试了该薄膜，发现该薄膜可制造出强度与传统热压罐固化的一样的复合材料，但只使用了百分之一的能量。研究人员表示，碳纳米管薄膜很轻，添加重量可以忽略不计，在其熔融进树脂层后，薄膜本身与复合材料形成网格。MIT的技术直接接触需要加热的部分，这种复合材料固化方法更直接，更节能。可代替四层楼高的热压罐，以及数千万美元的基础设施。
碳纳米管和石墨烯在航空工业中可用作结构材料、电磁屏蔽、透明、防静电、防雷击、耐雨蚀、除冰涂料、电缆材料等。石墨烯材料在航空领域的最新进展有：
韩国开发出石墨烯和金属超强复合材料。韩国科学技术高级研究院的研究人员，通过在含铜和镍的复合材料中使用石墨烯，发现了金属-石墨烯纳米层合复合材料中单原子层石墨烯具有强化效应。研究人员在金属沉积的基体上用化学沉积方法（CVD）生长单层的石墨烯；然后再沉积上另一层金属，重复上述步骤，就能得到一个多层的金属&石墨烯复合材料。铜基复合材料的强度变为纯铜强度的500倍；镍基复合材料的强度变为纯镍的180倍。0.0004%质量分数的石墨烯就能将材料强度提高数百倍，特别是利用卷对卷加工或金属烧结法开发大规模生产，使生产航天器用轻质、超高强部件成为可能。
英国石墨烯增强碳纤维复合材料获得进展。加的夫大学工程学院在碳纤维树脂基复合材料中加入石墨烯纳米薄片（GNP）/碳纳米管（CNT），用以提高碳纤维的增强能力。研究中观测到的结果是，FLG抗压强度增加了13%，抗冲击性能提高了50%。这将对未来复合材料结构开发产生极大帮助，验证了未来减重、环保和减排的飞机设计的可能性。
美用&石墨烯纸&开发出超级电容器。麻省理工的研究团队研究发现，将石墨烯纸揉皱成一团，可以制备的超级电容器。组成一个电容器需要两个导电层&&即两张皱巴巴的石墨烯纸中间夹一个隔离层。超级电容器上隔离层采用的是水凝胶材料。石墨烯纸可以揉皱，平复1000次，且性能不发生明显降低。制成的超级电容器易于弯曲、折叠或拉伸到其原始大小的800%。这种将石墨烯起皱的技术不仅可用于制造超级电容器，也可以有其他应用。
英国剑桥大学的研究人员开发出首个可弯曲的石墨烯柔性屏幕，在柔性显示屏的研究上更进一步。剑桥大学的新发明使用电泳显示器，通过电场将粒子悬浮。与大多数显示屏不同的是，新的显示屏采用软塑料和石墨烯底板取代传统的金属电极。石墨烯比传统的陶瓷如铟锡氧化物更加柔韧，比金属薄膜更加透明；且石墨烯更易于加工和生产，生产成本更低。石墨烯可用于创建提供全彩色高清图像显示屏。此外，使用石墨烯底板将允许嵌入传感器，使显示屏更能与观众互动，可满足未来柔性电子设备发展需求。
责任编辑：实习编辑 惠佩