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    自1991年被日本科學家飯島澄男發現以來，碳納米管就以其完美的一維結構吸引了世界上眾多科學家的關注。關于碳納米管的研究迅速成為科技領域的一個熱點，并逐漸形成了制備方法研究、物理化學性質研究和應用研究等三大研究方向。

    由于碳納米管各種優異性質，其應用前景非常廣闊，可用來制作觸摸屏、單電子晶體管、場效應晶體管、原子力顯微鏡針尖、場發射電子槍、氣體傳感器、納米模板等。

    清華大學范守善教授，從上世紀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先的地位。近日，本報特采訪了清華大學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用。

    神奇的碳納米管材料

    1991年，日本nec公司的飯島澄男發現了碳納米管，其論文引發了人們對碳納米管極大的興趣。2002年，他因“發現并闡明了多壁和單壁碳納米管的原子結構及螺旋特性，其成果對于飛速發展微型化材料和技術科學的納米和科學電子領域的有著巨大影響”，從而獲得了富蘭克林獎章(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可分為：單壁碳納米管(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，多壁管最內層可達0.4nm，最粗可達數百納米，但典型管徑為2—100nm。

    物理性質特別

    范教授向《平板顯示文摘》介紹說:“碳納米管有三個很重要的性質，一個是力學性非常好，抗拉強度很高，而且柔性也很好；第二個是它的導熱性高，特別是沿著軸向的導熱性；第三個是它的導電性比較特別，碳納米管可以是半導體特性的、也可以是金屬性質的導電性。這是由于它形成管結構時候的六元環的螺旋度不一樣造成的。就像是一張紙，可以對折起來，也可以用不同的角度斜著卷起來、碳納米管中的六元環的邊和卷的軸所形成的角度不一樣，就可能是半導體、也可能金屬特性的導電性。”

    關于碳納米管的特性，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。碳納米管的導熱率是硅的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。

    原材料便宜  制備方法簡單

    碳納米管的生產原料為甲烷、乙烯、乙炔等碳氫氣體，不受稀有礦產資源的限制，生產過程不破壞環境；碳納米管觸摸屏的生產流程簡單，不需要昂貴的光刻制程，是低能耗、低成本、節水、無污染的環保產業。

    據范教授介紹，碳納米管在觸摸屏方面的應用，制作工藝非常簡單。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導電性的差異，一層薄膜就可以同時判斷觸摸點的xy坐標，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，我們做實驗的時候就把它貼到偏振片下。我們就是一個簡單的干法、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。”

    正是因為碳納米管的種種優異性質，除中國外，全世界范圍內對此都加大了研究和產業化的步伐。如日本、美國、德國等。

    清華大學碳納米管的研究

    范守善教授，自上世紀90年代致力于碳納米材料的研究以來，其成就已經在國際上處于領先的地位。

    據范教授回憶，上世紀90年代時，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年時做出的結果，是頭一個進展。并且在science上發表了一篇文章。

    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。在生長機理方面，用了同位素標記，搞清楚了碳納米管的微觀生長過程。機理突破了，碳納米管就可以長得很直、很整齊、很干凈，形成了一個超順的排列。這樣就有一個偶然的發現:在超順排的碳納米管上，如果你在邊上起一個頭的話，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。如果你起的頭夠寬的話，就抽成了一張膜。這是范教授的團隊2002年左右實驗中的一個偶然發現。

    開始他們實驗室只能做小面積的，后來做到4英寸，現在做在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。

    拉成的這個膜有一個特點，它的導電是各向異性的。兩個方向的導電性，目前可以做到差100倍。碳納米管觸摸屏就是利用了這個特性。這個膜也是透明的，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，這個空檔大概占到90%左右，納米管只占10%左右。

    另外，這個膜可以貼合到任何的襯底上。所以他們第一個應用就是發展到觸摸屏上。現在它做觸摸屏，除了透過率，它的機械性也非常好。它彎曲幾百萬次都沒有任何問題，另外敲擊它，也沒事，它本身的強度很高。

    清華大學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。這條線的強度，可以做到2 gpa，鋼大概是幾百mpa的強度。

碳納米管材料的產業化進程

    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，是由清華大學和富士康集團合作的一個科研機構。

    “碳納米管透明導電膜”是清華大學于2002年首先發現的創新材料。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碳納米管數組和薄膜的生產工藝進行了開發、放大，并自主研發了生產和檢測設備，形成了穩定的量產技術。圍繞該種材料的特性、制造以及各個領域的應用，清華大學已申請了逾4000項國內外專利，其中1400余項已經得到授權。

    2011年，天津富納源創科技有限公司成立，開始建設大規模的碳納米管觸摸屏生產基地。目前世界上還沒有其他國家能夠批量生產這種材料，天津富納源創是世界唯一得到授權能夠生產此種碳納米管薄膜的企業，該廠2012年導入生產，2012年下半年出貨量達5kk，2013年全年出貨量13kk，目前其生產規模已達300萬片/月，2014年，其位于貴陽的碳納米管生產基地也開始了建設，將來其生產能力將進一步增強。

    碳納米管觸摸屏的發展時間表

    碳納米管拉膜。超順排的納米管，如果在下邊起一個頭，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。如果起的頭夠寬，就抽成了一張膜。