利用已發現20多年的碳納米管和發現10年的石墨烯等微細碳材料，電子部件終于開始實用化。包括最近性能大幅提高的金剛石半導體在內，“碳電子”將大大改變電子部件和電子電路的形態。

　　“我的夢想是用碳(C)取代硅(Si)，實現全部用碳制造電子電路的全碳化”、“3000年前是青銅器(Cu)時代，20世紀前半期是鐵(Fe)時代，之后是硅時代，而今后將是碳時代”。

　　一位碳材料研究人員就研究的意義和目標如此說道。尤其是電子電路的全碳化，可以說是碳材料研究人員的共識。如今，這個夢想正朝著實現奮進。如果全碳化成為現實，電子產品將比現在更輕量、更結實，柔性產品也能實現超高性能，而且價格會大幅降低。

　　鴻海開發，華為采用

　　碳化的動向似將從電子產品的外圍向中心進發。個人電腦等的機殼材料就常使用碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)。其最大優點是，既輕又結實。

　　在電子產品的內部，碳作為導電材料的使用雖未能取得進展，但2013年中期終于在觸摸面板和太陽能電池等上開始了實用化。觸摸面板配備在了中國華為技術有限公司于2013年5月上市的智能手機上。

　　觸摸面板的開發商是臺灣鴻海精密工業在中國大陸的集團公司——中國富納源創(CNTouch)。為高度兼顧透明性和導電性而采用了管狀碳材料——碳納米管(CNT)。

　　備注：

　　碳納米管(CarbonNanotube)即管狀碳材料。把碳原子以蜂窩狀相連的薄膜(石墨烯)再制成管狀。管的直徑細至0.4nm～50nm。根據把薄膜卷成管狀的方法的不同(手性)，分為金屬型和半導體型。半導體型的帶隙因直徑而異。碳納米管是名城大學研究生院理工學研究科教授、NEC特別研究員飯島澄男1991年發現的。

　　太陽能電池方面，從前有機薄膜太陽能電池就一直將稱為富勒烯*的足球狀碳材料作為n型半導體使用。經過長期的研究開發，2013年三菱化學開始量產并開始了樣品供貨。

　　富勒烯(Fullerene)即組成五元環或六元環的碳原子相互連接形成的球狀或橢球狀材料的總稱。共計由60個碳原子組成球狀的材料稱為C60。C60的五元環和六連環的連接形態與足球相同。該材料發現于1985年，三位發現者獲得了1996年的諾貝爾化學獎。

　　后硅時代的有力候補 

　　不僅如此，已完成開發、只等著上市的材料和部件接連不斷地涌現。電容器、存儲器、各種高性能傳感器等部件也開發出了采用薄膜狀碳材料CNT和石墨烯*的產品。性能十分高，如果材料量產成本降低，便能立即實用化的開發案例非常多。

　　備注：

　　石墨烯(Graphene)=六個碳原子組成六元環，然后再相連形成蜂窩狀薄膜的材料。也是構成石墨的基本單位。認識這種基本單位是在1962年，但從石墨中以不含雜質的形式分離出來是在2004年。是用膠帶轉印的機械剝離法實現的。實現了分離，而且探明了大量特殊物理性質的兩人獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。

　　金剛石半導體的實用化也在研究人員的考慮之中。意在以前只能使用真空管的用途。比如用于電力系統控制和電視臺發射塔的高耐壓控制元件等。

　　接下來，可以稱之為全碳化的核心、用碳材料實現超越硅極限的高性能IC和微處理器的技術也看到了曙光。目前已經集成出了CNT晶體管，試制了原始的微處理器，并確認了工作情況。

　　IBM公司表示，利用CNT晶體管和現有的半導體制造工藝，有可能實現與目前的高性能微處理器相匹敵的晶體管集成度。正以本世紀20年代上半期實現實用化為目標推進開發。

　　材料潛力超高

　　碳材料受到關注，全碳化目標備受矚目主要有兩大理由。(1)碳材料的基本特性遠遠高于其他材料、(2)碳為常見元素，采購成本低。

　　關于(1)，在電特性、導熱性和機械特性三方面均遠遠高于其他材料。電特性方面，單層CNT和石墨烯的載流子遷移率在室溫環境下理論上為10萬～20萬cm2/Vs，實測值也達到3萬cm2/Vs，是硅的20～100倍。對大電流的耐性也高達銅(Cu)的1000倍。

　　導熱率與其他材料相比也非常高。例如，CNT和石墨烯的導熱率是硅的20～30倍，是銅(Cu)和銀(Ag)的約10倍，即使與以前導熱率最高的金剛石相比，也高達其2倍左右。

　　機械特性方面，破壞強度達到鋼鐵的約20倍以上，硬度也與金剛石相當或者更高。比表面積為1300～2600m2/g，在相同表面的材料中為最輕。

　　還有潛力作受光元件

　　CNT和石墨烯的光學特性也很高。二者均為直接躍遷型、即非常容易發光的材料，而硅正好相反，是難以發光的材料。石墨烯還具有電磁波吸收率不受頻率影響的特點。

　　而且，石墨烯還有很多其他碳材料所不具備的性質。例如，具備極高的阻隔性能，不會透過氦原子;因形狀的不同而具備磁性，等等注2)。

　　注2)除此之外還具備幾何學相位Berry相位，石墨烯上的電子的有效質量像光子一樣為零。

　　關于(2)碳為常見材料這一點，與以硅為基礎的電子部件相比，有望大幅降低成本。這是因為碳材料成本本身就很低，而且還能大幅簡化制造裝置。說得極端點，就連鉛筆也能成為制造裝置。用鉛筆寫字繪畫，就如同涂布了石墨烯。實際上已經有了用鉛筆制作電池和傳感器的例子。

　　開發制造技術尚需時間

　　雖然這些材料潛力非常高，但迄今基本沒在電子領域應用過。CNT的發現已經20年有余，石墨烯也發現有10年了，金剛石更是歷史悠久，但一直都處于“默默無聞”的狀態。

　　原因在于，沒有能夠發揮這種高潛力的材料合成技術和電子部件制造技術。尤其是合成材料時，存在純度低、結晶缺陷多的課題，量產極為困難。獲得高品質CNT和石墨烯的精煉成本非常高，最終價格會達到每克幾十萬～幾百萬日元。

　　碳用于電子部件時的課題也還很多。合成的單層CNT直徑為0.4nm～幾十nm，石墨烯每個原子的厚度只有約0.3nm，難以處理。而且，用于晶體管也存在深刻的課題，比如單層CNT一般呈金屬型和半導體型混合的狀態、石墨烯不能直接作為半導體使用，等等。

　　碳材料的應用在最近突然呈暴發性成長，是因為這材料合成技術和電子部件制造技術的課題取得了巨大進展。雖然在充分發揮碳材料本來的實力方面還處于研發途中，但碳材料的高潛力已初露端倪。