2014年02月28日08:10
后硅時代的有力候補
不僅如此，已完成開發、隻等著上市的材料和部件接連不斷地涌現。電容器、存儲器、各種高性能傳感器等部件也開發出了採用薄膜狀碳材料CNT和石墨烯*的產品。性能十分高，如果材料量產成本降低，便能立即實用化的開發案例非常多。
*石墨烯（Graphene）＝六個碳原子組成六元環，然后再相連形成蜂窩狀薄膜的材料。也是構成石墨的基本單位。認識這種基本單位是在1962年，但從石墨中以不含雜質的形式分離出來是在2004年。是用膠帶轉印的機械剝離法實現的。實現了分離，而且探明了大量特殊物理性質的兩人獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。
金剛石半導體的實用化也在研究人員的考慮之中。意在以前隻能使用真空管的用途。比如用於電力系統控制和電視台發射塔的高耐壓控制元件等。
接下來，可以稱之為全碳化的核心、用碳材料實現超越硅極限的高性能IC和微處理器的技術也看到了曙光。目前已經集成出了CNT晶體管，試制了原始的微處理器，並確認了工作情況。
IBM公司表示，利用CNT晶體管和現有的半導體制造工藝，有可能實現與目前的高性能微處理器相匹敵的晶體管集成度。正以本世紀20年代上半期實現實用化為目標推進開發。
材料潛力超高
碳材料受到關注，全碳化目標備受矚目主要有兩大理由。（1）碳材料的基本特性遠遠高於其他材料、（2）碳為常見元素，採購成本低。
關於（1），在電特性、導熱性和機械特性三方面均遠遠高於其他材料（表1）。電特性方面，單層CNT和石墨烯的載流子遷移率在室溫環境下理論上為10萬∼20萬cm2/Vs，實測值也達到3萬cm2/Vs，是硅的20∼100倍。對大電流的耐性也高達銅（Cu）的1000倍。
導熱率與其他材料相比也非常高。例如，CNT和石墨烯的導熱率是硅的20∼30倍，是銅（Cu）和銀（Ag）的約10倍，即使與以前導熱率最高的金剛石相比，也高達其2倍左右。
機械特性方面，破壞強度達到鋼鐵的約20倍以上，硬度也與金剛石相當或者更高。比表面積為1300∼2600m2/g，在相同表面的材料中為最輕。
還有潛力作受光元件
CNT和石墨烯的光學特性也很高。二者均為直接躍遷型、即非常容易發光的材料，而硅正好相反，是難以發光的材料。石墨烯還具有電磁波吸收率不受頻率影響的特點。
而且，石墨烯還有很多其他碳材料所不具備的性質。例如，具備極高的阻隔性能，不會透過氦原子﹔因形狀的不同而具備磁性，等等注2）。
注2）除此之外還具備幾何學相位Berry相位，石墨烯上的電子的有效質量像光子一樣為零。
關於（2）碳為常見材料這一點，與以硅為基礎的電子部件相比，有望大幅降低成本。這是因為碳材料成本本身就很低，而且還能大幅簡化制造裝置。說得極端點，就連鉛筆也能成為制造裝置。用鉛筆寫字繪畫，就如同涂布了石墨烯。實際上已經有了用鉛筆制作電池和傳感器的例子。
開發制造技術尚需時間
雖然這些材料潛力非常高，但迄今基本沒在電子領域應用過。CNT的發現已經20年有余，石墨烯也發現有10年了，金剛石更是歷史悠久，但一直都處於“默默無聞”的狀態。
原因在於，沒有能夠發揮這種高潛力的材料合成技術和電子部件制造技術。尤其是合成材料時，存在純度低、結晶缺陷多的課題，量產極為困難。獲得高品質CNT和石墨烯的精煉成本非常高，最終價格會達到每克幾十萬∼幾百萬日元。
碳用於電子部件時的課題也還很多。合成的單層CNT直徑為0.4nm∼幾十nm，石墨烯每個原子的厚度隻有約0.3nm，難以處理。而且，用於晶體管也存在深刻的課題，比如單層CNT一般呈金屬型和半導體型混合的狀態、石墨烯不能直接作為半導體使用，等等。
碳材料的應用在最近突然呈暴發性成長，是因為這材料合成技術和電子部件制造技術的課題取得了巨大進展。雖然在充分發揮碳材料本來的實力方面還處於研發途中，但碳材料的高潛力已初露端倪。（作者：野澤 哲生，日經技術在線！供稿）
 |
