北京时间03月03日消息，中国触摸屏网讯， 利用印刷技术制作也能实现高性能

    本文来自：http://www.51touch.com/touchscreen/news/dynamic/201403/03-28272.html

    目前最有希望的用途可以说是柔性透明导电膜和传感器（图2）。透明导电膜可利用CNT和石墨烯的高光透射率和导电性。对于尺寸小，但要求高感度、轻量且结实的传感器来说，CNT和石墨烯的特性正合适。

图2：目前的两大用途是透明导电膜和高感度传感器

由碳材料制成的电子部件最初可能是透明导电膜和高感度传感器。透明导电膜有三种不同的用途（a）。首先以触摸面板的形式开始了实用化。可以说CNT和石墨烯等碳材料具备高感度传感器所需的全部性质（b）。
 
    透明导电膜和传感器今后需要在柔性薄膜上利用制造成本低的印刷技术制造。在这方面也是CNT和石墨烯占优势。因为其与印刷技术的亲和性较高。

    以前，利用印刷技术制造电子电路和布线的话，要牺牲性能或耐久性等（图3）。而采用CNT和石墨烯的透明导电膜、传感器以及TFT阵列等部件和部材用印刷法制造也没有太大的缺点。

图3：利用印刷技术制作也能确保性能

本图比较了采用现有技术的元件与采用碳材料的元件。以前，采用印刷技术的晶体管等要牺牲工作性能和耐久性等，而用碳材料制作的话，不但性能很少降低，还能实现较高的耐弯折性。
 
    例如，利用CNT使用印刷技术制造的TFT，其载流子迁移率可实现10～100cm2/Vs。虽然从CNT本来的值来看还低几位数，但与现有材料相比属于高水平，与氧化物半导体TFT不相上下。已经开始有详细比较CNT TFT和氧化物半导体TFT性能的论文出现。

    今后，CNT TFT的载流子迁移率有望进一步提高，接近1000cm2/Vs。因对氧气和水分等基本稳定，所以也无需担心利用有机半导体制造的TFT（有机TFT）的耐久性。

    顺便一提，在利用印刷技术制造石墨烯晶体管的案例中，已开始出现载流子迁移率达到了3900cm2/Vs、截止频率达到25GHz，性能超过现有硅技术的例子。但仅限模拟电路。

    力争实现“石墨烯谷”

    透明导电膜和传感器仅仅是个开始。今后，采用CNT和石墨烯等碳材料的电子部件随着制造技术的水平进一步提高，极有可能席卷现有技术。瞄准这种可能性的世界各国和各地区针对CNT与石墨烯的研究开发实施了大规模投资（表2）。

    其中，投资额较大的是EU的开发项目“Graphene Flagship”。仅针对石墨烯的研究开发就计划在10年内投资约1400亿日元。目的是在没有硅谷的欧洲打造一个“石墨烯谷”。

    虽然Graphene Flagship项目才启动不久，但已开始取得成果。该项目的主要成员芬兰诺基亚采用氧化石墨烯，开发出了响应性高达原技术100倍以上的柔性湿度传感器等。

    以复合化实现特性为原来100倍的新材料

    在日本，新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的项目也开始取得大的成果。该项目的目标是，将CNT与现有材料复合化来制造新材料。实际上，已诞生了数种具有前所未有特性的电子部件用材料（图4）。

 
图4：以与现有材料的复合化迄今未有的特性

本图为日本NEDO的项目取得的成果示例。单层CNT与铜的复合化，制成了同时具备此前无法兼顾的高容许电流密度和高电导率的材料（a）。单层CNT与碳纤维和氟系橡胶的复合化，实现了密度低但导热率与铁相当的材料（b）。（图和照片（b）由产业技术综合研究所提供）
 
    其中之一是单层CNT与铜的复合材料。由产业技术综合研究所用铜电镀单层CNT制成。特点是，同时具备一般无法兼顾的高电导率以及表示大电流耐性的高容许电流密度。在保持铜的高电导率的同时，具有约为铜100倍的容许电流密度。另一方面，新材料的热膨胀率由铜的17ppm/K降到了接近硅的4.2～6.3ppm/K。通过复合，保留了两种材料的优点，减轻或解决了以前存在的问题。

    CNT-铜材料设想的主要用途是，“铜通孔的代替或功率半导体的布线等”（产业技术综合研究所纳米管应用研究中心首席研究员畠贤治）。现已利用该材料，在硅芯片上成功形成了宽0.5μm的微细布线图案。

    另外，NEDO还复合单层CNT于碳纤维和橡胶三种材料，开发出了把橡胶的低导热率提高至几百倍、与铁（Fe）不相上下的材料。产业技术综合研究所的畠贤治介绍说，“较粗的碳纤维起着（热的）高速公路、较细的单层CNT起着普通公路的作用，从而使导热率大幅提高”。

    价格将因量产而大幅下降

    目前的最大课题是，高品质单层CNT和石墨烯的价格非常高。单层CNT的价格有的甚至高达10多万日元/g（图5），是约4000日元/g的金（Au）的25倍以上。不过，这是因为“大学的研究室等都是按卖家开的价购买。而实际上，目前制造成本要低得多”（某CNT的研究人员）。

图5：CNT的价格将因量产而大幅降低

    因此，待全面量产后，单层CNT等的价格极有可能大幅降低。因为不但合成技术迅速进步，品质和量产性大幅提高，而且CNT和石墨烯的原材料是甲烷（CH4）气体等非常常见的材料。

    尤其是石墨烯，只需一层原子材料即可，因此所需的原材料本身也非常少。某研究人员表示，“还有仅用催化剂使用的铜所含的碳杂质就能合成石墨烯，无需从外部供给碳源的例子”。

    实现米级长度为期不远

    随着合成和制造技术的进步，此前只有科幻小说中才有的场景有望成为现实。CNT的长度和石墨烯的单晶在急剧增大（图6）。例如，CNT的长度直到最近一直是以几mm～1cm最为常见。最长的也就是18.5cm的试制例。但是，2013年中国清华大学发布了55cm长的CNT。有海外媒体报道称，“出现了建造太空电梯的可能性”。
 

 
图6：还可制造巨大的CNT和石墨烯

本图为美国德州大学奥斯汀分校Ruoff研究室开发的直径约1cm的单晶石墨烯（a），以及此前CNT和单晶石墨烯增长和扩大的过程（b）。CNT和石墨烯实现米级均为期不远。
 
    石墨烯在进一步快速增大。利用化学气相法（CVD）合成的单晶石墨烯的直径截至数年前只有10nm左右。当时，由于石墨烯具有出色的坚韧性，“用一片石墨烯薄膜能为4kg的猫制造吊床”的估算受到关注，但实际上10nm的直径也只是画饼而已。

    2010年前后，单晶石墨烯的直径开始急剧增大，到2013年11月，终于发布了直径为1cm的试制示例。制作该石墨烯的美国德州大学奥斯汀分校教授Rodney S.Ruoff预测称，“将来应该能制造出直径1m级的石墨烯”。

    Ruoff就这种巨大的单晶石墨烯表示，“作为超越现有CF6RP的构造部材，也许能用于飞机的机翼等”。如果发挥单晶石墨烯的高阻隔性能，还有望用作薄膜电阻更小的透明导电膜、有机EL显示器和照明面板的封装膜，以及一层原子的透明窗户等。