自1991年被日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)以來，碳納米管就以其完美的一維結(jié)構(gòu)吸引了世界上眾多科學(xué)家的關(guān)注。關(guān)于碳納米管的研究迅速成為科技領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，并逐漸形成了制備方法研究、物理化學(xué)性質(zhì)研究和應(yīng)用研究等三大研究方向。
由于碳納米管各種優(yōu)異性質(zhì)，其應(yīng)用前景非常廣闊，可用來制作觸摸屏、單電子晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、原子力顯微鏡針尖、場(chǎng)發(fā)射電子槍、氣體傳感器、納米模板等。
清華大學(xué)范守善教授，從上世紀(jì)90年代起一直致力于碳納米材料的研究，并且在國際上處于領(lǐng)先的地位。近日，本報(bào)特采訪了清華大學(xué)納米中心主任范守善教授。本期將為您介紹碳納米管在觸摸屏方面的一些應(yīng)用。
神奇的碳納米管材料
1991年，日本nec公司的飯島澄男發(fā)現(xiàn)了碳納米管，其論文引發(fā)了人們對(duì)碳納米管極大的興趣。2002年，他因“發(fā)現(xiàn)并闡明了多壁和單壁碳納米管的原子結(jié)構(gòu)及螺旋特性，其成果對(duì)于飛速發(fā)展微型化材料和技術(shù)科學(xué)的納米和科學(xué)電子領(lǐng)域的有著巨大影響”，從而獲得了富蘭克林獎(jiǎng)?wù)?benjamin franklin medal in physics)。
碳納米管可以看做是石墨烯片層卷曲而成，因此按照石墨烯片的層數(shù)可分為：?jiǎn)伪谔技{米管(或稱單層碳納米管，single-walled carbon nanotubes，swcnts)和多壁碳納米管(或多層碳納米管,multi-walled carbon nanotubes, mwcnts)。單壁管典型直徑在0.6~2nm，多壁管最內(nèi)層可達(dá)0.4nm，最粗可達(dá)數(shù)百納米，但典型管徑為2—100nm。
物理性質(zhì)特別
范教授向《平板顯示文摘》介紹說:“碳納米管有三個(gè)很重要的性質(zhì)，一個(gè)是力學(xué)性非常好，抗拉強(qiáng)度很高，而且柔性也很好；第二個(gè)是它的導(dǎo)熱性高，特別是沿著軸向的導(dǎo)熱性；第三個(gè)是它的導(dǎo)電性比較特別，碳納米管可以是半導(dǎo)體特性的、也可以是金屬性質(zhì)的導(dǎo)電性。這是由于它形成管結(jié)構(gòu)時(shí)候的六元環(huán)的螺旋度不一樣造成的。就像是一張紙，可以對(duì)折起來，也可以用不同的角度斜著卷起來、碳納米管中的六元環(huán)的邊和卷的軸所形成的角度不一樣，就可能是半導(dǎo)體、也可能金屬特性的導(dǎo)電性。”
關(guān)于碳納米管的特性，在電特性、導(dǎo)熱性和機(jī)械特性三方面均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他材料。電特性方面，單層cnt的載流子遷移率在室溫環(huán)境下理論上為10萬~20萬cm2/vs，實(shí)測(cè)值也達(dá)到3萬cm2/vs，是硅的20~100倍。對(duì)大電流的耐性也高達(dá)銅(cu)的1000倍。
導(dǎo)熱率與其他材料相比也非常高。例如。碳納米管的導(dǎo)熱率是硅的20~30倍，是銅(cu)和銀(ag)的約10倍，即使與以前導(dǎo)熱率最高的金剛石相比，也高達(dá)其2倍左右。
機(jī)械特性方面，破壞強(qiáng)度達(dá)到鋼鐵的約20倍以上，硬度也與金剛石相當(dāng)或者更高。比表面積為1300~2600m2/g，在相同表面的材料中為最輕。
原材料便宜 制備方法簡(jiǎn)單
碳納米管的生產(chǎn)原料為甲烷、乙烯、乙炔等碳?xì)錃怏w，不受稀有礦產(chǎn)資源的限制，生產(chǎn)過程不破壞環(huán)境；碳納米管觸摸屏的生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，不需要昂貴的光刻制程，是低能耗、低成本、節(jié)水、無污染的環(huán)保產(chǎn)業(yè)。
據(jù)范教授介紹，碳納米管在觸摸屏方面的應(yīng)用，制作工藝非常簡(jiǎn)單。先把碳納米管膜鋪在基材上，然后在兩邊印好電極即可，完全不用做光刻等昂貴的工藝。利用碳納米管膜的橫向和縱向?qū)щ娦缘牟町悾粚颖∧ぞ涂梢酝瑫r(shí)判斷觸摸點(diǎn)的xy坐標(biāo)，這種觸摸屏，非常薄。范教授稱:“也可以把它貼到lcd的任何一層，我們做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候就把它貼到偏振片下。我們就是一個(gè)簡(jiǎn)單的干法、貼合，在貼膜以前，涂上膠，把它貼上去然后固化。工藝上沒有任何問題。”
