三、日本開始量產(chǎn)單層碳納米管（CNT）

　　碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來。碳納米管具有高傳熱、高導(dǎo)電性優(yōu)良、碳納米管具有良好的力學(xué)性能，CNTs抗拉強(qiáng)度達(dá)到50～200GPa，是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6，至少比常規(guī)石墨纖維高一個(gè)數(shù)量級(jí)；它的彈性模量可達(dá) 1TPa，與金剛石的彈性模量相當(dāng)，約為鋼的5倍。碳納米管是目前可制備出的具有最高比強(qiáng)度的材料。若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成復(fù)合材料，可使復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給復(fù)合材料的性能帶來極大的改善。

　　2014年2月，日本終于開始量產(chǎn)單層碳納米管（CNT）了。分離技術(shù)也取得了巨大進(jìn)展，今后有望實(shí)現(xiàn)以前無法實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品。石墨烯的帶隙問題也出現(xiàn)了解決的希望。

　　什么樣的碳元件能實(shí)用化主要取決于CNT和石墨烯等材料的品質(zhì)及價(jià)格?，F(xiàn)在，終于能以低成本采購高品質(zhì)的CNT和石墨烯了，而且還有希望選擇具備特定帶隙的材料。

　　單層CNT：合成和分離均取得進(jìn)展

　　日本從2014年2月開始量產(chǎn)單層碳納米管（CNT）。單層CNT的量產(chǎn)在全球還比較少見注1）。如果每克高達(dá)10多萬日元的單層CNT價(jià)格能通過量產(chǎn)降低，利用單層CNT的碳元件就會(huì)增加，從而促進(jìn)單層CNT的價(jià)格進(jìn)一步降低，這樣就有望形成良性循環(huán)。

　　除此之外，量產(chǎn)較高品質(zhì)單層CNT的還有率先推出CNT觸摸面板的中國富納源創(chuàng)。2002年開發(fā)出了稱為“Super-AlignedCNTArray”的CVD法。與SG法相似，不過SG法是2004年開發(fā)的。

　　采用兩種方法的工廠接連投入運(yùn)轉(zhuǎn)

　　目前，量產(chǎn)高品質(zhì)單層CNT的技術(shù)主要可分為兩種。日本最近運(yùn)轉(zhuǎn)的量產(chǎn)工廠也采用了隸屬于這兩種分類的技術(shù)。首先，2014年2月開始量產(chǎn)的是稱為eDIPS（增強(qiáng)直噴熱解合成）法的技術(shù)（圖1）。

　　該技術(shù)由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所開發(fā)。名城大學(xué)設(shè)立的風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)——名城納米碳公司建設(shè)了采用該技術(shù)的量產(chǎn)工廠，于2014年2月投入使用?！安捎胑DIPS法一小時(shí)可合成一克單層CNT。包括精煉過程的成品率在內(nèi)，與我們此前利用的電弧放電法相比，擁有100倍的量產(chǎn)性”（名城納米碳公司代表董事橋本剛）。

　　另一種量產(chǎn)技術(shù)稱為超速成長（SG）法，也是由產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所開發(fā)的。SG法已經(jīng)啟動(dòng)了長12m的大型驗(yàn)證工廠。不過，今后才要開始大規(guī)模量產(chǎn)。日本瑞翁（Zeon）正考慮2015年啟動(dòng)年產(chǎn)10噸規(guī)模的工廠。

　　根據(jù)碳元件的種類區(qū)分使用

　　這兩種量產(chǎn)技術(shù)相互之間不存在競爭。因?yàn)榭珊铣傻膯螌覥NT的類型不同。因此，都是根據(jù)用途區(qū)分利用合成法。

　　首先，eDIPS法是化學(xué)氣相法（CVD）的一種，從反應(yīng)爐上投入碳源和作為催化劑的金屬微顆粒物，在氣相中生長CNT。既不使用基板也不使用固定催化劑的載體。無需清潔車間，能在大氣壓下制造。

　　利用這種方法合成的單層CNT結(jié)晶缺陷少，純度高達(dá)90～95％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原來的合成方法。CNT的直徑比較細(xì)，只有1n～2nm。

　　該方法的最大特點(diǎn)是，“通過控制反應(yīng)條件，可在約10％的范圍內(nèi)制作所需的直徑”（產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所納米管應(yīng)用研究中心流動(dòng)氣相成長CNT小組研究組長齋藤毅）。

