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新型碳纳米材料,涉及碳纳米产业链

新型碳纳米材料

新型碳纳米材料的研究和应用正逐渐走入人们的视野,引起了广泛的关注。碳纳米材料具有独特的结构和优异的性能,被誉为下一代材料的重要代表。碳纳米材料的研究也涉及到碳纳米产业链,为经济发展和社会进步带来了新的机遇。

碳纳米材料的研究与应用包括碳纳米管、石墨烯、碳纳米片等。这些材料具有极高的比表面积、优异的导电性、热导率和机械性能,并且具有良好的化学稳定性。这些特性使得碳纳米材料在能源存储、传感器、催化剂、电子器件等领域具有广泛的应用前景。尤其是石墨烯的问世,引发了全球科学家的热烈关注和深入研究。

石墨烯作为碳纳米材料的代表,具有单层碳原子的二维结构。石墨烯的独特结构赋予了它出色的电子、光学、热学和力学性能。石墨烯可以广泛应用于透明导电薄膜、柔性显示器、光电器件、催化剂以及生物传感等领域。石墨烯也在材料科学、物理学和化学领域引发了一系列的研究热潮,为科学家们带来了新的突破和发现。

与此碳纳米材料的研究也推动了碳纳米产业链的发展。从材料制备、加工到产品应用,不仅需求着高水平的科研人员和技术装备,也需要完整的产业链布局。碳纳米产业链的发展涉及到纳米材料的生产、加工和应用,同时也需要产业投资、政策支持和市场需求等多方面的因素。碳纳米产业链的完善将推动相关产业的发展,创造新的经济增长点。

新型碳纳米材料的研究和应用正不断推动科技进步和产业发展。碳纳米材料的性能优越和应用潜力巨大,为科学家们提供了广阔的创新空间。碳纳米产业链的发展将推动产业结构的升级和经济转型。我们有理由相信,在科技创新和产业发展的推动下,碳纳米材料将为人类带来更多的惊喜和机遇。

