一文看懂纳米碳材料现状:有望颠覆数十亿美元半导体行业 但商业化还很遥远

Evelyn Zhang

纳米碳材料(Carbon nanomaterials)可以取代计算机芯片中的硅,并改变其他多个行业,但为什么迟迟徘徊在商业化的边缘?

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(图源:Helmholtz-Zentrum Berlin)

在过去20年中,纳米碳材料已经取得了很大突破——由单个尺寸在1至100纳米之间的物质构成——开创了从纳米计算到智能医疗植入物的广泛可能性。

由于其独特的强度和导电性,碳纳米材料有可能取代计算机芯片中的硅。

然而,新材料的商业化是非常困难的。将实验室结果用于大规模生产是一个漫长而危险的过程,类似于将新药推向市场。技术障碍以及实验室时间和生产的高昂成本导致很多颠覆性的材料在早期就宣告失败。

对于纳米碳材料,导电性问题和生产挑战意味着——基于碳纳米材料的计算机芯片可能比最初期望的更遥远。

创业公司、研发部门和大学实验室目前都在纷纷研发和推出独特的纳米碳材料。

石墨烯与碳纳米管

由于纳米材料的尺寸较小,因此具有常规散装材料无法比拟的性能,包括高强度重量比(即强度高但重量轻)以及卓越的电气连接性。

碳基纳米材料 - 特别是石墨烯和碳纳米管——已经显示出作为各种工业材料替代品的巨大潜力。

石墨烯是以蜂窝结构排列的单原子厚碳层。

碳纳米管(CNT)是以管状结构排列的石墨烯片。

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碳纳米管最早是在20世纪90年代初发现的,但是石墨烯在2004年才被曼彻斯特大学的科学家们分离出来。

多年来,石墨烯和碳纳米管已经看到了不同的发展路径,尽管它们具有相似的性质和应用。

石墨烯是有史以来测得的最强的材料。它具有优异的强度重量比,导电性能接近超导体的性能,几乎是透明的。从航空航天到半导体到运动器材,各个行业都在研究如何使用石墨烯来提高性能。

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石墨烯气凝胶,世界上最轻的材料之一

在半导体行业的推动下,CNT相关的研究更加集中。IBM专门投入了大量资源开发用于计算机芯片的碳纳米管。

石墨烯风投“退烧”

从2007年到2015年,石墨烯新兴公司的资金稳步增加。然而,2016年的交易和资金下降并没有完全恢复。

这种下降反映了先进材料开发中典型的吸引力流失,然后技术陷入突破和商业化之间。

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这个领域的初创公司正在努力开发特定的石墨烯产品——例如电池、医疗设备和电子产品——或者正在设法有效地生产一般用途的材料。

例如,Vorbeck Materials公司正在为印刷电子市场开发石墨烯基油墨和涂料。该公司的石墨烯产品可用于可穿戴电子产品、RFID(射频识别)、传感器和其他应用。

在生产方面,获得陶氏风投和三星风投资金的XG Sciences生产和销售石墨烯材料。该公司专有的工艺制造了一小堆称为“纳米片”的石墨烯片,用作各种应用的添加剂。

CNT相关融资也在下降

创业公司也在开发碳纳米管技术,尽管很少有公司进入这个领域。

以碳纳米管为重点的初创企业在2015年后也出现了资金下降,这可能与石墨烯资金骤减的原因相同。经过多年的研发投入,碳纳米管已经遇到了技术障碍。初步突破20年后,仍未被广泛采用。

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Nantero是资金最丰厚和雄心勃勃的CNT初创公司之一。该公司已经开发出使用CNT的NRAM(非易失性随机存取存储器),希望它将取代DRAM(动态随机存取存储器)和闪存作为主要的半导体存储设备。

Nantero认为,CNT技术可用于制造比传统半导体材料密度更高的芯片,大大提高速度和内存。

Nantero已将其技术授权给富士通,朝向商业化迈出了一步。但是,在碳纳米管可以广泛用于高端计算领域之前,仍然需要克服技术和市场障碍。

企业更希望开展内部研发活动,而不是开始投资

所有主要的半导体公司都在研究用于芯片和电池的石墨烯。根据CBinsights的专利搜索引擎,三星是最大的半导体制造商,拥有超过200种石墨烯相关专利。 2017年末,该公司宣布开发石墨烯电池材料,充电速度比传统电池快5倍。

碳纳米管已获得半导体行业和大型科技公司的大量研发投资。 IBM拥有200多项与碳纳米管有关的专利,并且已经投入巨资开发这种材料。

在航空航天领域,石墨烯作为碳纤维等复合材料的添加剂显示出优异的性能。伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)2010年的一项研究发现,石墨烯性能要优于碳纳米管,可以使复合材料更坚固、更强韧,且不易出现缺陷。

空客也已经投资于石墨烯相关研究,并拥有6项石墨烯相关专利。

技术壁垒拖应用后腿

石墨烯和碳纳米管目前还难以从实验室转移到大规模生产,并发挥其独特的材料特性。

例如,石墨烯比硅或铜的导电性更好。结合其强度、重量和透明度,石墨烯的导电性使其有可能取代基于硅的计算机芯片,并改善日常电子产品。

但是有一个问题——石墨烯是一种“无缝隙”的半导体,这意味着电流在材料中的流动无法停止。计算机芯片制造商不得不向硅芯片引入“带隙”,这使得用户可以通过停止电子流动来关闭器件。这一过程的困难是商业化的关键障碍。

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相当长一段时间,用于将带隙引入石墨烯的方法效率低下,或者已经改变了材料,相关的优越性能也消失了。

2018年4月,由加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所领导的科学家介绍了一种生长具有带隙的“石墨烯”材料的方法。在石墨烯在2004年实现初步突破之后,开发石墨烯基芯片的这一重要步骤用了将近15年,证明了新材料开发的难度和需要的时间。

碳纳米管具有带隙,使其易于引入计算机芯片——但大规模生产是一个至关重要的问题。

操纵碳纳米管中数十亿个微小结构是非常困难的,因为必须控制纳米管的取向以利用其独特性质。在广泛采用之前,需要改进生产方法以提供均匀,无缺陷的碳纳米管。

市场障碍:硅在计算领域仍然是重头戏

碳纳米材料采用的市场障碍可能比技术难题更具挑战性。新材料在尝试融入现有供应链时面临着怀疑和停滞。

负责澳大利亚联邦科学与工业研究组织的物理学家Amanda Barnard2014年接受采访时表示:“我们已经从全球硅芯片中获得了数万亿美元的投资,我们还不会离开这块利润丰厚的领域。”

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价值35亿美元的三星半导体制造工厂,美国德克萨斯州 奥斯汀市

在放弃继续投资之前,现有的参与者将会改进现有产品或者忽略新材料。石墨烯对现有材料的全面替代,很可能会经过长时间,才能实现与硅等材料的协同应用。

另一个障碍是标准化。石墨烯委员会最近对60种石墨烯产品的回顾显示,超过75%的产品没有单一的材料特性。如果制造商想要有效销售石墨烯,则需要引入标准化。

此外,如果材料将作为替代品升级,石墨烯的价格将不得不直线下跌。今天的石墨烯稀缺且昂贵,但它需要转变成类似商品的材料,从而成为硅基半导体的可行替代品。

一旦发生这种情况,以石墨烯为重点的创业公司可能无法在价格上竞争。较小的石墨烯初创公司可能会倒闭,或面临半导体制造商(如陶氏化学等可能希望增加石墨烯容量的材料公司)的收购。

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