從日本前瞻議題分析看碳奈米管未來的應用發展

 

刊登日期:2008/5/8
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碳奈米管從1991年被發現以來,是目前繼碳簇(富勒烯)能實現商業化量產的奈米材料之一;在先進奈米科技國家的研究下,碳奈米管的品質及純度有明顯的改善,量產技術的進步,使價格也逐漸下降。碳奈米管具有高強度、高斷裂應變、高撓曲性、高導電及導熱等優異特性,使其用途變得非常廣泛。

日本是全球目前執行科技前瞻最有系統且最有經驗的國家之一,尤其是第七次及第八次所調查的前瞻議題,更是採用諸多方法(例如:德爾菲法、文獻計量、社會經濟需求分析及情境分析等),因此調查結果之主客觀性較能兼顧技術供應面及社會需求面的聯結。本文針對日本第七次及第八次科技前瞻中有關碳奈米管之議題進行分析,其中可明顯看出日本未來碳奈米管技術應用在電子領域方面將扮演相當重要角色。另外,也進行碳奈米管的論文回顧,並連結各領域前瞻議題,每項議題遠景隱含碳奈米管可能發展的技術需求,來分析各項議題中碳奈米管所扮演之可能角色或功能,這些分析資訊可以提供國內產、官、學及研等單位,未來作為擬定研發策略時之參考。

碳奈米管相關前瞻議題分析
從前瞻的發展趨勢來看,2001年以前,日本的第一次至第七次前瞻是屬於第一代的「技術性預測」,主要是由技術發展趨勢來驅動研究,這種預測結果無法確定技術在市場上的應用程度;直到第八次前瞻才進入第二代的「技術與市場的連結預測」,這種預測是結合技術的推力和市場的拉力兩端進行前瞻,因此調查結果可瞭解前瞻技術對市場的影響性。尤其針對開發中國家而言,日本第八次前瞻議題可做為未來技術發展策略之參考。各領域碳奈米管技術應用的議題數比重如表一所示,從第七次及第八次科技前瞻預測中,可看出日本未來碳奈米管技術在電子領域方面的應用將扮演相當重要角色,其次是生命科學及奈米科技及材料。

                 表一、日本前瞻議題中碳奈米管技術相關應用之數量比重

前瞻
議題

領域

領域議題數

碳奈米管技術有關議題數

比重(%)

第八次

電子

69

13

18.8

生命科學

65

7

10.7

能源與資源

51

2

3.9

奈米科技及材料

70

7

10.0

第七次

電子

68

6

8.8

材料與製程

79

9

11.4


從電子領域議題中看碳奈米管未來的應用發展
碳奈米管具有特殊的電子輸送(electron transport)及巨大的電流載送容量特性,因此在奈米電子領域之應用受到極大重視,新一代非矽及二氧化矽之材料將會導入積體電路中,2012年後,碳奈米管及半導體奈米線將會是受關注的材料。從電子領域議題中可看出碳奈米管的應用方向:
1. IC設計與材料:
在IC中,碳奈米管有兩個主要應用領域,一種是電晶體間的內接線,另一種是作FET的導電通道材料。在IC電路中,每一個FET有內接線連接,當尺寸變小時,每一內接線所載負的電流密度就增加。因碳奈米管由於是碳-碳共價鍵結而成,比金屬鍵更強更具有方向性,其電流載送容量可達109  A/cm2。
2. 場效電晶體:
碳奈米管具有彈道輸運特性及極大的電流載送容量,但CNT-FET無法在碳奈米管形成歐姆接觸,因此選擇高工作函數及最低Schottky barrier 形成的鈀金屬,CNT-FET組成即以一半導性的碳奈米管架橋於兩個Pd電極,坐落於二氧化矽層上。單壁碳奈米管首次應用於發展分子內場效電晶體,以及使用SWCNT-FET所製作的分子內邏輯閘,單壁碳奈米管在空氣曝露下是p型FET,因此n型FET只要保護一半的單壁碳奈米管免於曝露在氧氣中即可,這種在同分子上具有p型及n型FET之單獨單壁碳奈米管,就可當作一種NOT邏輯閘。
3. 記憶體:
新的碳奈米管記憶體(CNT memory)是利用碳奈米管電機械性應答特性所發展出來的應用,此記憶體是使用矽做平台,而以碳奈米管形成通道來儲存資訊。此通道是由排列的碳奈米管躺在源極及汲極間所組成(FET的內接線),且有能力與柵電極偶合作用,排列性的碳奈米管陣列是否懸浮或與電極接觸,取決於電極的電壓,這種非揮發性碳奈米管隨機存取記憶體(RAM)之存取時間可媲美傳統的DRAM/SRAM。
4. 場發射:

