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、電學和化學性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應用前景也不斷地展現(xiàn)出來。碳納米管具有高傳熱、高導電性優(yōu)良、碳納米管具有良好的力學性能，CNTs抗拉強度達到50～200GPa，是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6，至少比常規(guī)石墨纖維高一個數(shù)量級；它的彈性模量可達 1TPa，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的5倍。碳納米管是目前可制備出的具有最高比強度的材料。若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成復合材料，可使復合材料表現(xiàn)出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給復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)也取得了巨大進展，今后有望實現(xiàn)以前無法實現(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用化主要取決于CNT和石墨烯等材料的品質(zhì)及價格。現(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10多萬日元的單層CNT價格能通過量產(chǎn)降低，利用單層CNT的碳元件就會增加，從而促進單層CNT的價格進一步降低，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)。名城大學設立的風險企業(yè)——名城納米碳公司建設了采用該技術(shù)的量產(chǎn)工廠，于2014年2月投入使用。“采用eDIPS法一小時可合成一克單層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)啟動了長12m的大型驗證工廠。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。因為可合成的單層CNT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法是化學氣相法（CVD）的一種，從反應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90～95％，遠遠高于原來的合成方法。CNT的直徑比較細，只有1n～2nm。

　　該方法的最大特點是，“通過控制反應條件，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用研究中心流動氣相成長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)光效率和機械強度等都實現(xiàn)高水平。直徑可選意味著如果單層CNT是半導體型，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。

　　通過重復這個過程，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行分離。

　　目前的課題是，凝膠價格非常高。不過，“凝膠的原料比較便宜，因此量產(chǎn)的話就能降低單價”（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柱分離法表現(xiàn)出了強烈的興趣。這是因為，以前一直利用半導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。有望實現(xiàn)性能非常高或者全新的元件。

　　順便一提，關于半導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））。特點是，CNT分散劑采用不會對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可以分離成半導體型和金屬型。

　　四、石墨烯制法新突破：將得到廣泛應用

　　石墨烯是世界上最薄、導熱性最高、導電性最好、柔軟并透明、化學穩(wěn)定性最強、最堅韌的材料將在手機顯示屏、電池、傳感器、元器件等方面給手機產(chǎn)業(yè)帶來革命性應用。

　　它是一個只有原子厚的碳片，它類似于鉛筆芯的材料─石墨，同時它也是地球上已知的最薄、但卻比鋼還要堅固200倍的新型材料。石墨烯不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬；作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯具有與銅相當?shù)膶щ娦剩钟袃?yōu)于其他材料的導熱性能。石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收 2.3%的光；導熱系數(shù)高達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度最大的材料，據(jù)測算如果用石墨烯制成厚度相當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：石墨烯是世界上導電性最好的材料。由于石墨烯實質(zhì)上是一種透明、良好的導體，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，兩位俄裔英籍科學家將石墨烯成功從石墨中分離。如果說20世紀是硅的世紀，神奇的石墨烯則是21世紀新材料的寵兒。

　　去年，來自國外的部分研究機構(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)時間為幾飛秒。科學家們表示，利用這個新發(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）。當然，這個發(fā)現(xiàn)目前僅存在于實驗室，如果科學家們建立出實體模型，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，這也是全球首臺商用石墨烯飛秒光纖激光器。同時，該激光器還創(chuàng)造了脈沖寬度最短（105fs）和峰值功率最高（70kW）兩項石墨烯飛秒光纖激光器世界紀錄。

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

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

　　在飛秒光纖激光器領域，石墨烯被認為是取代SESAM的最佳材料。 2010年諾貝爾物理學獎獲得者撰文預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，成功攻克了這些關鍵技術(shù)，率先實現(xiàn)了石墨烯飛秒光纖激光器的產(chǎn)品化，主要性能指標均高于同類產(chǎn)品，具有很高的性價比和很強的市場競爭能力。

　　近日，一支由法、美、德三國研究機構(gòu)和大學組成的國際研究團隊利用新方法合成了高質(zhì)量石墨烯納米帶，并成功在室溫下驗證了其非凡的導電性能。這種納米帶為新型電子設備的研發(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速度是硅導體的200倍。此前的研究已經(jīng)證實，碳納米管（由石墨烯卷曲而成的圓筒結(jié)構(gòu)）具有極好的導電性能，然而結(jié)構(gòu)較為復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。

　　該研究團隊設計出一套巧妙的辦法，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，這嚴重影響了其導電性，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電性的實驗中，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），是應用于計算機內(nèi)存的硅半導體的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域的廣泛應用成為可能。