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标题: 碳电子学时代因石墨烯而到来 [打印本页]

作者: tlx 时间: 2011-1-4 16:14
标题: 碳电子学时代因石墨烯而到来
2010年对于后世来说或许算的上是电子领域唱主角的材料从硅（Si）向碳（C）转换的一年。因为在这一年出现了不少能够成为改变的契机的事件、开发和发现。

一是2010年的诺贝尔奖。获得物理学奖和化学奖的都是与碳相关的研究。物理学奖的获奖理由是利用“划时代的（groundbreaking）”（瑞典皇家科学院）方法，从石墨中分离出了碳连接形成6角形（6元环）网状的“石墨烯”。而化学奖的获奖理由是创造出了使有机化合物相互结合的“偶联反应”。更简单地说，受到诺贝尔物理奖和化学奖高度评价的，一项是切断碳键（仅为范德华力）的技术，另一项则是使碳结合的技术。

两项技术的共通点是都使用碳这种非常平常的材料，而且都能通过几乎不耗费能源的工艺实现。瑞典皇家科学院所谓的“划时代方法”是指利用胶带粘贴在石墨上将其剥离的方法，实际上我们日常也在使用几乎相同的划时代方法制作与石墨烯类似的物质。铅笔和自动铅笔芯是由石墨粉末混合粘土的材料组成的。用铅笔在纸上写字其实就是不停制造薄薄的石墨。估计其间也会形成石墨烯。如此贴近日常生活的材料和行为荣获诺贝尔物理学奖的情况恐还没有先例。

化学奖的偶联反应也是烧杯和试管内的反应，因此能够以非常低的成本和非常少的能源进行。不知瑞典皇家科学院是否有此意图，此次的诺贝尔奖就像是对使用巨大加速器和庞大能源的“巨大科学”的强烈讽刺。

承载汽车也不会破的吊床

即便不谈诺贝尔奖，2010年也是石墨烯和有机化合物应用研究快速发展的一年。能够利用石墨和胶带制作的石墨烯大多数仅为数μm～数mm见方，而韩国成均馆大学（Sungkyunkwan University）与三星电子等宣布制作成功了相当于电视尺寸30英寸（对角线30英寸=约76cm）的巨大石墨烯层。同时还宣布制作成功了使用该石墨烯层的触控面板。

石墨烯和钻石一样，是世界上最坚固、坚硬的材料之一。瑞典皇家科学院在发表2010年的物理学奖时曾这样比喻其强度：“如果利用石墨烯制作吊床，就算是一只兔子也完全可以支撑”。也有估算显示，假设重叠石墨烯层，使其厚度与食品保鲜膜同为数十μm的话，那么即便是承载汽车也不会破裂。更有创意利用其强度，希望能将其作为太空升降舱的建材使用。既然能够制作出30英寸的石墨烯层，那么至少吊床在不远的未来会有望实现商品化。

使用石墨烯的电子元件的开发也有所进展。详情请参阅《日经电子》2010年12月27日刊解说报道“进入实用化竞争的石墨烯，‘神之材料’应用先例辈出”一文，或可参加预定于2011年1月28日召开的研讨会“石墨烯应用的可能性，～从触控面板，透明导电膜，高速元件到量产技术～”。举例来说，美国IBM等公司制作出了以200GHz～300GHz超高速工作的石墨烯晶体管。其工作频率是以每半年约2倍的速度增加。还有报告称，如果是双层石墨烯，两层间可打开带隙，使电流的开关比达到104水平。

除此之外，利用石墨烯的超高感度气体传感器，以及最近的通信用MEMS型共振器等也在试制之中。这是因为，把石墨烯应用于MEMS后，困扰MEMS的严重课题有望得以解决。这个课题就是元件尺寸越小，寄生容量越大，导致工作不尽人意。如果大幅的小型化和高速工作能够兼顾，对于MEMS也将会是巨大的突破。可以说，在开发“后Si”、“后CMOS”、“More than Moore”等新一代电子元件的潮流中，石墨烯正在成为不容忽视的存在。

碳纳米管也重新出发

石墨烯的“亲戚”碳纳米管（CNT）最近也迎来了大突破。发现于石墨烯“发现”的13年前，即1991年的CNT与石墨烯一样，具有众多优良性质，其应用曾备受期待。但是其像针一样的形状在制造时难以控制长度、粗细、取向以及位置，而且金属型与半导体型混杂，这一课题长期未能得到解决。甚至有看法指出，CNT在吸入肺中后具有与石棉一样的致癌性，有些日本厂商和研究所也把研究重点从CNT转移到了石墨烯。

