2014年03月03日08:46
以復合化實現特性為原來100倍的新材料
在日本，新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）的項目也開始取得大的成果。該項目的目標是，將CNT與現有材料復合化來制造新材料。實際上，已誕生了數種具有前所未有特性的電子部件用材料（圖4）。
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圖4：以與現有材料的復合化迄今未有的特性 本圖為日本NEDO的項目取得的成果示例。單層CNT與銅的復合化，制成了同時具備此前無法兼顧的高容許電流密度和高電導率的材料（a）。單層CNT與碳纖維和氟系橡膠的復合化，實現了密度低但導熱率與鐵相當的材料（b）。（圖和照片（b）由產業技術綜合研究所提供） |
其中之一是單層CNT與銅的復合材料。由產業技術綜合研究所用銅電鍍單層CNT制成。特點是，同時具備一般無法兼顧的高電導率以及表示大電流耐性的高容許電流密度。在保持銅的高電導率的同時，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。通過復合，保留了兩種材料的優點，減輕或解決了以前存在的問題。
CNT-銅材料設想的主要用途是，“銅通孔的代替或功率半導體的布線等”（產業技術綜合研究所納米管應用研究中心首席研究員?賢治）。現已利用該材料，在硅芯片上成功形成了寬0.5μm的微細布線圖案。
另外，NEDO還復合單層CNT於碳纖維和橡膠三種材料，開發出了把橡膠的低導熱率提高至幾百倍、與鐵（Fe）不相上下的材料。產業技術綜合研究所的?賢治介紹說，“較粗的碳纖維起著（熱的）高速公路、較細的單層CNT起著普通公路的作用，從而使導熱率大幅提高”。
價格將因量產而大幅下降
目前的最大課題是，高品質單層CNT和石墨烯的價格非常高。單層CNT的價格有的甚至高達10多萬日元/g（圖5），是約4000日元/g的金（Au）的25倍以上。不過，這是因為“大學的研究室等都是按賣家開的價購買。而實際上，目前制造成本要低得多”（某CNT的研究人員）。
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圖5：CNT的價格將因量產而大幅降低 本圖為《日經電子》推測的量產后的CNT價格走勢。 |
因此，待全面量產后，單層CNT等的價格極有可能大幅降低。因為不但合成技術迅速進步，品質和量產性大幅提高，而且CNT和石墨烯的原材料是甲烷（CH4）氣體等非常常見的材料。
尤其是石墨烯，隻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就能合成石墨烯，無需從外部供給碳源的例子”。
實現米級長度為期不遠
隨著合成和制造技術的進步，此前隻有科幻小說中才有的場景有望成為現實。CNT的長度和石墨烯的單晶在急劇增大（圖6）。例如，CNT的長度直到最近一直是以幾mm∼1cm最為常見。最長的也就是18.5cm的試制例。但是，2013年中國清華大學發布了55cm長的CNT。有海外媒體報道稱，“出現了建造太空電梯的可能性”。
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圖6：還可制造巨大的CNT和石墨烯 本圖為美國德州大學奧斯汀分校Ruoff研究室開發的直徑約1cm的單晶石墨烯（a），以及此前CNT和單晶石墨烯增長和擴大的過程（b）。CNT和石墨烯實現米級均為期不遠。（攝影：德州大學奧斯汀分校） |
石墨烯在進一步快速增大。利用化學氣相法（CVD）合成的單晶石墨烯的直徑截至數年前隻有10nm左右。當時，由於石墨烯具有出色的堅韌性，“用一片石墨烯薄膜能為4kg的貓制造吊床”的估算受到關注，但實際上10nm的直徑也只是畫餅而已。
2010年前后，單晶石墨烯的直徑開始急劇增大，到2013年11月，終於發布了直徑為1cm的試制示例。制作該石墨烯的美國德州大學奧斯汀分校教授Rodney S.Ruoff預測稱，“將來應該能制造出直徑1m級的石墨烯”。
Ruoff就這種巨大的單晶石墨烯表示，“作為超越現有CF6RP的構造部材，也許能用於飛機的機翼等”。如果發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電膜、有機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，日經技術在線！供稿）
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