互动科普

刷新消费电子碳纳米网

翻译  郭凯声

撰文  乔治·格鲁纳（George Gruner）

碳元素是地球上所有生命的基础，但在众多经典的科幻故事中，外星生物几乎全部由硅这种现代电子技术的核心元素构成的。科学家甚至猜测，将来我们可能创造出由硅组成的生命形式。不过，眼下的情景恰恰相反：碳不但没有被硅取代，反而闯进了一直由硅统治的地盘，大有取而代之、成为电子器件基础元素之势。多年来，科学家一直在全力探索如何制造成本低廉、功能多样的柔性电子产品，碳在电子领域的迅速崛起恰好为这一研究方向注入了新的活力。

碳在电子领域的异军突起也许令很多人大感意外，因为他们在中学时就学过，以石墨和金刚石形态存在的碳，导电性能并不出色。但在过去的15年间，研究人员发现了碳的许多新型形态，这些微观结构由成百上千个碳原子构成，电子在其中可以畅行无阻。其中特别引人关注的要算碳纳米管，这种碳分子的形状酷似卷曲的铁丝网，不过它用的“铁丝”是极薄的一层碳原子，粗细仅为真正铁丝的亿分之一。

研究人员发现，由碳纳米管组成的随机网络——纳米网（nanonet）——具备多种多样的基本电子功能。研究人员借助一些新颖的化学技巧，可以让碳纳米网模仿金属（比如铜）的导电性，也可以模拟半导体（比如硅）的导电性。利用此类技巧，这种百变碳结构就可以在各种电子器件中独立发挥不同的作用。

此外，工程师也可以用简单的制造工艺来生产这类碳基器件。研究人员可以把纳米管溶解在液体中，然后将溶液喷涂在柔性塑料板的表面上，形成一层薄膜；还可以把这类材料涂在或印在具有不同电子性能的其他物质上（例如某种加上电压便会发光的材料）。

很容易想象，这类简单的碳结构可以为许多价格低廉、使用方便的电子产品的制造奠定基础。例如，化学传感器和佩戴式电子装置；可以像普通报纸一样卷起来的“电子纸”；可以印在屋顶瓦片上的太阳能电池；以及各种用来管理仓库存货的射频识别（RFID）传感器。这类场合如果还要使用价格昂贵、处理速度快如闪电的集成芯片（如英特尔奔腾系列处理器或三星视频显示芯片等），那真是大材小用了。世界各地的研发实验室和新兴公司正在各显神通，力争以尽可能低的成本制造出足够好的材料（见第69页上的表格）

如此令人心动的应用，对现今的电子材料提出了非常苛刻的要求。它们不但要能导电，还必须有良好的柔性，重量要轻，成本要低，还得是透明的（至少在用于太阳能电池和显示器这类场合时必须是透明的）。大多数导体是金属，而金属通常不透明。相反，金刚石之类的材料制成的薄膜虽然透明，却不导电。不过，金属氧化物这类特殊金属能够透光，最有名的要数氧化铟锡（indium tin oxide）了。在工程师们需要透明电极的场合，这种金属氧化物常常能派上用场。然而它成本不菲、重量太大、脆弱易碎，而且必须使用价值数十亿美元的设备在高温下加工生产。

另一种备选材料是一类与众不同的塑料——导电聚合物。一般的塑料是不导电的，但近几十年来，化学家们使出了各种招数来改造塑料，终于将某些高分子聚合物转变成了半导体，乃至完全的导体。聚合物可以采用常温工艺来制造。这类材料重量轻，柔性好，不费吹灰之力就可以做成各种各样的形状，而且价格相当便宜。不过塑料聚合物也有软肋：在大多数塑料中，把原子结合在一起的化学键强度都相当低，很容易断裂，因此时间一长这些塑料就会降解。试想，如果太阳能电池在暖和的阳光下晒了几天就寿终正寝，这样的电池还有多大用处呢？

