碳元件的實(shí)用化始于透明導(dǎo)電膜，然后延伸到濕度傳感器等多種傳感器領(lǐng)域，未來(lái)2～3年后蓄電池和電容器也將實(shí)現(xiàn)碳化。2020年前后，圖像傳感器和RFID標(biāo)簽、10年后高性能微處理器也將使用“碳”制造。

采用碳納米管（CNT）和石墨烯的電子部件及光學(xué)部件（碳元件）的開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)在全球愈演愈烈。新元件接連發(fā)布，而且開(kāi)發(fā)速度越來(lái)越快。碳元件種類(lèi)繁多，比如（1）采用透明導(dǎo)電膜的觸摸面板、（2）傳感器、（3）燃料電池、充電電池和電容器的電極、（4）存儲(chǔ)器、（5）通過(guò)轉(zhuǎn)印和印刷制作的IC及微處理器、（6）瞄準(zhǔn)后硅時(shí)代的超高集成IC、（7）光敏元件、（8）發(fā)光元件、（9）功率半導(dǎo)體，等等。

這些產(chǎn)品的實(shí)用化時(shí)間因技術(shù)難度和市場(chǎng)需求等各不相同。（1）已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)，（2）～（4）計(jì)劃在3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，（5）～（9）預(yù)計(jì)在2020年前后或更晚一些實(shí)用化。CNT與石墨烯你追我趕EU的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“Graphene Flagship”給出了采用石墨烯的碳元件的具體時(shí)間表（圖1）。光激勵(lì)發(fā)光元件大多在2020年前后，邏輯IC在2025年前后開(kāi)始實(shí)用化。

CNT與石墨烯你追我趕

圖1：碳元件將席卷電子和光領(lǐng)域歐洲EU就石墨烯開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“Graphene Flagship”提出的開(kāi)發(fā)藍(lán)圖。預(yù)計(jì)透明導(dǎo)電膜將率先實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。實(shí)際上，2013年三星泰科采用石墨烯試制了達(dá)到實(shí)用化水平的觸摸面板。石墨烯在光子用途尤其占優(yōu)勢(shì)。而CNT在電子領(lǐng)域擁有優(yōu)勢(shì)。CNT晶體管等有望比石墨烯率先實(shí)用化。

采用基本特性與石墨烯相似的CNT的碳元件，實(shí)用化時(shí)間估計(jì)也與石墨烯差不多。不過(guò)，二者有三點(diǎn)不同。

首先，CNT不同于石墨烯，在自然狀態(tài)下具備帶隙，適合邏輯IC用晶體管和TFT。用于電子紙和平板電腦的CNT TFT有望遙遙領(lǐng)先于石墨烯，在2020年之前就實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。

其次，CNT的形狀為一維狀，而石墨烯擴(kuò)展為二維狀。因此，石墨烯適用于靈敏地檢測(cè)外部刺激的用途。極有可能幾年內(nèi)在醫(yī)用傳感器等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)用化。

最后，作為光激勵(lì)發(fā)光元件，CNT因帶隙原因可利用的波段有限，而石墨烯能在廣泛的波長(zhǎng)范圍內(nèi)利用。在光敏元件中，石墨烯將率先擴(kuò)大使用。

不過(guò)，解決這種適用或不適用的技術(shù)也在開(kāi)發(fā)中，克服缺點(diǎn)獲得新性能的例子已經(jīng)出現(xiàn)。

觸摸面板圍繞量產(chǎn)性展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)

在柔性觸摸面板領(lǐng)域，CNT版先發(fā)制人（圖2）。華為的智能手機(jī)2013年采用的CNT觸摸面板由中國(guó)富納源創(chuàng)開(kāi)發(fā)，該公司2008年就試制了該面板，敏捷的行動(dòng)速度取得了成效。

圖2：觸摸面板開(kāi)始上市

采用CNT或石墨烯的觸摸面板產(chǎn)品及試制示例。開(kāi)發(fā)（a）的觸摸面板的富納源創(chuàng)已從2011年開(kāi)始量產(chǎn)。東麗預(yù)定2014年內(nèi)量產(chǎn)（b）。三星泰科沒(méi)有公布量產(chǎn)時(shí)間（c）。

估計(jì)接下來(lái)出場(chǎng)的是東麗，該公司計(jì)劃2014年供貨采用雙層CNT的電阻膜式觸摸面板?？刹捎矛F(xiàn)有涂布裝置，以卷對(duì)卷（R2R）方式量產(chǎn)寬一米以上、長(zhǎng)幾百米的透明導(dǎo)電薄膜。

而石墨烯版觸摸面板雖然在圖案制作方面占優(yōu)勢(shì)，但在量產(chǎn)技術(shù)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如CNT。

將實(shí)現(xiàn)以往100倍的感度

有望在幾年內(nèi)實(shí)用化的傳感器方面，采用石墨烯的開(kāi)發(fā)案例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CNT（圖3）。感度和響應(yīng)性達(dá)到現(xiàn)有技術(shù)100倍以上的情況屢見(jiàn)不鮮。

 
圖3：利用石墨烯的傳感器將實(shí)現(xiàn)出色的性能本圖為利用石墨烯的傳感器開(kāi)發(fā)示例。諾基亞的濕度傳感器響應(yīng)性非?？欤╝）。石墨烯MEMS共振器正針對(duì)微量材料的測(cè)量用途進(jìn)行開(kāi)發(fā)（b）。硅環(huán)型光調(diào)制器可將通信性能提高至數(shù)十倍（c）。（圖（c）由NTT提供，圖片由各公司拍攝）例如，諾基亞2013年11月發(fā)布的柔性濕度傳感器的響應(yīng)性還不到0.1秒，達(dá)到了10秒以上的現(xiàn)有產(chǎn)品的100多倍。

“也許可用于利用呼吸的用戶(hù)界面”（諾基亞）等，有望擴(kuò)大新用途。

電池和電容器：面向電極量產(chǎn)“魔法粉”

有望繼透明導(dǎo)電膜和傳感器之后實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的是電池類(lèi)。可作為燃料電池、雙電層電容器（EDLC）、鋰離子充電電池的電極導(dǎo)電輔助劑使用（圖4）。NEC已開(kāi)始面向鋰離子充電電池量產(chǎn)直徑為2～5nm、介于CNT和富勒烯中間的材料“碳納米角”。號(hào)稱(chēng)是能“大幅提高性能的魔法粉”。

日本貴彌功公司在EDLC“納米混合電容器（NHC）”中，利用多層CNT實(shí)現(xiàn)了約30Wh/L的能量密度，是現(xiàn)有產(chǎn)品的3倍。計(jì)劃2015年之前量產(chǎn)。

該公司預(yù)計(jì)，普通電容器的電極也將使用單層CNT（圖4（c））。單層CNT的合成利用日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所和日本瑞翁（Zeon）等開(kāi)發(fā)的“超速成長(zhǎng)（SG）法”。日本貴彌功理事、技術(shù)本部基礎(chǔ)研究中心長(zhǎng)玉光賢次介紹說(shuō)，“利用SG法合成的單層CNT雜質(zhì)少，因此無(wú)需粘合劑即可與鋁集電體粘合”。這樣的話(huà)，（1）鋁集電體與CNT間的接觸電阻減少，輸出密度提高至3倍；（2）對(duì)高電壓的耐性提高，能量密度也隨之提高。