作者：立厷 ? 早在2005年，Intel在一篇論文中曾指出：“制備出性能超越硅基N型晶體管的碳納米管器件是不可能的。”的確，隨著集成電路的發(fā)展，摩爾定律已走在失效的邊緣，尋求硅以外替代材料已成為信息產(chǎn)業(yè)的重要方向之一。雖然碳納米管被認(rèn)為是一個(gè)非常有潛力的競(jìng)爭(zhēng)者，但用傳統(tǒng)摻雜工藝制備碳納米管晶體管遇到了巨大困難。

2007年，上述團(tuán)隊(duì)就提出了非摻雜制備碳納米管CMOS器件的方法，制備出了第一個(gè)性能超過(guò)同尺寸硅基晶體管的碳納米管晶體管器件。2017年，該團(tuán)隊(duì)在《Science》上發(fā)文，首次制備了5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的頂柵碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該器件的本征性能和功耗綜合指標(biāo)上性能相較同尺寸的傳統(tǒng)硅基晶體管器件約有10倍的優(yōu)勢(shì)。

市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IDTechEx指出，隨著硅基器件尺寸逼近物理極限，硅柔性化處理已日趨接近天花板；碳基材料的突破也為柔性電子提供了更好的選擇。其中，CNT和石墨烯憑借優(yōu)異的電性能、透光性特別是延展性，被公認(rèn)為是柔性電子的“天選”材料。

先進(jìn)材料市場(chǎng)廣闊

先進(jìn)材料包羅萬(wàn)象，如納米管和納米纖維、石墨烯和其他2D材料、量子點(diǎn)、超材料、氣凝膠、生物材料等等。研發(fā)方面有材料信息學(xué)，加工材料的新方法有3D打印和增材制造。實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵性能包括電磁干擾屏蔽、熱管理、低（或負(fù)）碳足跡、光電特性，還可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體和先進(jìn)封裝制造工藝的演變，根據(jù)IDTechEx預(yù)測(cè)，先進(jìn)材料所覆蓋的新應(yīng)用如下：

電動(dòng)汽車；

可穿戴設(shè)備；

自動(dòng)駕駛汽車（ADAS）；

碳捕獲、利用和儲(chǔ)存（CCUS）：2040年全球碳捕獲能力將達(dá)到1265兆噸

5G和工業(yè)4.0。

什么是CNT、SWCNT和MWCNT？

首先，碳納米管（CNT）是一種特殊結(jié)構(gòu)（徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)，管兩端基本上封口）的一維量子材料。其構(gòu)成主要是數(shù)層到數(shù)十層呈六邊形排列的碳原子同軸圓管。層與層之間保持約0.34nm的固定距離，直徑一般為2-20nm。

CNT的用途

根據(jù)碳六邊形軸向的不同取向可以將CNT分為鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。螺旋型CNT具有手性（chirality，指一個(gè)物體不能與其鏡像相重合的特性），鋸齒形和扶手椅型CNT沒(méi)有手性。

那么，什么又是SWCNT和MWCNT呢？按照卷起的石墨烯片材層數(shù)可分為單壁碳納米管（SWCNT，有些人將其稱為“石墨烯納米管”）和多壁碳納米管（MWCNT）。SWCNT是將石墨烯薄片卷成一根管子，其獨(dú)特物理性能使其成為一種通用添加劑，在全球50%的材料市場(chǎng)都有潛在應(yīng)用。

SWCNT和MWCNT

SWCNT和MWCNT的性質(zhì)和對(duì)材料的影響不同，就像石墨烯（單層碳原子）不同于石墨（多層碳原子）那樣。

SWCNT具有獨(dú)特性質(zhì)，柔韌且長(zhǎng)，有效濃度在0.01%以上，可以生產(chǎn)任何顏色或透明的導(dǎo)電材料，以保持或改善材料的機(jī)械性能。

SWCNT的特性

MWCNT剛性且短，有效濃度為0.5%-5%，只能用于生產(chǎn)黑色導(dǎo)電材料，不能用于透明導(dǎo)電材料，由于所需濃度高會(huì)降低材料的機(jī)械性能。

SWCNT是CNT家族中性能更高的變體。與MWCNT相比，取決于手性，它既可以提供優(yōu)異的性能，如導(dǎo)電性，也可以提供完全獨(dú)特的半導(dǎo)體或金屬功能。不過(guò)，SWCNT也面臨著挑戰(zhàn)，尤其是在制造業(yè)（產(chǎn)量、雜質(zhì)、有意義的一致性）和利用方面，特別是在團(tuán)聚（agglomeration）方面。