新型碳纳米材料,涉及碳纳米产业链

从下面的时间节点你会发现,可能下一代的芯片就会使用碳基! 2019年5月26日,北京元芯碳基集成电路研究院宣布,解决了长期困扰碳基半导体材料制备的瓶颈! 2019年,中科院研究所的殷华湘团队公布:他们已经成功研发出相等于人类DNA的宽度的3nm晶体管。 2020年5月,北京元芯碳基集成电路研究院宣布,中国科学院院士北京大学教授彭练矛和张志勇教授带领的团队,解决了碳基半导体材料制备的瓶颈,如材料的纯度、密度与面积问题。 这意味着接下来制造芯片不一定要采用硅了,而可以使用碳来制造了,也就是碳基芯片了。 所谓的碳基半导体,它的成本更低、功耗更小、效率更高。它是一种有别于现在芯片的硅材料,因此突破这种材料的限制,对于我们的芯片未来确实非常有帮助。 未来它将使用在多种设备上,比如说手机芯片,计算机芯片等等方面,甚至碳基技术芯片可能让我们的手机更流畅,电池更耐用。 碳基芯片,资料已经介绍了,效率比硅基芯片高,性能比硅基芯片好。如果是这样子,根据科学发展的规律,在不久的将来就能由碳基芯片替代硅基芯片。新技术的出现,不可能一下子就能赶上旧技术的水平,但是新技术会逐步完善并超过旧技术的。先前就有很多的例子:先说火车刚制造出来第一次开动的时候,据说还没有骑着马跑的快呢!骑着马和火车比赛的人们,都嘲笑火车的笨重和慢。再说显示器吧,开始是电子管显示器一家独霸天下,后来又出现了液晶显示器,当时有不少人认为液晶显示器成不了气候,不可能压过和替代电子管显示器,现在怎样啦!有目共睹吧!我们要有研究新事物、接受新事物的科学心态,不断 探索 、勇于创新,我相信,只要是碳基芯片的性能比硅基芯片的性能好,就会超过和替代硅基芯片!只是时间长短而已。 估计5年以后,也许10年或更长时间也难讲 碳基芯片的进度 碳基芯片其实已经研发了20多年了,1991年就发布了碳晶体管。但如果利用碳晶体管,科学界这20多年以来,就一直在研发这个问题。 从制备、提纯开始,一直到排列碳纳米管的方法,这一研究就是20多年呢,直到今年北大团队的研究成果,可以不再停留在实验室里了,让碳基芯片有了开始谈论规模产业化了的基础了。 但事实上从可开始生产到真正成为产业,这中间还会有10年甚至20年更长时间,毕竟产业链会涉及到材料、技术工艺,再到工种设备等等,这些上、下游都得跟上啊。 另外还可以给大家一个参考,按照北大团队的说法,他们的下一个目标,是在2-3年内完成90纳米碳基CMOS工艺开发。 大家看清楚了,2-3年内完全成90nm工艺的开发,而这90nm的碳基芯片,按照理论数据,相当于28nm的硅基芯片性能。 而28nm的硅基芯片,中芯国际在2015年就实现了量产,相当于一切顺利,碳基芯片其实至少也是落后10多年的。 所以真的碳基芯片要使用到具体的生产中来,没有个5年10年,是不太可能的,所以短时间内就不要期待了。 碳基芯片的前沿 科技 估计已经可以做出来了。只是性能和造价的问题,估计586的水平的碳基推上市场意义并不大。目前的碳基基本还是在沿用硅基的路子。我认为这在一定程度上局限了碳基芯片领域的发展。 我认为,硅基技术目前已经到了一定的瓶颈期。由于光的波粒二象性,为了让光呈现粒子态,就必须有观察者的存在。这也就是说,硅基芯片的加工基础光刻技术再向前发展也许需要量子学科实用化的突破。 而碳基技术,完全有可能走向另外一个 科技 树。通过生物技术实现功能逻辑单元的构建。虽然是有点科幻,但是哪像科学不是由科幻开始的呢?病毒进入细胞之后就会,通过细胞核的物质进行自我复制。大自然中数量最庞大的病毒就是噬菌体,每种噬菌体通常只感染一种真核或原核生物。如果病毒的一系列基因片段可以作为某种计算结构的计算核心功能单元。多重片段组合起来行程一个活体的共生群落。原始构建稳定之后,一种生物性的计算细胞单元就可能改变人类。一个细胞就是一颗超高运算能力的CPU,而且会自我复制,一个生命周期到了,另外一个就分裂合成完毕了。 也许有人会把现在我发表的这个看成疯子。但我要说谁又能预测为了 科技 真正发展的脉络呢!如果生物碳基芯片问世,如今的人类也许就被融合了生物碳基芯片的新人类所取代。这一切谁又说得准呢? 如果只是硅基芯片发展路线的延续,碳基芯片的量产估计也就在5年之内。但如果换一个 科技 树,短则50年,长则上百年。 