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清华大学教授谈碳纳米管的触摸屏应用

自1991年被日本科学家饭岛澄男发现以来,碳纳米管就以其完美的一维结构吸引了世界上众多科学家的关注。关于碳纳米管的研究迅速成为科技领域的一个热点,并逐渐形成了制备方法研究、物理化学性质研究和应用研究等三大研究方向。
    由于碳纳米管各种优异性质,其应用前景非常广阔,可用来制作触摸屏、单电子晶体管、场效应晶体管、原子力显微镜针尖、场发射电子枪、气体传感器、纳米模板等。
    清华大学范守善教授,从上世纪90年代起一直致力于碳纳米材料的研究,并且在国际上处于领先的地位。近日,本报特采访了清华大学纳米中心主任范守善教授。本期将为您介绍碳纳米管在触摸屏方面的一些应用。
    神奇的碳纳米管材料
    1991年,日本nec公司的饭岛澄男发现了碳纳米管,其论文引发了人们对碳纳米管极大的兴趣。2002年,他因“发现并阐明了多壁和单壁碳纳米管的原子结构及螺旋特性,其成果对于飞速发展微型化材料和技术科学的纳米和科学电子领域的有着巨大影响”,从而获得了富兰克林奖章(benjamin franklin medal in physics)。
    碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成,因此按照石墨烯片的层数可分为:单壁碳纳米管(或称单层碳纳米管,single-walled carbon nanotubes,swcnts)和多壁碳纳米管(或多层碳纳米管,multi-walled carbon nanotubes, mwcnts)。单壁管典型直径在0.6~2nm,多壁管最内层可达0.4nm,最粗可达数百纳米,但典型管径为2~100nm。
    物理性质特别
    范教授向《平板显示文摘》介绍说:“碳纳米管有三个很重要的性质,一个是力学性非常好,抗拉强度很高,而且柔性也很好;第二个是它的导热性高,特别是沿着轴向的导热性;第三个是它的导电性比较特别,碳纳米管可以是半导体特性的、也可以是金属性质的导电性。这是由于它形成管结构时候的六元环的螺旋度不一样造成的。就像是一张纸,可以对折起来,也可以用不同的角度斜着卷起来、碳纳米管中的六元环的边和卷的轴所形成的角度不一样,就可能是半导体、也可能金属特性的导电性。”