最好的导线

碳纳米管的导电性可以与铜媲美，能承受的电流强度则超过性能最佳的金属百倍，不与一般的化学物质反应，能够长年使用。

因此，碳纳米导线应运而生。早在几十年前，科学家就发现了碳纳米管，但当时没有人意识到这些另类碳结构的价值。直到1991年，日本NEC公司的化学家饭岛澄男（Sumio ljima）又再次把这些宝贝发掘了出来。这些极其微小的碳管直径在1纳米左右，与DNA分子双螺旋结构中一条DNA链的粗细相当（见上面的插图）。碳纳米管的导电性可与铜媲美，超出任何聚合物好几个数量级。另外，碳纳米管所能承受的电流强度为性能最佳金属的百倍以上。此外，这种纳米管十分结实耐用，它可以轻易弯曲，不与一般化学物质发生反应，长年累月地使用也不会受损变质。

纳米管的制造过程是这样的：首先利用电弧或激光的热量，把煤还原成碳原子，形成所谓的碳云（carbon plume）；然后借助催化手段来处理碳云，制造出各种各样的碳分子。这种相对来说比较简单的加工方法得到的烟灰，含有多种形式的碳分子，包括俗称“巴基球”（buckyball）的球状碳分子和其他各种碳笼分子，当然也少不了碳纳米管。下一步则要把纳米管从这堆碳分子的大杂烩中分离出来。分离技术的重点在于，提取形状细长、近于完美的单壁纳米管（而不是有着多层同心管壁的纳米管）。这项工艺非常繁琐，眼下适用的纳米管价格奇贵，但厂家深信，纳米管应用的普及将会剌激人们投资建造大规模生产纳米管的设施，以满足日益增长的市场需求，到那时纳米管的成本自然会大幅度下降。

如果我们用单根纳米管建造一只晶体管，虽然它的性能可以轻松超过现今电脑硅芯片上任何晶体管的性能。（晶体管是现代电子技术的核心元件，它在电路中起着电压驱动开关的作用。）但可以预见，将来这类单根碳纳米管不会取代硅和铜。单根纳米管难普及的主要障碍在于它的制造工艺难度极大，这是影响纳米技术产业化进展的最棘手问题之一。现今用单根纳米管打造的器件往往需要人工组装，因此可能要用几天的时间才能制作完成，大大降低了生产效率。另外，这类器件还存在着个体差异的问题，各纳米管的形状和构型总是略有差别，因此不同器件的性能通常也不一致。

编织纳米网络

用碳纳米管随机组成网络，不但可以保持良好的导电性，还具有极强的容错能力，在大多数电子应用中占据优势。

尽管单根纳米管各不相同，不过研究人员意识到，同时使用多根纳米管或许可以抵消彼此间的差异，部分纳米管中存在的缺陷也可以通过其他性能更好的纳米管来弥补。实现这一构想最简单的例子，就是由纳米管组成的随机网络（参见第64页插图）。纳米管随机网络与高速公路网异曲同工：当你在高速路上遇到塞车时，你可以另找一条路绕过去。与此相仿，导电纳米管随机组合形成的纳米网也为电子提供了分流路径，从而加快了电子的传输速度。研究人员很快就发现，这种二维随机网络本身就具有一系列有趣的特性。

首先，由于纳米网中有多条路径和接头，即使存在制造缺陷，各电极之间也绝对能够保持良好的导电性。我们可以把纳米网形象地比喻为高速路网。没有人愿意徒步，或者在红绿灯林立、平交道口遍布的慢车道上驱车穿过城市，走高速路也就成为每个人的第一选择。这个道理同样适用于纳米网。在纳米网中电子可以一头钻进纳米管，在纳米尺度的高速路网上任意驰骋。其次，纳米网中路径纵横密布的特性还使得它对故障有相当高的承受能力，即具有良好的容错性能。如果一条路径因断开而无法使用，其他路径会马上接替它。