谁要用这个电子写科幻作品,可以联合署名吗? 1947年贝尔实验室演示了基于锗的半导体晶体管,开启了信息时代的新篇章。紧随其后的硅晶体管在1954年问世,很快就成为了集成电路技术的主流。历经60多年,“摩尔定律”已经被硅基芯片跑得奄奄一息。很多人开始提出疑问芯片是否应该在材料学上来一次“换道”,才能根本性地解决当下整个芯片产业的现状。 在硅基芯片不断试图在单位面积内容纳下更多的晶体管来提高芯片的性能的时候,人们一直也没有停下 探索 新材料的步伐,碳的优越特性成为了最佳选择,更为重要的是碳基芯片制造不需要经历硅基芯片抛光、光刻、蚀刻、离子注入等等一系列复杂工艺。 什么是碳基芯片? 我们都知道芯片中的晶体管就是半导体,我们不妨来看看它的结构。栅极和沟道区域之间有一层高K节电材质(绝缘层),通过施加在栅极的电压在沟道区域产生电场,从而切断电流的流动,控制沟道的导通和关断。栅极和沟道区域有一层绝缘层,最早这层绝缘层是用二氧化硅来构成,随着晶体管尺寸的缩小,绝缘层就变得越来越薄了,这样就可以通过更小的电压来控制电流,从而降低能耗。但绝缘层太薄,随之而来的就是量子隧穿效应,电子能够轻易透过它,所以后面就使用了具有较高介电常数的材料(比如二氧化铪)来作为绝缘层。 碳基芯片是利用单个碳纳米管或者碳纳米管阵列作为沟道材料,它允许电子从源极流到漏极。源极和漏极也不再掺杂硅,而是改用特殊的金属,利用金属与碳纳米管之间的结电压来制作晶体管。比如N型碳晶体管使用活性金属钪或钇来作为漏极,P型碳晶体管使用惰性金属钯作为源极。 硅晶体管为了克服固有缺陷所以不得不朝着三维立体结构不断演化来克服量子隧穿效应,而碳基晶体管一开始就是三维模型,每一个碳纳米管的直径为1nm,它比硅基晶体管更容易实现更小尺寸,而2nm或已经达到了硅晶体管的极限了。另外碳纳米管不管是电子的传导速度还是热传递性能都是硅的成百上千倍,但功耗却是硅晶体管的十分之一。 碳基芯片离商用还很远 基于碳的N型半导体、P型半导体已经有了,碳纳米管场效应晶体管也有了。在《自然》、《科学》杂志上也曾出现了多篇碳晶体管的论文。IBM为首的众多科研团队一直在研究碳纳米管技术,2017年北大的科研团队最早实现5nm级碳晶体管元器件。为了推动碳纳米管电路的可行性MIT研究团队甚至发布了全球首个超过14000个碳纳米晶体管的通用计算芯片。 实际上碳基芯片上世纪就已经提出来了,并且被预言未来最终会取代硅基芯片,但直到现在还没有实现。碳基芯片性能确实超越了同规格的硅基芯片,但制作工艺还远远不如硅基芯片成熟。大家都是摸着石头过河的架势,我国属于比较超前的位置,一旦有所突破,将来可能不是弯道超车,而是直道超越。我国甚至将碳基材料纳入国家原材料工业“十四五”规划,近几年更是涌现了很多碳基芯片相关企业。 碳基芯片商用很远,但碳基芯片的未来确实很值得期待。 以上个人浅见,欢迎批评指正。 感觉很难,我理解最大的问题是效果能比硅好多少,以及成本能降低多少,还有工艺的可行性。 碳和硅都是半导体材料,芯片也都是基于晶体管制成的,理论上单壁碳管的迁移率比硅高,但在大规模制造时,很难说,碳管和硅还不一样,不太能用传统提拉法制造大的超纯单晶硅然后切割成硅片,然后一个个构造出晶体管。因为单晶硅的非常高的均匀性,所以每个器件性质都一样。但碳管很可能是自下而上方法,先做成很多碳管,再组装成器件。这组装一定程度上限制了碳管的性能均匀性,而这对超大规模集成电路影响很大。没有办法做到超大规模均匀,基本上不可能商用。即便做出芯片,性质也比单独碳管的要低很多,这能不能比现有的硅芯片更好就很难说了。 成本上,碳管提纯难度应该很大,尤其是要做的五个九以上,而且还要考虑属性,层数,手性,以及每根碳管的长度均匀性,复杂的提纯技术绝对会让成本大范围提高,虽然目前做碳管研究不计成本,可是要商用成本肯定是第一要素。 最后一直觉得工艺上很难实现,碳管太脆弱了,尤其是单壁管,任何的等离子加工,镀膜,刻饰都会对碳管造成破坏,这需要开发非常多的极其温和的加工技术,而这目前很难,尤其在小尺寸下,几个nm范围内。 一个新的技术出来,不是说他研究出来了就能用的,实验室产品和工业生产之间还还距离十万八千里。还有最重要的生态建立,这需要时间和金钱的堆积与投入,没有成熟的生态,那就是噱头

