神奇材料”石墨烯（一）：进入实用化竞争阶段，应用例不断出现

2011/01/26 00:00

2010年的诺贝尔物理学奖由成功分离石墨烯的研究人员获得。石墨烯具备很多超越单层石墨的特殊性质。旨在应用石墨烯的研发机会也在全球范围内急剧增加。石墨烯或将成为可实现高速晶体管、高灵敏度传感器、激光器、触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等多种新一代器件的核心材料。

“神仙创造的材料”。日本企业的一名技术人员如此形容单层石墨碳材料“石墨烯”。这是因为石墨烯在很多方面具备超越现有材料的特性（图1）。石墨烯的出现，有望从构造材料到用于电子器件的功能性材料等广泛领域引发材料革命。

图1：“神奇材料”石墨烯的特点

石墨烯所具备的“最强性质”（a），以及其他材料所不具备的“独特性质”（b）。

单层石墨烯的厚度非常薄，只有一个碳原子厚，约为0.34nm。但强度却与金刚石相当，非常坚硬。瑞典皇家科学院（Royal Swedish Academy of Sciences）在发表2010年物理学奖时曾这样比喻其强度，“利用单层石墨烯制作的吊床可以承载一只4kg的兔子”。还有估算显示，如果重叠石墨烯薄片，使其厚度与食品保鲜膜相同的话，便可承载2吨重的汽车。

石墨烯用作电子器件材料会带来更大效果。单层石墨烯中的电子与空穴（Hole）载流子迁移率有望在室温下最大达到硅（Si）的100倍即20万cm2/Vs。这一数值远远超过以往被认为载流子迁移率最大为7.7万cm2/Vs的锑化铟（InSb）。而石墨烯室温下的电阻值却只有铜（Cu）的2/3。人们还发现，石墨烯可耐受1亿～2亿A/cm2的电流密度，这是铜耐受量的100倍左右。载流子迁移速度很快，可达到光的1/300。传热率与金刚石相当，再加上其薄片形状，所以石墨烯作为划时代的散热材料备受期待。

有望实现超高速FET及激光器

许多研究机构及厂商已开始以具备多项穿透特性的单层石墨烯为对象，研发新一代器件的实用化（图2）。主要开发对象之一是利用石墨烯的高载流子迁移率及高迁移速度制作的THz频率的晶体管。理论上估计其工作频率可达到10THz。

图2：应用领域从原子尺寸扩大到宇宙

石墨烯的用途分为特殊尺寸用途，电子器件用途及构造体用途。部分用途与CNT重叠。

美国IBM与韩国三星尖端技术研究所（SAIT）分别在2010年12月举行的半导体制造技术相关国际会议“2010 IEEE International ElectronDevices Meeting（IEDM 2010）”上发布了通道层使用石墨烯的高速动作型RF电路用FET（电场效应晶体管）。IBM的石墨烯FET的最大截止频率高达240GHz。另外，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）已于2010年9月发布截止频率达到300GHz的石墨烯FET。

要超越截止频率达到600GHz以上的化合物半导体HEMT（高电子迁移率晶体管），两公司发布的石墨烯FET的性能还无法充分满足要求。不过，IBM的石墨烯FET的截止频率提高得很快，2008年12月只有26GHz，2009年6月达到50GHz，2010年2月提高至100GHz，此次则达到了240GHz。在不久的将来，石墨烯FET的性能很可能会达到甚至超过HEMT的同等水平。

石墨烯还能用来制造激光元件。日本东北大学电气通信研究所教授尾辻泰一的研究小组，目前正以利用石墨烯开发超高输出功率的超短脉冲激光元件为目标推进相关研究。据该大学介绍，其关注点是，石墨烯采用电子与正孔对称的能带构造，而且具备容易实现较大载流子密度的性质。

优先推进微细化

不过，目前已实用化的绝大部分石墨烯FET为放大器及高灵敏度气体传感器元件等RF电路用FET。逻辑电路用FET尚未面世。这是因为单层石墨烯没有带隙（Band Gap）。没有带隙的话，就无法充分实现逻辑电路必须的晶体管“关断（Switch Off）”功能。但最近解决这一问题的线索开始浮出水面。

日本物质材料研究机构国际纳米结构研究基地主任研究员塚越一仁，为了将石墨烯FET用作逻辑电路，目前正在研究打开带隙的条件。塚越表示，“如果硅也能进一步微细化，那么通道层最终会实现单个原子的厚度。尽管还不清楚是什么原子，但原子薄片——石墨烯的研究成果届时会成为重要的参考依据”。

触摸面板试制品不断面世

除了高速高灵敏度器件之外，透明导电膜也是最接近实用化的的应用例。设想作为目前普遍使用的ITO的替代材料，用于触摸面板、柔性液晶面板、太阳能电池及有机EL照明等。试制品也接二连三地面世。

透明导电膜这一用途备受期待的原因在于，石墨烯具备较高的载流子迁移率且厚度较薄。一般来说，高透明性与高导电性是互为相反的性质。从这一点来看，ITO正好处在透明性与导电性微妙的此消彼长（Trade-off）关系的边缘线上（图3）。这也是超越ITO的替代材料迟迟没有出现的原因。

图3：既能透过光线也能通过电流

对理想的石墨烯与现有透明电极材料及导电材料进行了比较。石墨烯在面方向上具有充分的载流子密度和迁移率，法线方向上仅为单原子厚度，因此可透光。

石墨烯在理论上有望避开这种此消彼长的关系成为理想的透明导电膜。其原因是，由于载流子迁移率非常高，即使载流子密度较低，导电性也不容易下降。而载流子密度较低的话，会比较容易穿过更大波长范围的光。相当于单个原子的超薄厚度同样有助于提高透明性。不仅是可见光，石墨烯还可透过大部分红外线，这一性质目前已为人所知。

因此，对于还希望利用红外线来发电的太阳能电池而言，石墨烯有望成为划时代的透明导电膜。与不适于弯曲的ITO相比，还具备柔性较高的优势。

不过，透明导电膜目前还存在很多问题。由于制作大面积石墨烯时会混入很多杂质及缺陷，因此大多数试制品的导电性及透明性都未达到ITO的水平（图4）。即便如此，石墨烯仍有望用来制作触摸面板。（未完待续，记者：野澤 哲生）

图4：已有多个透明导电膜试制例

（a）为产综研以石墨烯为透明导电膜制作的触摸面板。（b）为使用CNT的例子。（c）表示试制例的性能及用途。（a）由产综研提供。