导电纳米网就是所谓“渗流原理”的一个具体实例。渗流原理可以解释各种物体、材料或电流是如何穿过一种随机介质的。如果我们把牙签一根一根地扔在桌子上，只扔几根，那么这些牙签碰巧一根接一根，从桌面一侧连接到另一侧的可能性简直微乎其微（事实上，当牙签密度低于某一临界值时，可能性基本为零）；但如果不断地把牙签扔到桌上，牙签密度最终将会超过临界值，发生所谓的渗流相变（percolation transition），第一条渗流通道就会悄然形成，随后更多的通道也接二连三地现身。如果将这个比喻中的牙签换成一根根铜丝，那么铜丝也能在某一时刻形成一条贯穿桌面的导电通道，它能承受的电流强弱则取决于桌面上铜丝的密度。理论工作者早在若干年前就研究过这种构想，而我在美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的研究小组则详尽地描绘了纳米管网络中的渗流相变过程。

纳米网还可组成高度透明的结构，使它在需要透光的应用场合占了很大的优势。不管高速公路有多宽，它的占地面积也只是整个地区面积的一个零头。与此相仿，由细长丝状物交织而成的网络肯定也留出了足够的空间，让大部分入射到网络上的光能够畅通无阻地穿过。对于基本上可视为一维形状的纳米丝来说，透光率接近100%。

纳米网还具有结实耐用的优点。一种材料被做成纳米丝网状结构后，往往比这种材料本身更不容易断裂。有些场合要求产品对日常频繁使用有较强的承受能力，此时纳米网结构就一枝独秀了。想想你的手机或iPod摔过多少次，谁不希望拥有一款经得起摔打的产品呢?

两个瓶颈

碳纳米管要取代传统材料，还必须在提高功能和降低成本两个方面取得突破。

这些性能上的优势预示着纳米网的应用前途无量。但是任何一种新材料要想取代传统材料，那就必须在提高功能和降低成本两方面更上一层楼。几年前，我的研究小组和其他一些研究团队——比如德国马普固态研究所（位于斯图加特市）的物理学家西格马尔·罗思（Siegmar Roth）小组和美国得克萨斯大学奥斯汀分校的一个团队——制造的纳米管薄膜尚不足以承担这样的重任。如何优化加工工艺，怎样最有效地把纳米管淀积在表面，这些都不是轻而易举就能解决的问题。

很显然，我们不可能像扔牙签那样，一次扔下一根纳米管来制造这类网络薄膜，必须另辟蹊径。比如，可以把纳米管溶解在某种溶剂中（水、酒精、有机液体等），然后把溶液喷涂到某个表面上。不过要实施这种方法并不容易。混杂在液体中的纳米管通常会成束地聚集在一起，需要用一种化学添加剂才能把它们分开。有些表面活性剂（比如肥皂）可以把一根根纳米管包裹起来，迫使它们分开，但在喷涂到某一表面上之后，如果表面活性剂仍缠住纳米管不放，就会妨碍电子在纳米管之间流动（就像阻塞了高速公路的进出坡道一样）。不过，通过对不计其数的溶剂、表面活性剂及加工工艺进行反复试验，研究人员终于摸索出了常温下制造这类纳米管网络薄膜的简单方法。我的研究小组和美国佛罗里达大学化学家安德鲁·林兹勒（Andrew Rinzler）领导的小组开创了一种方法，已经能生产出比较理想的纳米网薄膜。在现有的纳米网设备中，我们的薄膜电阻最低，性能首屈一指。

在对纳米网的导电性进行试验的过程中，研究人员意识到纳米网可以制成一种透明的材料。对于显示器和太阳能电池等应用来说，这种特性十分重要。2001年，瑞士联邦理工学院莱昂纳多·德乔治（Leonardo Degiorgi，曾是我的博士后同窗）的团队，和美国佛罗里达大学物理学家戴维·坦纳（David Tanner）及其同事，研究了纳米网的光学特性，终于找到了它们能够透光的线索。为了精确测定纳米网的导电性，他们制造了厚膜。这种膜由于太厚而不能透光，但是根据厚膜的测量数据，他们得出了这样一个结论：较薄的纳米网膜不但透明，而且可以导电。基于这种结论，我的研究小组和林兹勒的研究小组随即对纳米网薄膜的光学特性进行了直接测量。现在，科学家可以根据需要量身打造纳米网薄膜，比如通过改变纳米管密度制造具有不同透明度的薄膜，或者通过改变薄膜的厚度来改变薄膜的导电性。