MWCNT的蓬勃發(fā)展，主要是由鋰離子電池推動(dòng)的。其年產(chǎn)量約為數(shù)千噸，很快將達(dá)到10萬(wàn)噸，而SWCNT的產(chǎn)量仍低于100噸。

那么，SWCNT在哪些領(lǐng)域可以獲得成功呢？大致有二：

一是迭代改進(jìn)：SWCNT通常可以通過(guò)提供較低載荷（不干擾加工或惡化母材性能）和改進(jìn)的性能來(lái)取代其他添加劑，已用在有色聚合物膠衣（colored polymer gelcoat）、耐溫氟橡膠O型圈等方面。

二是革命性應(yīng)用：采用SWCNT將為某些領(lǐng)域帶來(lái)無(wú)與倫比的性能，兩個(gè)領(lǐng)域是半導(dǎo)體和傳感器，包括量子計(jì)算和能量存儲(chǔ)。

大自然的恩賜

什么人類以前沒(méi)有使用SWCNT？因?yàn)樵谧匀唤缰校挥胁煌耆紵奶贾胁艜?huì)出現(xiàn)碳納米管。它最早是在森林大火后的樹(shù)木灰燼中發(fā)現(xiàn)的，數(shù)量可達(dá)數(shù)千噸。

樹(shù)木灰燼中發(fā)現(xiàn)了碳納米管

科學(xué)家也在原產(chǎn)地古印度的大馬士革鋼（一種為制造刀劍采用古老方法鍛造的復(fù)合型鋼）中發(fā)現(xiàn)了SWCNT的痕跡，還有中國(guó)古代的墨汁。

大馬士革鋼中也有碳納米管

1976年，日本科學(xué)家內(nèi)藤森信在奧爾良大學(xué)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)了碳納米管。

內(nèi)藤森信

1991年，NEC（日本電氣）筑波研究所的飯島澄男（Sumio lijima）首次以論文形式報(bào)道了碳納米管。

數(shù)十年來(lái)，關(guān)于碳納米管的論文已有800,000余篇，專利50,000余件。研究證實(shí)，SWCNT可以作為地球上大多數(shù)材料的通用添加劑。然而，SWCNT直到最近才被用于工業(yè)，因?yàn)槿狈Υ笠?guī)模生產(chǎn)技術(shù)，因此價(jià)格昂貴。

2013年，OCSiAl創(chuàng)造了第一項(xiàng)合成SWCNT的工業(yè)技術(shù)——TUBALL，成為第一個(gè)大規(guī)模應(yīng)用的SWCNT品牌。

SWCNT品牌

與現(xiàn)有碳基材料相比，即使是0.01%的TUBALL也能以前所未有的方式改變其他材料的性質(zhì)。當(dāng)SWCNT分布在材料基體中時(shí)，會(huì)形成三維增強(qiáng)和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，具備了實(shí)現(xiàn)新特性的機(jī)制。

SWCNT納米管由碳原子組成，能夠在非常低的濃度下構(gòu)建3D網(wǎng)絡(luò)，與任何其他導(dǎo)電和增強(qiáng)添加劑不同，對(duì)材料的原始顏色和關(guān)鍵性能影響最小。

碳原子構(gòu)成的納米管

SWCNT的3D網(wǎng)絡(luò)能夠提供一種具有前所未有特性的材料。

SWCNT 3D網(wǎng)絡(luò)

CNT性能幾何？

既然是材料，力學(xué)性能首當(dāng)其沖，CNT是目前可制備出的最高比強(qiáng)度的材料，其抗拉強(qiáng)度達(dá)50-200GPa，是鋼的100倍，密度卻只有1/6；彈性模量可達(dá)1TPa，與金剛石相當(dāng)，約為鋼的5倍；硬度與金剛石相當(dāng)，卻有良好的拉伸柔韌性；強(qiáng)度比同體積的鋼高100倍，重量卻不到1/6。

CNT結(jié)構(gòu)與石墨片層結(jié)構(gòu)相同，具有很好的電學(xué)性能，既可表現(xiàn)出金屬的電學(xué)性能，又具有半導(dǎo)體的電學(xué)性能。

