利用印刷技術(shù)制作也能實(shí)現(xiàn)高性能
目前最有希望的用途可以說(shuō)是柔性透明導(dǎo)電膜和傳感器（圖2）。透明導(dǎo)電膜可利用CNT和石墨烯的高光透射率和導(dǎo)電性。對(duì)于尺寸小，但要求高感度、輕量且結(jié)實(shí)的傳感器來(lái)說(shuō)，CNT和石墨烯的特性正合適。
圖2：目前的兩大用途是透明導(dǎo)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(dǎo)電膜和高感度傳感器。透明導(dǎo)電膜有三種不同的用途（a）。首先以觸摸面板的形式開(kāi)始了實(shí)用化?？梢哉f(shuō)CNT和石墨烯等碳材料具備高感度傳感器所需的全部性質(zhì)（b）。
透明導(dǎo)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(shù)制造。在這方面也是CNT和石墨烯占優(yōu)勢(shì)。因?yàn)槠渑c印刷技術(shù)的親和性較高。
以前，利用印刷技術(shù)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(dǎo)電膜、傳感器以及TFT陣列等部件和部材用印刷法制造也沒(méi)有太大的缺點(diǎn)。
圖3：利用印刷技術(shù)制作也能確保性能
本圖比較了采用現(xiàn)有技術(shù)的元件與采用碳材料的元件。以前，采用印刷技術(shù)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(shí)現(xiàn)較高的耐彎折性。
例如，利用CNT使用印刷技術(shù)制造的TFT，其載流子遷移率可實(shí)現(xiàn)10～100cm2/Vs。雖然從CNT本來(lái)的值來(lái)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(dǎo)體TFT不相上下。已經(jīng)開(kāi)始有詳細(xì)比較CNT TFT和氧化物半導(dǎo)體TFT性能的論文出現(xiàn)。
今后，CNT TFT的載流子遷移率有望進(jìn)一步提高，接近1000cm2/Vs。因?qū)ρ鯕夂退值然痉€(wěn)定，所以也無(wú)需擔(dān)心利用有機(jī)半導(dǎo)體制造的TFT（有機(jī)TFT）的耐久性。
順便一提，在利用印刷技術(shù)制造石墨烯晶體管的案例中，已開(kāi)始出現(xiàn)載流子遷移率達(dá)到了3900cm2/Vs、截止頻率達(dá)到25GHz，性能超過(guò)現(xiàn)有硅技術(shù)的例子。但僅限模擬電路。
力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“石墨烯谷”
透明導(dǎo)電膜和傳感器僅僅是個(gè)開(kāi)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(shù)的水平進(jìn)一步提高，極有可能席卷現(xiàn)有技術(shù)。瞄準(zhǔn)這種可能性的世界各國(guó)和各地區(qū)針對(duì)CNT與石墨烯的研究開(kāi)發(fā)實(shí)施了大規(guī)模投資（表2）。
其中，投資額較大的是EU的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“Graphene Flagship”。僅針對(duì)石墨烯的研究開(kāi)發(fā)就計(jì)劃在10年內(nèi)投資約1400億日元。目的是在沒(méi)有硅谷的歐洲打造一個(gè)“石墨烯谷”。
雖然Graphene Flagship項(xiàng)目才啟動(dòng)不久，但已開(kāi)始取得成果。該項(xiàng)目的主要成員芬蘭諾基亞采用氧化石墨烯，開(kāi)發(fā)出了響應(yīng)性高達(dá)原技術(shù)100倍以上的柔性濕度傳感器等。
以復(fù)合化實(shí)現(xiàn)特性為原來(lái)100倍的新材料
在日本，新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）的項(xiàng)目也開(kāi)始取得大的成果。該項(xiàng)目的目標(biāo)是，將CNT與現(xiàn)有材料復(fù)合化來(lái)制造新材料。實(shí)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(fù)合化迄今未有的特性
本圖為日本NEDO的項(xiàng)目取得的成果示例。單層CNT與銅的復(fù)合化，制成了同時(shí)具備此前無(wú)法兼顧的高容許電流密度和高電導(dǎo)率的材料（a）。單層CNT與碳纖維和氟系橡膠的復(fù)合化，實(shí)現(xiàn)了密度低但導(dǎo)熱率與鐵相當(dāng)?shù)牟牧希╞）。