　　單層CNT的結(jié)晶缺陷少有助于載流子遷移率、發(fā)光效率和機(jī)械強(qiáng)度等都實(shí)現(xiàn)高水平。直徑可選意味著如果單層CNT是半導(dǎo)體型，可以選擇帶隙尺寸。因此，利用eDIPS法合成的單層CNT適合用作半導(dǎo)體材料。

　　可以全部分離的技術(shù)亮相

　　最近開發(fā)出了基本不使用電力就能分離手性各異的單層CNT的方法。那就是“柱分離法”，該方法是產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所納米系統(tǒng)研究部門首席研究員片浦弘道的研究小組開發(fā)的。據(jù)片浦介紹，“量產(chǎn)時(shí)的成本可降至密度梯度超離心分離法的1/100”。

　　該方法是向加入了醫(yī)療領(lǐng)域用于蛋白質(zhì)分離等的多孔質(zhì)凝膠的柱體，澆注含手性各異的單層CNT的溶液。這樣一來，溶液中最容易與凝膠吸附的CNT就留在了凝膠中，而其他成分被排出。

　　然后，讓排出的溶液再次通過凝膠，剩余的CNT中最容易吸附凝膠的CNT又留在凝膠中，其余被排出。

　　通過重復(fù)這個(gè)過程，單層CNT基本可以根據(jù)手性的不同全部分離。另外最近，即使手性相同，還可以根據(jù)右旋還是左旋等差異進(jìn)行分離。

　　目前的課題是，凝膠價(jià)格非常高。不過，“凝膠的原料比較便宜，因此量產(chǎn)的話就能降低單價(jià)”（片浦）。

　　“玉石混雜”的情況將結(jié)束

　　很多CNT碳元件的研究人員都對(duì)柱分離法表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的興趣。這是因?yàn)?，以前一直利用半?dǎo)體型與金屬型混合這種“玉石混雜”的材料制造元件，而現(xiàn)在突然可以利用具備特定帶隙的CNT了。有望實(shí)現(xiàn)性能非常高或者全新的元件。

　　順便一提，關(guān)于半導(dǎo)體型和金屬型的分離，NEC等也開發(fā)出了只使用很少電力的技術(shù)（圖2（d））。特點(diǎn)是，CNT分散劑采用不會(huì)對(duì)晶體管等造成影響的非離子性表面活性劑；而且直徑稍大、帶隙較小的單層CNT可以分離成半導(dǎo)體型和金屬型。

　　四、石墨烯制法新突破：將得到廣泛應(yīng)用

　　石墨烯是世界上最薄、導(dǎo)熱性最高、導(dǎo)電性最好、柔軟并透明、化學(xué)穩(wěn)定性最強(qiáng)、最堅(jiān)韌的材料將在手機(jī)顯示屏、電池、傳感器、元器件等方面給手機(jī)產(chǎn)業(yè)帶來革命性應(yīng)用。

　　它是一個(gè)只有原子厚的碳片，它類似于鉛筆芯的材料─石墨，同時(shí)它也是地球上已知的最薄、但卻比鋼還要堅(jiān)固200倍的新型材料。石墨烯不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅(jiān)硬；作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快。石墨烯具有與銅相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電效率，又有優(yōu)于其他材料的導(dǎo)熱性能。石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收 2.3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m？K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率比納米碳管或硅晶體高，而電阻率比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料第一：石墨烯是迄今為止世界上強(qiáng)度最大的材料，據(jù)測算如果用石墨烯制成厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂；第二：石墨烯是世界上導(dǎo)電性最好的材料。由于石墨烯實(shí)質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。

　　而今年，兩位俄裔英籍科學(xué)家將石墨烯成功從石墨中分離。如果說20世紀(jì)是硅的世紀(jì)，神奇的石墨烯則是21世紀(jì)新材料的寵兒。

　　去年，來自國外的部分研究機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，石墨烯這種材料擁有難以置信的光吸收能力，并且還能把吸收的光波迅速轉(zhuǎn)化為波長更短、頻率更高的激光，持續(xù)時(shí)間為幾飛秒。科學(xué)家們表示，利用這個(gè)新發(fā)現(xiàn)，未來他們可以發(fā)明更耐高溫的激光發(fā)射武器（石墨烯超耐高溫）。當(dāng)然，這個(gè)發(fā)現(xiàn)目前僅存在于實(shí)驗(yàn)室，如果科學(xué)家們建立出實(shí)體模型，將能夠增加激光發(fā)射器的使用壽命和發(fā)射功率。

