会玩！！用煤炭制造电子元器件

材料牛注：什么？！煤炭可以做电子器件？是的，你没有听错，来自MIT的研究人员将煤炭粉碎成粉末，再经过溶解和沉积制造出了简单的电子加热元件。在尘封几个世纪后，黑乎乎的煤炭终于散发出了金子般的光彩。

Jeffrey Grossman认为大家对煤炭的认识存在着严重偏差。他说，煤炭除了可以用来烧火，其实还有更大的价值，复杂的分子结构和多变的化学组成使它的应有有了多种可能性。煤炭可以是制作太阳能电池板、电池或电子器件的基础，Grossman和他所在的研究团队如是说。

Grossman、博士生Brent Keller和研究学者Nicola Ferralis已经成功利用煤炭制造出了一个简单的电子加热元件，这个加热元件可以用来给汽车玻璃或飞机机翼除霜雾、或是作为生物医用植入物的一部分，这就初步证明了他们的想法——煤炭这种低科技含量的材料拥有高科技应用潜力。为了进一步改善该发热元件，研究人员第一次对四种煤炭薄膜的化学性质、电学性质和光学性质进行了详细研究和表征，这四种煤炭分别是无烟煤、褐煤和两种烟煤。他们的研究发现被刊登在Nano Letters上。

Grossman解释道，“当你把煤炭看做是一种材料，是一种不仅仅用来燃烧的物质，它丰富的化学组成就会展现在你面前。”Grossman是MIT材料科学与工程学院（DMSE）的教授，拥有Morton and Claire Goulder and Family Professor in Environmental Systems这一头衔。他说，“我们是否可以利用如煤炭这类化学物质来制造功能性元器件？”他认为答案是肯定的。

举例来讲，自然形成的、不同种类的煤炭本身就拥有一定的导电性——跨越七个数量级（千万倍），不需要像利用硅来制造电子器件时那样需要经过纯化或精炼。这就意味着，一种给定种类的煤炭，其本身就能提供某一特定电子元器件所需的电学性质。

工艺设计

Grossman认为，这项工作的一项挑战是：确定如何加工煤炭这种材料。为此，Keller设计了一系列的步骤将煤炭粉碎成粉末，之后溶解到溶液中，最后在基底上沉积成一层薄薄的薄膜——最后一步是制作许多电子元器件的必要步骤，如晶体管和太阳能光电板。

尽管煤炭是几个世纪以来人类最广泛使用的物质之一，但是在针对先进电子元器件的研究中，煤炭的基体电子和光学性质却几乎没有被研究过。

DMSE的博士生Keller把这项研究的大部分内容作为他博士生论文的一部分，他说，“煤炭从来没有被这样研究过——探寻它的性质、探索它可能拥有的特性。”为此，Keller探究出了一种制造薄膜的方法，这种方法今后可以被详细地测试并应用于元器件制造中。

研究团队说，他们所探索出的这种新的、详细的特性只是冰山一角。被选出的这四种煤炭只是上百种煤炭种类中的一小部分，但就这四种煤炭他们的性质都有显著差异。从一开始，制备和检测这些样品，对于材料科学家来说就是一个不同寻常的过程。同样在DMSE的Ferralis说，“通常我们都希望‘白手起家’来制造材料，小心地将纯净的物质按比例结合在一起。”但是，在这项研究中，研究人员需要“从巨大数量的煤炭材料库中做出选择”，每一种煤炭都有其不同的性质。

利用自然的复杂性

在很长一段时间内，煤炭和其他化石燃料都被当做是化工行业的原材料，来制造塑料、燃料和溶剂等，一直以来煤炭都被当做是原矿石：将其粉碎成最基本的组分、原子或简单分子，之后再重组成所需材料。现在这种直接利用化学物质自然状态的新方法是很不寻常的。研究人员发现，在加工煤炭的过程中适当调节温度就可以得到所需的光学和电学性质。

研究团队所制造出来的、用来证明其理论的简易加热元器件提供了一种如何使用这种材料的“端对端”的证明：从研磨煤炭到将其沉积成薄膜并制造出功能电子器件。现在，研究人员说，可能性的大门已经打开，多样性应用的潜能已经显现出来。

Grossman说，该新材料的潜在优势是，由于取材于非常廉价的基础材料，因此其成本也非常低，再加上加工过程非常简单，使其制造成本非常低廉。举个例子，芯片级别的硅或石墨烯的成本主要来自于材料的精炼提纯过程。做硅芯片的原材料二氧化硅其实非常便宜且数量极多，但是高精度提纯过程却耗资巨大（通常要达到99.999%的纯度）。使用煤炭粉末具有诸多优势，这多亏了其性质的可调节性、高的导电性以及坚固性和热稳定性。

感谢材料人编辑部封蕾提供素材。

原文链接：Making electronics out of coal