碳中和产业链

碳中和行业产业链上游为碳排放,中游为碳中和,主要包括能源替换、节能减排、碳吸收、碳交易等;下游为应用领域,主要包括新能源发电、储能、绿色建筑、林业、碳交易市场等。一、上游分析1.碳排放量碳排放一般指温室气体排放。温室气体排放,造成温室效应,使全球气温上升。地球在吸收太阳辐射的同时,本身也向外层空间辐射热量其热辐射以3 ~ 30μm的长波红外线为主。根据数据显示,2019年我国碳排放量达98.3亿吨,2020年我国碳排放量达99亿吨,同比增长0.71%;预计2021年我国碳排放量可达101.5亿吨。2.碳排放来源从我国碳排放主要来源来看,2020年我国碳排放主要来源于火力发电,占比达78%;其次为工业排放(钢铁、水泥、电解铝),占比达14%;农业排放占比达7%。二、中游分析1.能源替代(1)水电水力发电是指把水的动能转换为电能。水力发电利用的水能主要是蕴藏于水体中的位能。根据数据显示,2020年我国水电装机容量为3.7亿千瓦,较2019年同比增长3.35%;2021年上半年我国水电装机容量为3.78亿千瓦。(2)风电风力发电是指把风的动能转为电能。风能是一种清洁无公害的可再生能源能源,利用风力发电非常环保,且风能蕴量巨大,因此日益受到世界各国的重视。根据数据显示,2019年我国风力发电装机容量为2.1亿千瓦,2020年我国风力发电装机容量为2.82亿千瓦,同比增长34.29%;2021年上半年我国风力发电装机容量为2.92亿千瓦。(3)光伏发电光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。主要由太阳电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成,主要部件由电子元器件构成。根据数据显示,2020年我国光伏发电装机容量为2.53亿千瓦,较2019年同比增长24.02%;2021年上半年我国光伏发电装机容量为2.68亿千瓦。(4)核电轻原子核的融合和重原子核的分裂都能放出能量,分别称为核聚变能和核裂变能,在聚变或者裂变时释放大量热量,能量按照核能-机械能-电能进行转换,这种电力即可称为核电。根据数据显示,2020年我国核电装机容量达4989万千瓦,2021年上半年我国核电装机容量达5216万千瓦,同比增长6.9%。2.节能减排合理用电,节约用电,以及将一些废弃能源转化为电能已经成为节能减排工作中的重中之重。节电:很多工矿企业的大型机电设备因为工艺生产的原因存在着严重的耗能现象,其节电率在经过专业节能改造后不影响正常生产的情况下大都在20%以上;余热发电:我国有着最大的煤焦化产业,有着在数量和产量上都占世界前列的冶金钢铁行业、水泥行业。3.碳捕捉碳捕捉,就是捕捉释放到大气中的二氧化碳,压缩之后,压回到枯竭的油田和天然气领域或者其他安全的地下场所。吸引力在于能够减少燃烧化石燃料产生的有害气体——温室气体。碳捕集与封存(CCS)对于高效减缓气候变化至关重要。中国的经济高度依赖煤炭,尽管近期国家尽最大努力限制其在能源结构中的比例但在可预见的未来煤炭仍旧将是主导能源。碳捕集与封存也是唯一能够大幅(可达90%)减排电力与工业二氧化碳排放的技术。4.碳吸收林业碳汇是指通过市场化手段参与林业资源交易,从而产生额外的经济价值,包括森林经营性碳汇和造林碳汇两个方面。根据数据显示,2020年我国再造林项目数量最多,占林业碳汇总数的51.77%;其次为植树造林,占林业碳汇总数的10.15%。5.企业优势分析现阶段,我国碳中和行业产业链中游优秀企业主要包括长江电力、国投电力、上海电气、金风科技、隆基绿能科技股份有限公司、协鑫(集团)控股有限公司、晶科能源有限公司、宝钢股份、华能国际等。三、下游分析1.可再生资源可再生能源包括水能、风能、太阳能、生物质能等,是绿色低碳能源。根据数据显示,2020年我国可再生能源发电装机容量达9.34亿千瓦,较2019年同比增长17.63%;2021年上半年我国可再生资源发电装机容量达9.71亿千瓦。2.新能源汽车新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置),综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。根据数据显示,2020年我国新能源汽车产销均达137万辆,2021年上半年我国新能源汽车产销分别完成121.5万辆和120.6万辆。3.储能根据能量存储形式的不同,广义储能包括电储能、热储能和氢储能三类。电储能是最主要的储能方式,按照存储原理的不同又分为电化学储能和机械储能两种技术类型。根据数据显示,2020年我国储能装机容量为36.04GW,较2019年同比增长11.23%;据推测,2021年我国储能装机容量可达38.26GW。4.绿色建筑(光伏建筑)光伏玻璃是一种通过层压入太阳能电池,能够利用太阳辐射发电,并具有相关电流引出装置以及电缆的特种玻璃。根据数据显示,2019年我国光伏玻璃产量为4.97亿万平方米,2020年我国光伏玻璃产量为5.47亿万平方米,同比增长10.06%;预计2021年我国光伏玻璃产量可达5.94亿万平方米。5.碳交易碳交易基本原理是,合同的一方通过支付另一方获得温室气体减排额,买方可以将购得的减排额用于减缓温室效应从而实现其减排的目标。根据数据显示,2020年我国碳交易量为4340.09万吨,成交额为12.67亿元;2021年上半年我国碳交易量达412.91万吨,碳成交额达1.20亿元。

碳纳米技术

碳纳米管,是一个十分新鲜的名词。碳,你是熟悉的,做铅笔芯的石墨就是碳,很纯的碳。碳纳米管,是指用碳做成的细管,这种管子很细很细,细到不能用普通的尺子来度量,必须使用精确到纳米的尺子。

碳纳米管是靠纳米技术制造出来的新材料,它的特点是基本颗粒特别细微。我们现在使用的常规材料的基本颗粒,看起来很细,实际上很粗。说细,也许它的直径可以细到几毫米几微米;说粗,是说它含几十亿个原子。而纳米技术生产的材料,颗粒非常细微,只含几十个到几万个原子。