    关于碳纳米管的特性,在电特性、导热性和机械特性三方面均远远高于其他材料。电特性方面,单层cnt的载流子迁移率在室温环境下理论上为10万~20万cm2/vs,实测值也达到3万cm2/vs,是硅的20~100倍。对大电流的耐性也高达铜(cu)的1000倍。
    导热率与其他材料相比也非常高。例如。碳纳米管的导热率是硅的20~30倍,是铜(cu)和银(ag)的约10倍,即使与以前导热率最高的金刚石相比,也高达其2倍左右。
    机械特性方面,破坏强度达到钢铁的约20倍以上,硬度也与金刚石相当或者更高。比表面积为1300~2600m2/g,在相同表面的材料中为最轻。
    原材料便宜  制备方法简单
    碳纳米管的生产原料为甲烷、乙烯、乙炔等碳氢气体,不受稀有矿产资源的限制,生产过程不破坏环境;碳纳米管触摸屏的生产流程简单,不需要昂贵的光刻制程,是低能耗、低成本、节水、无污染的环保产业。
    据范教授介绍,碳纳米管在触摸屏方面的应用,制作工艺非常简单。先把碳纳米管膜铺在基材上,然后在两边印好电极即可,完全不用做光刻等昂贵的工艺。利用碳纳米管膜的横向和纵向导电性的差异,一层薄膜就可以同时判断触摸点的xy坐标,这种触摸屏,非常薄。范教授称:“也可以把它贴到lcd的任何一层,我们做实验的时候就把它贴到偏振片下。我们就是一个简单的干法、贴合,在贴膜以前,涂上胶,把它贴上去然后固化。工艺上没有任何问题。”
    正是因为碳纳米管的种种优异性质,除中国外,全世界范围内对此都加大了研究和产业化的步伐。如日本、美国、德国等。
    清华大学碳纳米管的研究
    范守善教授,自上世纪90年代致力于碳纳米材料的研究以来,其成就已经在国际上处于领先的地位。
    据范教授回忆,上世纪90年代时,他们最早用粉末的催化剂、过渡金属,然后用cvd去生长碳纳米管,长出来就是一堆,互相绞在一起。后来是长在硅衬底上,在硅衬底上镀一个铁膜,让它生长。垂直长出来后,就像韭菜地一样。这大概是他们1998年时做出的结果,是头一个进展。并且在science上发表了一篇文章。
    但是这样长出来的碳纳米管,微观上并不是非常的整齐,碳纳米管的表面也不太干净,还有无定型碳的沉积。后来就想办法让它长得更好。在生长机理方面,用了同位素标记,搞清楚了碳纳米管的微观生长过程。机理突破了,碳纳米管就可以长得很直、很整齐、很干净,形成了一个超顺的排列。这样就有一个偶然的发现:在超顺排的碳纳米管上,如果你在边上起一个头的话,就可以把直立的碳纳米管拉躺下了。躺下来以后,本来是200微米高的纳米管就一根一根接上了,就像蚕茧抽丝似的,就抽成了一条线。如果你起的头够宽的话,就抽成了一张膜。这是范教授的团队2002年左右实验中的一个偶然发现。
    开始他们实验室只能做小面积的,后来做到4英寸,现在做在8英寸硅衬底上,或是12英寸的石英衬底上。8英寸的衬底上,碳纳米管大约长到200微米高,重量是400毫克。把它拉成膜,可以拉300米长。
    拉成的这个膜有一个特点,它的导电是各向异性的。两个方向的导电性,目前可以做到差100倍。碳纳米管触摸屏就是利用了这个特性。这个膜也是透明的,它的透明是占空比上的透明。虽然碳纳米管是均匀的,但是管与管之间有空档,这个空档大概占到90%左右,纳米管只占10%左右。
    另外,这个膜可以贴合到任何的衬底上。所以他们第一个应用就是发展到触摸屏上。现在它做触摸屏,除了透过率,它的机械性也非常好。它弯曲几百万次都没有任何问题,另外敲击它,也没事,它本身的强度很高。
    清华大学在碳纳米管触摸屏方面的成就
    碳纳米管丝线,每根线中约有一百万根碳纳米管。这条线的强度,可以做到2 gpa,钢大概是几百mpa的强度。
碳纳米管材料的产业化进程
    清华-富士康纳米科技研究中心于2002年5月奠基,2003年12月8日启用,是由清华大学和富士康集团合作的一个科研机构。
    “碳纳米管透明导电膜”是清华大学于2002年首先发现的创新材料。它就是从“超顺排碳纳米管阵列”中,直接干法抽取得到的薄膜。2002~2008年,清华-富士康纳米科技研究中心对碳纳米管数组和薄膜的生产工艺进行了开发、放大,并自主研发了生产和检测设备,形成了稳定的量产技术。围绕该种材料的特性、制造以及各个领域的应用,清华大学已申请了逾4000项国内外专利,其中1400余项已经得到授权。
    2011年,天津富纳源创科技有限公司成立,开始建设大规模的碳纳米管触摸屏生产基地。目前世界上还没有其他国家能够批量生产这种材料,天津富纳源创是世界唯一得到授权能够生产此种碳纳米管薄膜的企业,该厂2012年导入生产,2012年下半年出货量达5kk,2013年全年出货量13kk,目前其生产规模已达300万片/月,2014年,其位于贵阳的碳纳米管生产基地也开始了建设,将来其生产能力将进一步增强。
    碳纳米管触摸屏的发展时间表
    碳纳米管拉膜。超顺排的纳米管,如果在下边起一个头,就把它拉躺下,本来是200微米高的纳米管就一根一根接上,就像蚕茧抽丝似的,就抽成了一条线。如果起的头够宽,就抽成了一张膜。


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