會玩！！用煤炭制造電子元器件

材料牛注：什么？！煤炭可以做電子器件？是的，你沒有聽錯，來自MIT的研究人員將煤炭粉碎成粉末，再經過溶解和沉積制造出了簡單的電子加熱元件。在塵封幾個世紀后，黑乎乎的煤炭終于散發出了金子般的光彩。

Jeffrey Grossman認為大家對煤炭的認識存在著嚴重偏差。他說，煤炭除了可以用來燒火，其實還有更大的價值，復雜的分子結構和多變的化學組成使它的應有有了多種可能性。煤炭可以是制作太陽能電池板、電池或電子器件的基礎，Grossman和他所在的研究團隊如是說。

Grossman、博士生Brent Keller和研究學者Nicola Ferralis已經成功利用煤炭制造出了一個簡單的電子加熱元件，這個加熱元件可以用來給汽車玻璃或飛機機翼除霜霧、或是作為生物醫用植入物的一部分，這就初步證明了他們的想法——煤炭這種低科技含量的材料擁有高科技應用潛力。為了進一步改善該發熱元件，研究人員第一次對四種煤炭薄膜的化學性質、電學性質和光學性質進行了詳細研究和表征，這四種煤炭分別是無煙煤、褐煤和兩種煙煤。他們的研究發現被刊登在Nano Letters上。

Grossman解釋道，“當你把煤炭看做是一種材料，是一種不僅僅用來燃燒的物質，它豐富的化學組成就會展現在你面前。”Grossman是MIT材料科學與工程學院（DMSE）的教授，擁有Morton and Claire Goulder and Family Professor in Environmental Systems這一頭銜。他說，“我們是否可以利用如煤炭這類化學物質來制造功能性元器件？”他認為答案是肯定的。

舉例來講，自然形成的、不同種類的煤炭本身就擁有一定的導電性——跨越七個數量級（千萬倍），不需要像利用硅來制造電子器件時那樣需要經過純化或精煉。這就意味著，一種給定種類的煤炭，其本身就能提供某一特定電子元器件所需的電學性質。

工藝設計

Grossman認為，這項工作的一項挑戰是：確定如何加工煤炭這種材料。為此，Keller設計了一系列的步驟將煤炭粉碎成粉末，之后溶解到溶液中，最后在基底上沉積成一層薄薄的薄膜——最后一步是制作許多電子元器件的必要步驟，如晶體管和太陽能光電板。

盡管煤炭是幾個世紀以來人類最廣泛使用的物質之一，但是在針對先進電子元器件的研究中，煤炭的基體電子和光學性質卻幾乎沒有被研究過。

DMSE的博士生Keller把這項研究的大部分內容作為他博士生論文的一部分，他說，“煤炭從來沒有被這樣研究過——探尋它的性質、探索它可能擁有的特性。”為此，Keller探究出了一種制造薄膜的方法，這種方法今后可以被詳細地測試并應用于元器件制造中。

研究團隊說，他們所探索出的這種新的、詳細的特性只是冰山一角。被選出的這四種煤炭只是上百種煤炭種類中的一小部分，但就這四種煤炭他們的性質都有顯著差異。從一開始，制備和檢測這些樣品，對于材料科學家來說就是一個不同尋常的過程。同樣在DMSE的Ferralis說，“通常我們都希望‘白手起家’來制造材料，小心地將純凈的物質按比例結合在一起。”但是，在這項研究中，研究人員需要“從巨大數量的煤炭材料庫中做出選擇”，每一種煤炭都有其不同的性質。

利用自然的復雜性

在很長一段時間內，煤炭和其他化石燃料都被當做是化工行業的原材料，來制造塑料、燃料和溶劑等，一直以來煤炭都被當做是原礦石：將其粉碎成最基本的組分、原子或簡單分子，之后再重組成所需材料。現在這種直接利用化學物質自然狀態的新方法是很不尋常的。研究人員發現，在加工煤炭的過程中適當調節溫度就可以得到所需的光學和電學性質。

研究團隊所制造出來的、用來證明其理論的簡易加熱元器件提供了一種如何使用這種材料的“端對端”的證明：從研磨煤炭到將其沉積成薄膜并制造出功能電子器件。現在，研究人員說，可能性的大門已經打開，多樣性應用的潛能已經顯現出來。

Grossman說，該新材料的潛在優勢是，由于取材于非常廉價的基礎材料，因此其成本也非常低，再加上加工過程非常簡單，使其制造成本非常低廉。舉個例子，芯片級別的硅或石墨烯的成本主要來自于材料的精煉提純過程。做硅芯片的原材料二氧化硅其實非常便宜且數量極多，但是高精度提純過程卻耗資巨大（通常要達到99.999%的純度）。使用煤炭粉末具有諸多優勢，這多虧了其性質的可調節性、高的導電性以及堅固性和熱穩定性。

感謝材料人編輯部封蕾提供素材。

原文鏈接：Making electronics out of coal