纳米网晶体管

科学家们致力于用碳纳米网来制造新型晶体管。这种晶体管在性能上可以与硅晶体管一争高下，体积却远远小于后者。

不久以后，研究人员就把注意力从纳米网导体的制造，转向了纳米网半导体的开发。这类半导体有可能成为新型晶体管的基础。晶体管对材料的导电性能有很高的要求：当输入信号仅有微小改变时（例如电场出现细微变化)，材料的导电性必须产生大幅度的变化（见左框图）。

碳纳米网可以成为薄膜场效应晶体管（thin-film field-effect transistor）的主要部件，这一主张是在7年多以前提出的。此后该领域的进展就相当迅速了。相关的各个技术难题，比如在柔性基质上制造纳米网、调节纳米网的透明度等，相继被攻克。2003年，美国加利福尼亚Nanomix公司（我曾任该公司的首席科学家）的研发小组制造出了纳米网晶体管；与此同时，美国海军研究实验室（Naval Research Laboratory，位于华盛顿特区）的材料专家埃里克·斯诺（Eric Snow）领导的一个小组也取得了同样的成果。但这些晶体管是在刚性的玻璃基片上制作的，加工温度高达900℃。这种工艺根本无法用在柔性的塑料基片上，因为塑料被加热到120℃时就熔化了。

同样是在2003年，Nanomix公司的研究人员基思·布拉德利（Keith Bradley）和让-克里斯托夫·加布里埃尔（Jean- Christophe Gabriel）与我的U.C.L.A研究小组合作，在塑料上制造出了首批柔性纳米网晶体管。此后不久，我在U.C.L.A的同事又与德国马普固态物理研究所的罗思小组进行合作，制造出了透明的纳米网晶体管，从而使这种晶体管适用于便携式视频显示器。仅仅几个月后，美国伊利诺伊大学的物理学家约翰·罗杰斯（John Rogers）及其同事也取得了类似的成果。

虽然这些场效应晶体管运行速度很快（这是衡量晶体管性能的关键指标），但晶体管的其他一些特性，例如能在低压下正常运行的能力，它们却并不具备。我们的目标，是让晶体管在低于常规电池供电的电压下运行，以达到省电的目的。这一目标直到不久以前，才由罗杰斯和美国西北大学的物理学家托宾·马克斯（Tobin Marks）实现。他们的方法是，采用特制的聚合物使晶体管的导电元件绝缘。

用途广泛

新兴的碳纳米网行业的发展，正处于硅芯片行业50年前的那个起步阶段。利用它制造的新型电子将拥有更好的性能，而且成本更低。

碳纳米网可以在多种便携数码产品中发挥与众不同的优势。在这些应用领域中，碳纳米网目前的竞争对手包括有机金属或聚合物金属构成的薄膜，以及某些半导体材料。只要比较一下，碳纳米网的优势便一目了然了。用于这些场合的电子材料必须具有良好的导电性（否则流过材料的电流会有很大一部分变成热量而被白白浪费），而且还需拥有较高的透光性能（因为在显示器等应用中，用户需要看见显示器下面的显像层）。

有了这些性能优异的材料，我们便能开发出许多成本低廉的一次性电子产品了。光电池便是其中一例。传统太阳能电池由单晶硅制造，性能优异，转换效率高达18%（即可将18%的入射光转换为电能），但缺点是比较笨重，生产成本居高不下。相反，用纳米网制造的光电池则薄如刀片，制造成本远低于太阳能电池，可以轻而易举地实现大面积太阳能发电系统的批量生产——这些优点足以抵销它们转换效率低下（仅能把5%～6%的入射太阳光转化为电能）的缺点了（参见第65页插图）。