新型碳纳米材料

碳纳米技术的研究相当活跃,多种多样的纳米碳结晶、针状、棒状、桶状等层出不穷。2000年德国和美国科学家还制备出由20个碳原子组成的空心笼状分子。根据理论推算,包含20个碳原子仅是由正五边形构成的,C60分子是富勒烯式结构分子中最小的一种,考虑到原于间结合的角度、力度等问题,人们一直认为这类分子很不稳定,难以存在。德、美科学家制出了C60笼状分子为材料学领域解决了一个重要的研究课题。碳纳米材料中纳米碳纤维、纳米碳管等新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性,被广泛地应用于诸多领域。

碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一,它具有SP、SP2、SP3杂化的多样电子轨道特性,在加之SP2的异向性导致晶体的各向导性和其它排列的各向导性。因此以碳元素为唯一构成元素的碳素材料具有各式各样的性质,并且新碳素相合新碳素材料还不断被发现和人工制得。没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成像三维金刚石晶体、二维石墨层片、一维卡宾和碳纳米管、零维富勒烯分子等如此之多的结构与性质完全不同的物质。表1给出了碳的化学键合及其形成的各种典型有机物、无机物和碳相的例子。

表1 碳的化学键合及其形成的化合物和碳相   键合方式  共价键离子键 金属键范德华力 分子键合 Sp杂化SP2杂化SP3杂化Sp SP2 SP3

杂化混合 配位数234不定6、8、12  平均C-C

距离(mm) 0.1210.133

0.142 0.154  0.119

0.124 0.335结合能kj/mol463520      典型例有机物或无机物乙炔(C2H2)乙炔(C2H4)

苯(C6H6) 金刚烷(C10H16)

环十二烷(C12H18)

(CF)n、SiC、B4C   CaC2

Fe3C

Al4C3 分子性层间

化合物

(C8K等) 已确定碳相(聚炔累积烯烃卡宾

(六方晶棱面体晶C60) 石墨(面内)(立方晶、六方晶)

n-金刚石 金刚石

过渡态

(各种碳材料)   C60石墨(层间)尚未明确的碳相C2~C20

碳分子 1-石墨

3d-sp2

bct-4

聚苯 6H-金刚石BC-8碳苯

(carbophene)

石墨炔类

(graphynes) Sc 、bcc、 fcc

β- tin hcp   表2 碳素系功能材料的种类   Sic C CN 零维 一维 二维 三维 无定型 物质 3c -Sic

6h -Sic 富勒烯 纳米管

卡宾

碳纤维 石墨

石墨烯 金刚石 无定型碳

金刚石碳 β-C3N4 制备方法 升华再结晶

CVD

LPE

MBE 热CVD法

烧蚀法

放电法 碱化处理

放电法

氟化氢分解法 热CVD法

加热蒸发法

烧蚀法 高压合成法

CVD法 CVD法

PVD法

溅射法

等离子体法 离子束溅法

烧蚀法 形态 单晶

块体

薄膜 单晶

薄膜 分子纤维 分子纤维

微晶

单晶

定向结晶 微晶

单晶

粒状

薄膜 无定型

薄膜

块状

纤维 微晶 特征 高强度

耐环境性 半导体性

催化功能

强磁性

超导性 导电性

高强度

催化功能 导电性

催化功能

插层 高硬度

高热传导性

高耐热性

耐磨蚀性 高硬度

耐腐蚀性

导电性 高硬度(预测) 用途 电力-电子

材料 超润滑材料

非线性光学材料 超轻质材料

超高强材料

能原材料 电极材料

X射线光学材料 超润滑材料

高频材料

电力-电子材料 超润滑材料

电极材料

保护涂层

催化剂载体   科学家们逐渐发现碳素材料在硬度、光学特性、耐热性、耐辐射特性、耐化学药品特性、电绝缘性、导电性、表面与界面特性等方面比其它材料优异,可以说碳材料几乎包括了地球上所有物质所具有的特性,如最硬-最软,绝缘体-半导体-良导体,绝热-良导热,全吸光-全透光等,因此具有广泛的用途,如表2所列。

全产业链

全产业链是中粮集团提出来的一种发展模式,是在中国居民食品消费升级、农产品产业升级、食品安全形势严峻的大背景下应运而生的。全产业链是以消费者为导向,从产业链源头做起,经过种植与采购、贸易及物流、食品原料和饲料原料的加工、养殖屠宰、食品加工、分销及物流、品牌推广、食品销售等每一个环节,实现食品安全可追溯,形成安全、营养、健康的食品供应全过程。

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