正是因?yàn)樘技{米管的種種優(yōu)異性質(zhì)，除中國外，全世界范圍內(nèi)對(duì)此都加大了研究和產(chǎn)業(yè)化的步伐。如日本、美國、德國等。
清華大學(xué)碳納米管的研究
范守善教授，自上世紀(jì)90年代致力于碳納米材料的研究以來，其成就已經(jīng)在國際上處于領(lǐng)先的地位。
據(jù)范教授回憶，上世紀(jì)90年代時(shí)，他們最早用粉末的催化劑、過渡金屬，然后用cvd去生長碳納米管，長出來就是一堆，互相絞在一起。后來是長在硅襯底上，在硅襯底上鍍一個(gè)鐵膜，讓它生長。垂直長出來后，就像韭菜地一樣。這大概是他們1998年時(shí)做出的結(jié)果，是頭一個(gè)進(jìn)展。并且在science上發(fā)表了一篇文章。
但是這樣長出來的碳納米管，微觀上并不是非常的整齊，碳納米管的表面也不太干凈，還有無定型碳的沉積。后來就想辦法讓它長得更好。在生長機(jī)理方面，用了同位素標(biāo)記，搞清楚了碳納米管的微觀生長過程。機(jī)理突破了，碳納米管就可以長得很直、很整齊、很干凈，形成了一個(gè)超順的排列。這樣就有一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn):在超順排的碳納米管上，如果你在邊上起一個(gè)頭的話，就可以把直立的碳納米管拉躺下了。躺下來以后，本來是200微米高的納米管就一根一根接上了，就像蠶繭抽絲似的，就抽成了一條線。如果你起的頭夠?qū)挼脑挘统槌闪艘粡埬ぁ＿@是范教授的團(tuán)隊(duì)2002年左右實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)偶然發(fā)現(xiàn)。
開始他們實(shí)驗(yàn)室只能做小面積的，后來做到4英寸，現(xiàn)在做在8英寸硅襯底上，或是12英寸的石英襯底上。8英寸的襯底上，碳納米管大約長到200微米高，重量是400毫克。把它拉成膜，可以拉300米長。
拉成的這個(gè)膜有一個(gè)特點(diǎn)，它的導(dǎo)電是各向異性的。兩個(gè)方向的導(dǎo)電性，目前可以做到差100倍。碳納米管觸摸屏就是利用了這個(gè)特性。這個(gè)膜也是透明的，它的透明是占空比上的透明。雖然碳納米管是均勻的，但是管與管之間有空檔，這個(gè)空檔大概占到90%左右，納米管只占10%左右。
另外，這個(gè)膜可以貼合到任何的襯底上。所以他們第一個(gè)應(yīng)用就是發(fā)展到觸摸屏上。現(xiàn)在它做觸摸屏，除了透過率，它的機(jī)械性也非常好。它彎曲幾百萬次都沒有任何問題，另外敲擊它，也沒事，它本身的強(qiáng)度很高。
清華大學(xué)在碳納米管觸摸屏方面的成就
碳納米管絲線，每根線中約有一百萬根碳納米管。這條線的強(qiáng)度，可以做到2 gpa，鋼大概是幾百mpa的強(qiáng)度。
碳納米管材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程
清華-富士康納米科技研究中心于2002年5月奠基，2003年12月8日啟用，是由清華大學(xué)和富士康集團(tuán)合作的一個(gè)科研機(jī)構(gòu)。
“碳納米管透明導(dǎo)電膜”是清華大學(xué)于2002年首先發(fā)現(xiàn)的創(chuàng)新材料。它就是從“超順排碳納米管陣列”中，直接干法抽取得到的薄膜。2002~2008年，清華-富士康納米科技研究中心對(duì)碳納米管數(shù)組和薄膜的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了開發(fā)、放大，并自主研發(fā)了生產(chǎn)和檢測(cè)設(shè)備，形成了穩(wěn)定的量產(chǎn)技術(shù)。圍繞該種材料的特性、制造以及各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，清華大學(xué)已申請(qǐng)了逾4000項(xiàng)國內(nèi)外專利，其中1400余項(xiàng)已經(jīng)得到授權(quán)。
2011年，天津富納源創(chuàng)科技有限公司成立，開始建設(shè)大規(guī)模的碳納米管觸摸屏生產(chǎn)基地。目前世界上還沒有其他國家能夠批量生產(chǎn)這種材料，天津富納源創(chuàng)是世界唯一得到授權(quán)能夠生產(chǎn)此種碳納米管薄膜的企業(yè)，該廠2012年導(dǎo)入生產(chǎn)，2012年下半年出貨量達(dá)5kk，2013年全年出貨量13kk，目前其生產(chǎn)規(guī)模已達(dá)300萬片/月，2014年，其位于貴陽的碳納米管生產(chǎn)基地也開始了建設(shè)，將來其生產(chǎn)能力將進(jìn)一步增強(qiáng)。
碳納米管觸摸屏的發(fā)展時(shí)間表
碳納米管拉膜。超順排的納米管，如果在下邊起一個(gè)頭，就把它拉躺下，本來是200微米高的納米管就一根一根接上，就像蠶繭抽絲似的，就抽成了一條線。如果起的頭夠?qū)挘统槌闪艘粡埬ぁ?/FONT>