熱學(xué)性能方面，通過(guò)合適的取向，CNT可以合成高各向異性熱傳導(dǎo)材料，實(shí)現(xiàn)良好的傳熱性能。其熱導(dǎo)率較高，在復(fù)合材料中摻雜微量CNT，即可顯著改善復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。

CNT技術(shù)潛力何在？

如果能夠?qū)崿F(xiàn)令人興奮的納米級(jí)性能，包括從機(jī)械性能到熱導(dǎo)率和導(dǎo)電率以及其他性能，就將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的全球影響。然而，眾所周知，現(xiàn)實(shí)與理論理想相去甚遠(yuǎn)。

自20世紀(jì)90年代初成立以來(lái)，CNT成為了前景看好的材料，以下是其與銅比較的一些最佳報(bào)告值。

CNT和銅對(duì)比

其他好處還有：更高的彎曲強(qiáng)度、更低的溫度阻力系數(shù)（TCR）、更低的熱膨脹系數(shù)（CTE）、更好的耐腐蝕性和成本穩(wěn)定性（在非常大體積下）；但問(wèn)題是，在宏觀尺度方面，SWCNT的手性決定了其原子幾何形狀和電子結(jié)構(gòu)；而MWCNT中不同壁上的手性差別也將導(dǎo)致石墨烯層被切割出不同的對(duì)稱性，因此手性優(yōu)化至關(guān)重要。

另外，不同類型納米管需要各種技術(shù)和制造準(zhǔn)備。制備納米管只是第一步，還需要考慮如何對(duì)其進(jìn)行功能化、純化和/或分離以及集成，后處理和分散技術(shù)的重要進(jìn)步也是任何市場(chǎng)成功的關(guān)鍵。

VACNT在用作TIM（熱界面材料）方面很有前景，已經(jīng)探索了幾十年。其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和機(jī)械性能。碳纖維有兩種類型：嵌入樹(shù)脂和獨(dú)立片材/陣列材料。樹(shù)脂不僅會(huì)降低電導(dǎo)率，而且可能會(huì)限制溫度范圍。因此，最受關(guān)注的是純片材。它有三個(gè)需要不斷應(yīng)對(duì)的主要挑戰(zhàn)：

固有導(dǎo)熱性：片材必須對(duì)齊、致密、均勻且相對(duì)無(wú)缺陷

熱接觸電阻：由于表面粗糙，估計(jì)只有3%-15%的陣列有助于熱傳輸

VACNT陣列的有效轉(zhuǎn)移：使用獨(dú)立CNT制造具有挑戰(zhàn)性，通常需要在700℃以上完成，因此與將接觸的基底不兼容。

堪稱新型戰(zhàn)略材料

儲(chǔ)能是目前CNT最廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，它可以降低鋰電池內(nèi)阻，提高克容量和高倍率放電功率密度；降低導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑用量，延長(zhǎng)使用壽命，提高低溫放電性能，降低快速充放電時(shí)的電池溫度，有助于超高溫、超低溫環(huán)境使用。

電子應(yīng)用的形式主要是CNT導(dǎo)電塑料，其優(yōu)點(diǎn)是電阻率為10-1-106，可以作為抗靜電材料、電磁屏蔽、柔性穿戴電子材料；還可以用作導(dǎo)電銀漿制造金屬化電極，是光伏電池制造的關(guān)鍵原材料。它可以替代50%的銀粉，大幅降低成本。

在航空航天領(lǐng)域，CNT的應(yīng)用形式是增強(qiáng)材料，以其他工業(yè)材料作為基體，摻雜CNT形成復(fù)合材料；還可以將CNT添加到潤(rùn)滑油中，其納米微粒分布于摩擦界面起到微軸承作用，進(jìn)一步改善潤(rùn)滑性能，減小摩擦；作為強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性的防腐劑，CNT能夠摻雜在涂料中達(dá)到防腐效果，減少因腐蝕帶來(lái)的損失。

新的擴(kuò)張時(shí)代已經(jīng)到來(lái)

2020年以后，在蓬勃發(fā)展的電動(dòng)汽車鋰離子電池陰極的推動(dòng)下，CNT應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的擴(kuò)張時(shí)代。

總之，以石墨烯、碳納米管、金剛石等材料為核心的碳基功能材料和器件研究方興未艾，碳基電子學(xué)已成為主導(dǎo)未來(lái)高科技競(jìng)爭(zhēng)的顛覆性技術(shù)之一。

編輯：峰會(huì)