2014年02月28日08:10
后硅时代的有力候补
不仅如此，已完成开发、只等着上市的材料和部件接连不断地涌现。电容器、存储器、各种高性能传感器等部件也开发出了采用薄膜状碳材料CNT和石墨烯*的产品。性能十分高，如果材料量产成本降低，便能立即实用化的开发案例非常多。
*石墨烯（Graphene）＝六个碳原子组成六元环，然后再相连形成蜂窝状薄膜的材料。也是构成石墨的基本单位。认识这种基本单位是在1962年，但从石墨中以不含杂质的形式分离出来是在2004年。是用胶带转印的机械剥离法实现的。实现了分离，而且探明了大量特殊物理性质的两人获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
金刚石半导体的实用化也在研究人员的考虑之中。意在以前只能使用真空管的用途。比如用于电力系统控制和电视台发射塔的高耐压控制元件等。
接下来，可以称之为全碳化的核心、用碳材料实现超越硅极限的高性能IC和微处理器的技术也看到了曙光。目前已经集成出了CNT晶体管，试制了原始的微处理器，并确认了工作情况。
IBM公司表示，利用CNT晶体管和现有的半导体制造工艺，有可能实现与目前的高性能微处理器相匹敌的晶体管集成度。正以本世纪20年代上半期实现实用化为目标推进开发。
材料潜力超高
碳材料受到关注，全碳化目标备受瞩目主要有两大理由。（1）碳材料的基本特性远远高于其他材料、（2）碳为常见元素，采购成本低。
关于（1），在电特性、导热性和机械特性三方面均远远高于其他材料（表1）。电特性方面，单层CNT和石墨烯的载流子迁移率在室温环境下理论上为10万～20万cm2/Vs，实测值也达到3万cm2/Vs，是硅的20～100倍。对大电流的耐性也高达铜（Cu）的1000倍。
导热率与其他材料相比也非常高。例如，CNT和石墨烯的导热率是硅的20～30倍，是铜（Cu）和银（Ag）的约10倍，即使与以前导热率最高的金刚石相比，也高达其2倍左右。
机械特性方面，破坏强度达到钢铁的约20倍以上，硬度也与金刚石相当或者更高。比表面积为1300～2600m2/g，在相同表面的材料中为最轻。
还有潜力作受光元件
CNT和石墨烯的光学特性也很高。二者均为直接跃迁型、即非常容易发光的材料，而硅正好相反，是难以发光的材料。石墨烯还具有电磁波吸收率不受频率影响的特点。
而且，石墨烯还有很多其他碳材料所不具备的性质。例如，具备极高的阻隔性能，不会透过氦原子；因形状的不同而具备磁性，等等注2）。
注2）除此之外还具备几何学相位Berry相位，石墨烯上的电子的有效质量像光子一样为零。
关于（2）碳为常见材料这一点，与以硅为基础的电子部件相比，有望大幅降低成本。这是因为碳材料成本本身就很低，而且还能大幅简化制造装置。说得极端点，就连铅笔也能成为制造装置。用铅笔写字绘画，就如同涂布了石墨烯。实际上已经有了用铅笔制作电池和传感器的例子。
开发制造技术尚需时间
虽然这些材料潜力非常高，但迄今基本没在电子领域应用过。CNT的发现已经20年有余，石墨烯也发现有10年了，金刚石更是历史悠久，但一直都处于“默默无闻”的状态。
原因在于，没有能够发挥这种高潜力的材料合成技术和电子部件制造技术。尤其是合成材料时，存在纯度低、结晶缺陷多的课题，量产极为困难。获得高品质CNT和石墨烯的精炼成本非常高，最终价格会达到每克几十万～几百万日元。
碳用于电子部件时的课题也还很多。合成的单层CNT直径为0.4nm～几十nm，石墨烯每个原子的厚度只有约0.3nm，难以处理。而且，用于晶体管也存在深刻的课题，比如单层CNT一般呈金属型和半导体型混合的状态、石墨烯不能直接作为半导体使用，等等。
碳材料的应用在最近突然呈暴发性成长，是因为这材料合成技术和电子部件制造技术的课题取得了巨大进展。虽然在充分发挥碳材料本来的实力方面还处于研发途中，但碳材料的高潜力已初露端倪。（作者：野泽 哲生，日经技术在线！供稿）
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