其中之一是單層CNT與銅的復(fù)合材料。由產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所用銅電鍍單層CNT制成。特點(diǎn)是，同時(shí)具備一般無(wú)法兼顧的高電導(dǎo)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(dǎo)率的同時(shí)，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(guò)復(fù)合，保留了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，減輕或解決了以前存在的問(wèn)題。
CNT-銅材料設(shè)想的主要用途是，“銅通孔的代替或功率半導(dǎo)體的布線等”（產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所納米管應(yīng)用研究中心首席研究員畠賢治）?，F(xiàn)已利用該材料，在硅芯片上成功形成了寬0.5μm的微細(xì)布線圖案。
另外，NEDO還復(fù)合單層CNT于碳纖維和橡膠三種材料，開(kāi)發(fā)出了把橡膠的低導(dǎo)熱率提高至幾百倍、與鐵（Fe）不相上下的材料。產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的畠賢治介紹說(shuō)，“較粗的碳纖維起著（熱的）高速公路、較細(xì)的單層CNT起著普通公路的作用，從而使導(dǎo)熱率大幅提高”。
價(jià)格將因量產(chǎn)而大幅下降
目前的最大課題是，高品質(zhì)單層CNT和石墨烯的價(jià)格非常高。單層CNT的價(jià)格有的甚至高達(dá)10多萬(wàn)日元/g（圖5），是約4000日元/g的金（Au）的25倍以上。不過(guò)，這是因?yàn)?ldquo;大學(xué)的研究室等都是按賣家開(kāi)的價(jià)購(gòu)買。而實(shí)際上，目前制造成本要低得多”（某CNT的研究人員）。
圖5：CNT的價(jià)格將因量產(chǎn)而大幅降低
本圖為《日經(jīng)電子》推測(cè)的量產(chǎn)后的CNT價(jià)格走勢(shì)。
因此，待全面量產(chǎn)后，單層CNT等的價(jià)格極有可能大幅降低。因?yàn)椴坏铣杉夹g(shù)迅速進(jìn)步，品質(zhì)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(jiàn)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(zhì)就能合成石墨烯，無(wú)需從外部供給碳源的例子”。
實(shí)現(xiàn)米級(jí)長(zhǎng)度為期不遠(yuǎn)
隨著合成和制造技術(shù)的進(jìn)步，此前只有科幻小說(shuō)中才有的場(chǎng)景有望成為現(xiàn)實(shí)。CNT的長(zhǎng)度和石墨烯的單晶在急劇增大（圖6）。例如，CNT的長(zhǎng)度直到最近一直是以幾mm～1cm最為常見(jiàn)。最長(zhǎng)的也就是18.5cm的試制例。但是，2013年中國(guó)清華大學(xué)發(fā)布了55cm長(zhǎng)的CNT。有海外媒體報(bào)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(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校Ruoff研究室開(kāi)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(zhǎng)和擴(kuò)大的過(guò)程（b）。CNT和石墨烯實(shí)現(xiàn)米級(jí)均為期不遠(yuǎn)。
石墨烯在進(jìn)一步快速增大。利用化學(xué)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(dāng)時(shí)，由于石墨烯具有出色的堅(jiān)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(guān)注，但實(shí)際上10nm的直徑也只是畫(huà)餅而已。
2010年前后，單晶石墨烯的直徑開(kāi)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(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校教授Rodney S.Ruoff預(yù)測(cè)稱，“將來(lái)應(yīng)該能制造出直徑1m級(jí)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(gòu)造部材，也許能用于飛機(jī)的機(jī)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(dǎo)電膜、有機(jī)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(shù)在線！供稿）
