顯示開啟碳時代：碳納米管與石墨烯

    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)。

    “我的夢想是用碳（C）取代硅（Si），實現(xiàn)全部用碳制造電子電路的全碳化”、“3000年前是青銅器（Cu）時代，20世紀(jì)前半期是鐵（Fe）時代，之后是硅時代，而今后將是碳時代”。

    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，這個夢想正朝著實現(xiàn)奮進(jìn)。如果全碳化成為現(xiàn)實，電子產(chǎn)品將比現(xiàn)在更輕量、更結(jié)實，柔性產(chǎn)品也能實現(xiàn)超高性能，而且價格會大幅降低。

    鴻海開發(fā)，華為采用

    碳化的動向似將從電子產(chǎn)品的外圍向中心進(jìn)發(fā)。個人電腦等的機(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)點是，既輕又結(jié)實。

    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（Carbon Nanotube）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。共計由60個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。

    后硅時代的有力候補(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，便能立即實用化的開發(fā)案例非常多。

    備注：

    石墨烯（Graphene）＝六個碳原子組成六元環(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)械剝離法實現(xiàn)的。實現(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。

    金剛石半導(dǎo)體的實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年代上半期實現(xiàn)實用化為目標(biāo)推進(jìn)開發(fā)。