一次元ディラック材料として、カーボンナノチューブは電子と正孔の有効質量がゼロであるため、キャリア移動度は100,000 cm2/(V・s) にもなります。カーボンナノチューブで作られた電界効果トランジスタは、理想的な弾道輸送特性を示し、シリコンベースの金属酸化物半導体 (MOS) と比較して数桁改善されています。耐電流密度、スイッチング速度、スイッチング比、モビリティ、その他のインジケータに関するトランジスタ。カーボンナノチューブが集積回路、オプトエレクトロニクスデバイス、スマートストレージなどのハイエンド半導体分野で理想的な候補材料になったのは、これらの優れた電気的特性のおかげです。電気的特性に加えて、カーボンナノチューブの熱的および機械的性能インジケータも既存の材料の限界に達しています。ミクロンレベルのフォノン平均自由行程により、カーボンナノチューブの熱伝導率は6600 W/(m・K) に達する可能性があり、また優れた相間熱伝達性能を備えています。これは、高出力密度の電子機器に十分な放熱強度を提供できます。機械的特性に関して、カーボンナノチューブは超強度、超弾性率、超靭性の特性を持っています。単一のカーボンナノチューブの引張強度は100 GPaに達する可能性があります。ヤング率は1 TPaに達し、破壊ひずみは17% にもなります。完全な構造のカーボンナノチューブで作られたバンドルも、同様の機械的インジケータを維持できます。
したがって、カーボンナノチューブは、超強力繊維、航空宇宙、および軍事製造の分野でも幅広い用途の見通しを持っています。非常に高いアスペクト比を持つ1次元ナノ材料として、カーボンナノチューブは複合材料のパーコレーション閾値に達するために少量の添加を必要とするだけです。これにより、複合ネットワークの熱伝導率と電気伝導率が大幅に向上し、透明導電性フィルムや電気加熱装置などのアプリケーションで大きな利点が示されます。
ただし、炭素ベースの半導体、超強力繊維、透明導電性フィルムなどの最先端分野でのカーボンナノチューブの応用のために、現在の主な課題は、完全な意味でのカーボンナノチューブ構造の正確な制御、特に巨視的な長さの欠陥のない構造の制御可能な準備を達成することはまだ不可能であるということです。半導体タイプのカーボンチューブの高度に選択的な準備、および巨視的なカーボンナノチューブの大量の準備。
特殊な結晶性材料として、カーボンナノチューブに構造上の欠陥が存在すると、その巨視的性能が急激に低下します。他のタイプのカーボンナノチューブと比較して、カーボンナノチューブの水平アレイは、平らな基板上で自由成長パターンに従うため、比較的完全な構造と巨視的な長さで簡単に取得できます。さらに、半導体チップなどの分野では、カーボンナノチューブの構造選択性に対する要求が高まっています。たとえば、半導体チップの準備に使用されるカーボンナノチューブは、非常に高い半導体タイプのカーボンナノチューブ選択性、非常に均一なチューブ直径、および高いアレイ密度を必要とします。超強力なカーボンナノチューブ繊維の準備には、カーボンチューブモノマーが巨視的な長さとほぼ完全な構造を持っている必要があります。
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