　　不僅是在國外，中國在發(fā)展石墨烯激光器的道路上同樣取得令人矚目的進(jìn)展。

　　日前，泰州巨納新能源有限公司研制的商用石墨烯飛秒光纖激光器（Fiphene）問世，這也是全球首臺(tái)商用石墨烯飛秒光纖激光器。同時(shí)，該激光器還創(chuàng)造了脈沖寬度最短（105fs）和峰值功率最高（70kW）兩項(xiàng)石墨烯飛秒光纖激光器世界紀(jì)錄。

　　該產(chǎn)品被命名為Fiphene，取Fiber（光纖）和Graphene（石墨烯）兩個(gè)詞的組合。泰州巨納新能源有限公司計(jì)劃以Fiphene為平臺(tái)，推出更多石墨烯光纖激光器產(chǎn)品，將石墨烯的應(yīng)用發(fā)展向前推進(jìn)。

　　飛秒光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，包括激光成像、全息光譜及超快光子學(xué)等科研應(yīng)用，以及激光材料精細(xì)加工、激光醫(yī)療（如眼科手術(shù)）、激光雷達(dá)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的飛秒光纖激光器核心器件——半導(dǎo)體飽和吸收鏡（SESAM）采用半導(dǎo)體生長工藝制備，成本很高，且技術(shù)由國外壟斷。

　　在飛秒光纖激光器領(lǐng)域，石墨烯被認(rèn)為是取代SESAM的最佳材料。 2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者撰文預(yù)測石墨烯飛秒光纖激光器有望在2018年左右產(chǎn)業(yè)化。要實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化，需要解決高質(zhì)量石墨烯制備、大規(guī)模低成本石墨烯轉(zhuǎn)移、石墨烯與光場強(qiáng)相互作用、石墨烯飽和吸收體封裝以及激光功率穩(wěn)定控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)。泰州巨納新能源有限公司經(jīng)過多年持續(xù)研究，成功攻克了這些關(guān)鍵技術(shù)，率先實(shí)現(xiàn)了石墨烯飛秒光纖激光器的產(chǎn)品化，主要性能指標(biāo)均高于同類產(chǎn)品，具有很高的性價(jià)比和很強(qiáng)的市場競爭能力。

　　近日，一支由法、美、德三國研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)組成的國際研究團(tuán)隊(duì)利用新方法合成了高質(zhì)量石墨烯納米帶，并成功在室溫下驗(yàn)證了其非凡的導(dǎo)電性能。這種納米帶為新型電子設(shè)備的研發(fā)開創(chuàng)了新的發(fā)展空間。

　　石墨烯是一種由單層碳原子組成的材料，擁有眾多極為特殊的物理特性，室溫下電子在石墨烯材料中的移動(dòng)速度是硅導(dǎo)體的200倍。此前的研究已經(jīng)證實(shí)，碳納米管（由石墨烯卷曲而成的圓筒結(jié)構(gòu)）具有極好的導(dǎo)電性能，然而結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的碳納米管難以安裝在電子芯片內(nèi)部。因此，科研人員將研究轉(zhuǎn)向石墨烯的另外一種形式——扁平的石墨烯納米帶。

　　該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一套巧妙的辦法，成功制備出寬度僅為40納米的高質(zhì)量石墨烯納米帶。此前的石墨烯納米帶邊緣較為粗糙，這嚴(yán)重影響了其導(dǎo)電性，是阻礙石墨烯納米帶電子傳輸?shù)囊淮笳系K。為解決這一問題，研究人員在碳化硅晶體上切割出邊緣整齊的帶狀凹槽，并直接在這些凹槽上制備石墨烯納米帶。在測試新制備納米帶導(dǎo)電性的實(shí)驗(yàn)中，常溫下的電子遷移率超過了100萬cm2/Vs（每單位電場下電子的遷移速率），是應(yīng)用于計(jì)算機(jī)內(nèi)存的硅半導(dǎo)體的1000倍（通常低于1700cm2/Vs）。

　　此外，新的制備方法適用于大批量規(guī)模生產(chǎn)，并能夠保證石墨烯納米帶的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，這使得石墨烯在電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用成為可能。