阳光射到太阳能电池上时，会在太阳能电池的中间层内撞出电子，同时产生与电子对应的带正电的空穴。随后电子流向一个电极，为各种电器提供电力，最后通过另一个电极返回来与空穴复合，形成电流的完整回路。有几家公司目前正在致力研究高级聚合物和其他各种集透明与柔性于一身的材料，以改进太阳能电池的活性层（即产生电荷的那一层）。在美国斯坦福大学迈克尔·麦吉（Michael McGehee）的材料科学研究小组和奥地利林茨大学的物理学家尼亚齐·塞尔达尔·萨里塞福茨（Niyazi Serdar Sariciftci）的通力合作下，我的U.C.L.A研究小组制造出了概念论证型的柔性太阳能电池，其纳米网电极所展示的性能已经可以同氧化铟锡的性能相媲美了。

目前，研究人员也在考虑，将价格低、柔性好、重量轻的纳米网薄膜材料，用作新一代触摸屏或视频显示器的核心元件。例如，触摸屏可以用两片电极做成，两片电极之间用绝缘层隔开。当手指按在顶层电极上的某一点时，上下两片电极便合在一起，形成一个导电回路。触点不同，形成的导电回路也各不相同，这是由印制在底层电极上的平滑导电材料薄层所决定的。我的研究小组与U.C.L.A.的理查德·卡纳（Richard Kaner）研究小组合作，制作并测试了概念论证型的纳米网触摸屏。

纳米管在发光二极管中也有用武之地。发光二极管与光电池颇为相似，只不过工作原理刚好颠倒了过来——光电池是受到光照射时产生电流，而发光二极管则是有电流流过时发光。不久前，我的研究小组与西北大学马克斯的研究小组合作，演示了概念论证型的发光二极管，它们的性能极为优异，完全可以满足诸如电视机之类的应用要求。加拿大蒙特利尔大学理查德·马特尔（Richard Martel）领导的一个研究小组也获得了类似的成果。

此外，纳米网制作的晶体管还可用于印刷电子产品中。测试表明，碳纳米网的运行速度略慢于单晶硅（目前大多数集成电路芯片的制造材料），但是与聚合物相比，它们的导电性好，经久耐用，这两大优点使它们对设备制造商很有吸引力。虽然纳米管薄膜现在还不能用于笔记本电脑和电视机中，但是它们在其他产品中完全可以与硅等聚合物材料一争高下——特别是那些必须用廉价、柔软、轻巧、有利环保、经得起野蛮使用的材料来制造的产品。预计利用碳纳米网制造的第一款实用产品，将是大面积视频显示器，即有源矩阵显示器（active-matrix display，一种新型柔性显示器，即所谓的“电子纸”）。这种显示器中的晶体管必须有足够快的运行速度，以便图像能够迅速刷新。

当然，使用这类显示器的便携装置也需要电源，比如廉价、轻巧、薄如刀片、用完即扔的电池和超级电容器。纳米网在这些电源装置中也可以发挥重要的作用，不仅可以充当电极，而且可以用来制作高表面积元件，以便收集电荷并存储起来，供今后放电时使用。

上面介绍的这些可行性研究很快就会变成一系列实用的原型装置，并最终转化为成熟的产品——这一点几乎没人怀疑。新兴的碳纳米网行业的发展，正处于硅芯片行业50年前的那个起步阶段。纳米管的性能正在获得稳步的改进，研究人员把导电性堪与金属媲美的纳米管与半导体纳米管甄别开来的工作也进行得十分顺利，这将使纳米管器件的性能得到进一步提升。与此同时，研究人员在纳米管性能微调技术上也取得了进展，他们开发出一种与硅芯片掺杂工艺类似的技术，在纳米管中加入某些特定分子，以精准操控它们的电气特性。许多观察家深信，这类薄膜超越传统金属的性能，进而闯入至今一直由硅独霸的数码电子技术领域，只是迟早的事情。