利用印刷技術制作也能實現(xiàn)高性能

　　目前最有希望的用途可以說是柔性透明導電膜和傳感器（圖2）。透明導電膜可利用CNT和石墨烯的高光透射率和導電性。對于尺寸小，但要求高感度、輕量且結實的傳感器來說，CNT和石墨烯的特性正合適。

圖2：目前的兩大用途是透明導電膜和高感度傳感器

　　由碳材料制成的電子部件最初可能是透明導電膜和高感度傳感器。透明導電膜有三種不同的用途（a）。首先以觸摸面板的形式開始了實用化?？梢哉fCNT和石墨烯等碳材料具備高感度傳感器所需的全部性質（b）。

　　透明導電膜和傳感器今后需要在柔性薄膜上利用制造成本低的印刷技術制造。在這方面也是CNT和石墨烯占優(yōu)勢。因為其與印刷技術的親和性較高。

　　以前，利用印刷技術制造電子電路和布線的話，要犧牲性能或耐久性等（圖3）。而采用CNT和石墨烯的透明導電膜、傳感器以及TFT陣列等部件和部材用印刷法制造也沒有太大的缺點。

圖3：利用印刷技術制作也能確保性能

　　本圖比較了采用現(xiàn)有技術的元件與采用碳材料的元件。以前，采用印刷技術的晶體管等要犧牲工作性能和耐久性等，而用碳材料制作的話，不但性能很少降低，還能實現(xiàn)較高的耐彎折性。

　　例如，利用CNT使用印刷技術制造的TFT，其載流子遷移率可實現(xiàn)10～100cm2/Vs。雖然從CNT本來的值來看還低幾位數(shù)，但與現(xiàn)有材料相比屬于高水平，與氧化物半導體TFT不相上下。已經(jīng)開始有詳細比較CNT TFT和氧化物半導體TFT性能的論文出現(xiàn)。

　　今后，CNT TFT的載流子遷移率有望進一步提高，接近1000cm2/Vs。因對氧氣和水分等基本穩(wěn)定，所以也無需擔心利用有機半導體制造的TFT（有機TFT）的耐久性。

　　順便一提，在利用印刷技術制造石墨烯晶體管的案例中，已開始出現(xiàn)載流子遷移率達到了3900cm2/Vs、截止頻率達到25GHz，性能超過現(xiàn)有硅技術的例子。但僅限模擬電路。

　　力爭實現(xiàn)“石墨烯谷”

　　透明導電膜和傳感器僅僅是個開始。今后，采用CNT和石墨烯等碳材料的電子部件隨著制造技術的水平進一步提高，極有可能席卷現(xiàn)有技術。瞄準這種可能性的世界各國和各地區(qū)針對CNT與石墨烯的研究開發(fā)實施了大規(guī)模投資（表2）。

　　其中，投資額較大的是EU的開發(fā)項目“Graphene Flagship”。僅針對石墨烯的研究開發(fā)就計劃在10年內(nèi)投資約1400億日元。目的是在沒有硅谷的歐洲打造一個“石墨烯谷”。

　　雖然Graphene Flagship項目才啟動不久，但已開始取得成果。該項目的主要成員芬蘭諾基亞采用氧化石墨烯，開發(fā)出了響應性高達原技術100倍以上的柔性濕度傳感器等。

　　以復合化實現(xiàn)特性為原來100倍的新材料

　　在日本，新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）的項目也開始取得大的成果。該項目的目標是，將CNT與現(xiàn)有材料復合化來制造新材料。實際上，已誕生了數(shù)種具有前所未有特性的電子部件用材料（圖4）。

圖4：以與現(xiàn)有材料的復合化迄今未有的特性

　　本圖為日本NEDO的項目取得的成果示例。單層CNT與銅的復合化，制成了同時具備此前無法兼顧的高容許電流密度和高電導率的材料（a）。單層CNT與碳纖維和氟系橡膠的復合化，實現(xiàn)了密度低但導熱率與鐵相當?shù)牟牧希╞）。