在这种情况下出现的突破是以较高的精度，非常简单地分离金属型CNT与半导体型CNT的实现。日本产业技术综合研究所和NEC在只有量产性和纯度方面存在课题的离心分离法的情况下，开发出了电泳法和使用琼脂的主要成分——琼脂糖的方法。另外，NEC还以分离的半导体型CNT为基础，通过运用喷墨印刷技术，制作出了工作频率为100kHz的图象传感器用FET阵列。NEC在2009年上半年曾经使用金属型与半导体型混合的CNT溶液制作了FET，这次，借助使用分离的半导体型CNT等改进，FET的工作频率提高了两位数。此前，在柔性电子元件，尤其是涂布工艺中，有机半导体一直引人注目，而CNT作为半导体材料和布线材料已经出现了一举崛起的可能性。但即便是在该领域，石墨烯依然是其竞争对手。

也有些用途是石墨烯无法或难以完成，但CNT能够实现。例如三维层叠晶体管的垂直电极便是如此。如果把石墨烯应用于晶体管通道层和布线的做法得到推广，作为其补充，CNT也有望赢得关注。

另外，CNT研究人员表示，部分颠覆CNT危害健康说法的报告也已经发布。研究表明，危害健康的是各种CNT与杂志的混合物进入体内的情况，分离所需特性精制而成的CNT没有致癌性。

有机化合物在电子元件中的应用当然不胜枚举。索尼发表的可以缠绕的有机EL显示器，利用涂布工艺制作的有机EL照明，转换效率达到8％水平的有机薄膜太阳能电池也有望在不久的将来实用化。

Si和C的融合也有了发展

2010年，标志着碳在电子领域愈发重要的事件还有一件。那就是碳化硅（SiC）。罗姆于2010年12月21日宣布在全球首先量产SiC晶体管（DMOSFET）。关于SiC二极管，2010年8月三菱电机已经宣布在空调产品中采用。

其实，在最近开发的高性能石墨烯晶体管中，石墨烯大多是利用SiC制造。这种石墨烯制造法被称为“SiC热分解法”，利用了以SiC基板为基底，在其表面高温加热后，Si单独脱离，剩余的C自律形成石墨烯结构的性质。人们还利用其相反步骤，开发出了在石墨基板表面打入Si，制作SiC薄膜的方法。

该方法的原理是Si与C的化学性质非常接近。二者的外层电子都为4个，形成的是钻石结构的晶体。也就是说，硅和Si版烃——聚硅烷是Si版有机物之一。从Si到C，或从C到Si，通过原子的置换，新电子学也有望得到拓展。

Si与C的决定性差异在于…

这里需要先告诉大家，由此往后基本都是笔者的猜想。在以Si电子学为基准思考碳电子学可能性时，重要的是：性质如此接近，又都是地球上大量存在的元素，为什么Si没有取代C形成生命体（硅基生物）（除SiO2外）。硅与体组织相容性良好，硅基生物却并不存在。

在对于这一疑问的解释中，经常听到的是“这是因为Si的双键（sp2混合轨道状态）不稳定”。拥有双键的Si化合物虽然有硅烯等，但对于水和氧不稳定。同样，Si版石墨烯，或石墨结构的Si晶体也没有稳定的类型。如果双键不稳定，蛋白质等分子的多样性就难以产生。

但常识往往是会被颠覆的。就在不久前，美国NASA的研究人员发现了在生命体组织和DNA中利用砷（As）替代磷（P）的细菌，颠覆了以往的常识。而且，在2004年石墨烯成功分离之前，研究人员之间也有着石墨烯单独无法稳定存在的共识。因此，对于Si也不能断言常识不可能被颠覆。实际上，有研究认为，最近开发的一种加入了氮（N）等添加物的Si低聚体材料具有与石墨烯相同的sp2混合轨道，而且非常稳定。双键能否作为硅基生物不存在的关键理由依然存有疑问。

就个人而言，笔者认为硅基生物不存在的原因可能是因为：“SiO2过于稳定（或带隙大呈透明状）”。CO2能够通过光合成还原成烃，但Si版的光合成却因为太阳光（可视光）能量不足而无法实现。因此，利用SiO2的植物没有出现，结果也就不会生成聚硅烷等物质。据说，即便假设硅基生物存在，由于氧化单方面进行，不产生还元，“粮食”很快就会耗尽走向灭亡。倘若如此，如果行星环绕在紫外线非常强烈的恒星周围，那里说不定可能有硅基生物生存……（日经BP社记者：野泽哲生）

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