場發射(field emission)是固體在高電場強度下發射出電子,碳奈米管被視為優良的場發射源,因為它在低的啟動電壓(turn-on voltage)下,就有高的場發射電流。利用碳奈米管極佳的場發射性質所發展出的原型設計,包括X-射線管、掃瞄式X射線源、平面顯示器(flat panel display)及燈管等。碳奈米管針尖(CNT- tip)是極佳的場發射源,主要原因是長時間操作下,碳奈米管針尖的惰性及溫度穩定性,可媲美金屬及鑽石探針,因為它不會有電子遷移的問題;另一原因是碳奈米管針尖是一種低臨界電壓(threshold voltage)驅動的冷場發射,因此優點是可在低溫下操作,節省電力。

 

從生命科學領域看碳奈米管未來的應用發展
碳奈米管的獨特性質,加上利用化學改質可呈現各種功能化,使得碳奈米管具有許多潛在的應用性,由於碳奈米管的尺寸在奈米範圍,可在細胞及分子等級上作用,這些特徵讓碳奈米管開始在生物及醫藥領域應用上受到重視及研究:
1. 藥物及基因傳輸(drug and gene delivery)
碳奈米管具有載運及傳送不同的生物活性成份進入細胞的能力,例如單壁碳奈米管可用於傳輸小干擾RNA基因,改質過單壁碳奈米管之非共價性聯結磷脂質,透過雙硫化鍵連接siRNA及DNA,此單壁碳奈米管錯合物在內吞作用下,雙硫化鍵被細胞作用而裂解,所傳輸的siRNA可抑制某些基因的呈現而達到治療目的。
2. 熱療(hyperthermia):
熱療是使用熱能來破壞或殺死癌細胞,單壁碳奈米管能吸收近紅外線(NIR)輻射且產生熱能,此區域範圍的近紅外線,組織細胞並不會吸收。有研究利用此特性,可使單壁碳奈米管吸收而產生熱能,延長輻射時間產生足夠熱能,就能損害目標細胞,而無內部化單壁碳奈米管之細胞則不受傷害。
3. 生物醫學成像(biomedical imaging):
未來治療技術不僅要有瞄準特定組織或細胞之能力,還要有成像試劑能使診療師確定此治療劑打擊到目標,碳奈米管具有獨特的光學特性,能聯結其它有特殊光學性能的奈米結構,在此類治療上應可扮演重要角色。
4. 新式診斷的生物感測器(biosensors):
目前發展的新式、微小及超感度的個人化診斷工具-生物感測器,讓病患在自家照護並能了解自身健康,只要放一滴體液在小面積可丟棄式晶片上,病人就可以確認疾病的早期開始。
5. 開發新藥的研究工具:
目前藥物開發的技術需要相當量的目標蛋白質,才能達到探測的偵測極限,碳奈米管大大提高原子力顯微鏡的解析度,另外碳奈米管的彈性可使原子力顯微鏡探針對脆弱的生物樣品更具堅固及敏感。經化學改質過的碳奈米管探針具有多種用途,如特定分子反應的呈像、單分子蛋白質與蛋白質間反應的量測等。
6. 組織工程及植入式元件:
如以單壁碳奈米管-膠原蛋白複合材為支架,作為肌肉細胞組織的生長種子;多壁碳奈米管-神經元複合物可以導入細胞生長信號,以促進組織生長,因此碳奈米管支架可以發展成為神經組織再生的神經修補植入元件,另外碳奈米管支架也可用於視網膜色素表皮細胞的再生等。

從奈米科技、材料及能源領域看碳奈米管未來的應用發展 
碳奈米管作為導電添加劑是目前最具潛力且符合經濟效益的用途,利用碳奈米管之長徑比及導電特性,添加少量於高分子基材上,就變成具有導電及抗靜電效果的導電高分子,這些導電高分子可用於靜電放電(electrostatic discharge, ESD)之應用。在技術上已經克服碳奈米管與高分子間的濕潤問題,使其能有效均勻分散於高分子基材中,市場上已開發出各種高分子的碳奈米管濃縮母粒,如PC、PPS、epoxy、Nylon等;碳奈米管質輕、韌性佳及耐衝擊性,且具有極高的導熱及電子傳送特性,因此發展碳奈米管/鋁之高導熱複合材料,做成熱槽,可解決未來3C電子產品小型化設備之散熱問題,發展各種金屬攙雜的碳奈米管奈米線(nanowire)可用於電流傳送之用途等。

碳奈米管也是具有氫氣儲存及釋放的新材料,可作為觸媒擔體(support)材料,減少甲醇及氫氣燃料電池中白金(Pt)的使用量,不僅可減少成本,電池的效率也會增加。未來在電動汽車及電力系統中,利用碳奈米管垂直成長於鉭基板上,有效增大單位基板的表面積,從而增大電雙層的容量,未來應會是超高電容器中優越的電極材料。

作者:洪長春、黃郁棻、劉瑄儀、王碧玲、簡國明
            / 國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心
出處:工業材料雜誌257期

★詳全文:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6902


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