　　其中之一是單層CNT與銅的復合材料。由產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所用銅電鍍單層CNT制成。特點是，同時具備一般無法兼顧的高電導率以及表示大電流耐性的高容許電流密度。在保持銅的高電導率的同時，具有約為銅100倍的容許電流密度。另一方面，新材料的熱膨脹率由銅的17ppm/K降到了接近硅的4.2～6.3ppm/K。通過復合，保留了兩種材料的優(yōu)點，減輕或解決了以前存在的問題。

　　CNT-銅材料設想的主要用途是，“銅通孔的代替或功率半導體的布線等”（產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所納米管應用研究中心首席研究員畠賢治）。現(xiàn)已利用該材料，在硅芯片上成功形成了寬0.5μm的微細布線圖案。

　　另外，NEDO還復合單層CNT于碳纖維和橡膠三種材料，開發(fā)出了把橡膠的低導熱率提高至幾百倍、與鐵（Fe）不相上下的材料。產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所的畠賢治介紹說，“較粗的碳纖維起著（熱的）高速公路、較細的單層CNT起著普通公路的作用，從而使導熱率大幅提高”。

　　價格將因量產(chǎn)而大幅下降

　　目前的最大課題是，高品質單層CNT和石墨烯的價格非常高。單層CNT的價格有的甚至高達10多萬日元/g（圖5），是約4000日元/g的金（Au）的25倍以上。不過，這是因為“大學的研究室等都是按賣家開的價購買。而實際上，目前制造成本要低得多”（某CNT的研究人員）。

圖5：CNT的價格將因量產(chǎn)而大幅降低

　　本圖為《日經(jīng)電子》推測的量產(chǎn)后的CNT價格走勢。

　　因此，待全面量產(chǎn)后，單層CNT等的價格極有可能大幅降低。因為不但合成技術迅速進步，品質和量產(chǎn)性大幅提高，而且CNT和石墨烯的原材料是甲烷（CH4）氣體等非常常見的材料。

　　尤其是石墨烯，只需一層原子材料即可，因此所需的原材料本身也非常少。某研究人員表示，“還有僅用催化劑使用的銅所含的碳雜質就能合成石墨烯，無需從外部供給碳源的例子”。

　　實現(xiàn)米級長度為期不遠

　　隨著合成和制造技術的進步，此前只有科幻小說中才有的場景有望成為現(xiàn)實。CNT的長度和石墨烯的單晶在急劇增大（圖6）。例如，CNT的長度直到最近一直是以幾mm～1cm最為常見。最長的也就是18.5cm的試制例。但是，2013年中國清華大學發(fā)布了55cm長的CNT。有海外媒體報道稱，“出現(xiàn)了建造太空電梯的可能性”。

圖6：還可制造巨大的CNT和石墨烯

　　本圖為美國德州大學奧斯汀分校Ruoff研究室開發(fā)的直徑約1cm的單晶石墨烯（a），以及此前CNT和單晶石墨烯增長和擴大的過程（b）。CNT和石墨烯實現(xiàn)米級均為期不遠。

　　石墨烯在進一步快速增大。利用化學氣相法（CVD）合成的單晶石墨烯的直徑截至數(shù)年前只有10nm左右。當時，由于石墨烯具有出色的堅韌性，“用一片石墨烯薄膜能為4kg的貓制造吊床”的估算受到關注，但實際上10nm的直徑也只是畫餅而已。

　　2010年前后，單晶石墨烯的直徑開始急劇增大，到2013年11月，終于發(fā)布了直徑為1cm的試制示例。制作該石墨烯的美國德州大學奧斯汀分校教授Rodney S.Ruoff預測稱，“將來應該能制造出直徑1m級的石墨烯”。

　　Ruoff就這種巨大的單晶石墨烯表示，“作為超越現(xiàn)有CF6RP的構造部材，也許能用于飛機的機翼等”。如果發(fā)揮單晶石墨烯的高阻隔性能，還有望用作薄膜電阻更小的透明導電膜、有機EL顯示器和照明面板的封裝膜，以及一層原子的透明窗戶等。（作者：野澤 哲生，日經(jīng)技術在線！供稿）