顯示開放碳時(shí)代：碳納米管和石墨烯的技術(shù)分析
顯示開放碳時(shí)代：碳納米管和石墨烯的技術(shù)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(shí)用化了，碳電子學(xué)，包括最近大幅度改進(jìn)的金剛石半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)碳制成的所有電子電路的完全碳化。3000年前，是青銅時(shí)代（銅），20世紀(jì)上半葉是鐵時(shí)代（鐵），然后是硅時(shí)代，未來將是碳時(shí)代。
一位碳材料研究者談到了這項(xiàng)研究的意義和目標(biāo)，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(shí)，如今，這一夢想正朝著實(shí)現(xiàn)的方向邁進(jìn)，如果完全碳化成為現(xiàn)實(shí)，電子產(chǎn)品將越來越輕，越來越強(qiáng)。他們現(xiàn)在是。柔性產(chǎn)品還可以實(shí)現(xiàn)超高性能，價(jià)格也會(huì)大大降低。
碳化的趨勢似乎正在從電子產(chǎn)品的外圍向中心轉(zhuǎn)移，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）常用于個(gè)人電腦等包裝材料，其最大的優(yōu)點(diǎn)是輕質(zhì)、堅(jiān)固。
在電子產(chǎn)品內(nèi)部，碳作為導(dǎo)電材料的使用還沒有取得進(jìn)展，但在2013年年中，碳作為導(dǎo)電材料在觸摸板和太陽能電池方面終于開始實(shí)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(jī)。
觸控面板的開發(fā)商是中國大陸臺(tái)灣鴻海精密工業(yè)集團(tuán)公司CNTOUCH，為了充分考慮透明度和導(dǎo)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(jù)將薄膜軋制成管的不同方法（手性），可分為金屬型和半導(dǎo)體型，半導(dǎo)體帶隙隨時(shí)間的變化而變化。1991年，明城大學(xué)研究生院理工學(xué)教授、NEC專門研究人員程南·伊吉馬發(fā)現(xiàn)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(jī)薄膜太陽能電池的n型半導(dǎo)體，經(jīng)過長期的研究和開發(fā)，三菱化學(xué)于2013年開始批量生產(chǎn)和樣品供應(yīng)。
富勒烯是由碳原子連接的五元環(huán)或六元環(huán)組成的球形或橢球形材料的通稱。由60個(gè)碳原子組成的球形材料稱為C60。C60的五元環(huán)和六元環(huán)的連接形式與足球的連接形式相同。這種材料于1985年被發(fā)現(xiàn)，其中三個(gè)是迪斯科舞廳的。韋爾斯獲得了1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
不僅如此，已經(jīng)開發(fā)出來的、只等待上市的材料和組件還在不斷涌現(xiàn)，電容器、存儲(chǔ)器、高性能傳感器等組件也開發(fā)出了使用薄膜碳材料CNT和*的產(chǎn)品，性能非常高，如果降低了材料生產(chǎn)成本，有很多產(chǎn)品需要經(jīng)過特殊工藝處理。可立即應(yīng)用的發(fā)展案例。
石墨烯=一種由六個(gè)碳原子組成的材料，形成一個(gè)六元環(huán)，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(rèn)可，但在2004年以無雜質(zhì)的形式從石墨中分離出來。它是通過膠帶轉(zhuǎn)移印刷的機(jī)械剝離法實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)了分離，并鑒定了大量的特殊物理性質(zhì)。這兩人獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
金剛石半導(dǎo)體的實(shí)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(tǒng)控制中使用的高壓控制元件和電視發(fā)射塔等。
下一步，高性能集成電路和微處理器技術(shù)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(jīng)集成，原始微處理器已經(jīng)試生產(chǎn)，工作條件已經(jīng)確定。
IBM表示，利用CNT晶體管和現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝，可以實(shí)現(xiàn)與當(dāng)前高性能微處理器相當(dāng)?shù)木w管集成。20世紀(jì)20年代上半年，我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)實(shí)用性，促進(jìn)發(fā)展。
碳材料引起了人們的廣泛關(guān)注。全炭化的目標(biāo)之所以引起人們的關(guān)注，主要有兩個(gè)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(xué)性能、熱導(dǎo)率和力學(xué)性能都遠(yuǎn)高于其它材料，從電學(xué)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(dǎo)率也很高，例如，碳納米管和石墨烯的熱導(dǎo)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(dǎo)率以前最高。
從力學(xué)性能來看，鋼材的破壞強(qiáng)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(xué)性能也很高，它們都是直接過渡材料，即很容易發(fā)光，而硅則相反，很難發(fā)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(zhì)。例如，石墨烯具有很高的勢壘性質(zhì)，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(zhì)量與光子的有效質(zhì)量一樣為零。
關(guān)于（2）碳作為一種常見材料，與硅基電子元件相比，預(yù)計(jì)將大大降低成本。這是因?yàn)樘疾牧媳旧淼某杀竞艿停铱梢源蟠蠛喕圃煸O(shè)備。在極端情況下，甚至鉛筆也可以用作制造設(shè)備。書寫和繪畫鉛筆就像是在石墨烯上涂一層涂層，實(shí)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(yīng)用于電子領(lǐng)域。碳納米管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)20多年，石墨烯已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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(tài)。
其原因在于，目前還沒有能夠充分發(fā)揮這一高潛力的材料合成技術(shù)和電子元件制造技術(shù)，特別是在合成材料時(shí)，存在純度低、結(jié)晶缺陷多等問題，生產(chǎn)量大難度大，精制成本高。GH質(zhì)量CNT和石墨烯非常高，最終價(jià)格將達(dá)到每克數(shù)十萬到數(shù)百萬日元。
碳在電子元件中的應(yīng)用也有許多課題，合成的單層碳納米管直徑為0.4～數(shù)十納米，石墨烯的每個(gè)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(tài)。碳納米管、石墨烯不能直接用作半導(dǎo)體等。
近年來，由于材料合成技術(shù)和電子元件制造技術(shù)等領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)步，碳材料使用的爆炸性增長，盡管碳材料的發(fā)展仍在充分發(fā)揮其原有的強(qiáng)度，但碳材料的高潛力開始出現(xiàn)。
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