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摘要：日本的研究小组使用源自木材的纳米纤维素，成功开发出一种能够大范围控制电气特性和3D结构的纳米半导体，并且证实了该纳米半导体在可穿戴传感器和生物燃料电池发电应用中的可利用性，有望为实现可持续的绿色电子产品开辟道路。

关键字：纳米半导体、纳米纤维素、电气特性、3D结构、木材、可持续电子产品

要点

●成功将源自木材的电绝缘纳米纤维素^①转化为纳米半导体^③

●可以根据目的和用途，大范围且系统地定制电气特性和3D结构。证实了该纳米半导体在可穿戴传感器和生物燃料电池发电应用中的可利用性

●全部源自木材，有望为可持续电子产品开辟道路

概要

为实现下一代环保型电子产品，需要开发出可持续电子设备。日本的研究小组在世界上率先使用由可持续生物资源——木材纳米纤维素制成的“纳米纸^②”，开发出纸质电子纸和生物降解性纸质存储器等环保型电子设备。然而，由于纳米纸是不导电的完全绝缘体，因此迄今为止主要用作基材，无法单独用作电子设备。

本研究中，研究小组运用纳米纸独有的3D结构设计技术和逐步碳化^④/保形碳化技术，成功地获得了一种新型纳米半导体，该纳米半导体可以系统地控制从绝缘体到准导体的电气特性，并且能够在纳米-微观-宏观的跨尺度上控制3D结构（图1）。由此，能够根据目的和用途定制电子功能和3D结构，制造出材料全部源自木材的电子设备。这一成果将有望为实现可持续的绿色电子产品开辟道路。

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图1.由木材纳米纤维素制成的可定制电气特性和3D结构的新型纳米半导体的制造战略和示意图

研究背景

近年来，随着电子设备产量的急速增长，金属和石油等枯竭性资源的消耗不断加速。此外，还产生了大量电子垃圾^⑤，对环境造成了不利影响。因此，需要开发一种由可持续资源制成的环保型电子设备。

此前，研究小组应用源自木材的可持续生产且环保的新材料“纳米纤维素”制成“纳米纸”，作为替代玻璃或塑料等基材，已开发出一种具有优异的设备性能、灵活性、可处置性和生物可降解性的环保型电子设备。然而，由于纳米纤维素是不导电的绝缘体，将其用于电子设备时，仍需依赖源自金属和石油的电子材料，而这些材料属于枯竭性资源。

研究内容

在本研究中，研究小组通过逐步碳化纳米纸，成功地创造了一种能够大范围且系统地控制其电气特性的半导体。这种“纳米纸半导体”的电气特性控制范围为电阻率：10¹²～10^-2Ω/cm（从绝缘体到准导体）；电荷载流子类型：n型（富电子）或p型（富空穴)；载流子迁移率：覆盖0.235～2.59cm²V^-1s^-1（图2a）。

此外，研究小组通过组合使用纳米纸的结构设计技术（压花、折纸、剪纸等）以及保形碳化技术，成功地在纳米～微观～宏观的跨尺度上对3D结构进行了控制（图2b）。换言之，可以广泛地制造出各种结构，例如致密光滑的纳米结构，具有高比表面积的纳米孔结构，蜂窝状微孔结构，点状微柱构造，宏观纸鹤和华夫饼状甜甜圈结构等。

纳米纸半导体具有的广泛的电气特性控制范围和跨尺度3D结构可控性远超现有半导体材料，可根据目的和用途实现功能和结构的定制。事实上，研究小组已从可穿戴水蒸气传感的飞沫监控（图3a）到生物燃料电池发电（图3b）等广泛的应用中确认了其优异的电子设备性能。

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图2.通过纳米纸的逐步碳化和保形碳化而得到的半导体（纳米纸半导体）的（a）大范围且系统可控的电气特性，以及（b）在纳米～微观～宏观的跨尺度上可控的3D结构

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图3.应用纳米纸半导体的电子设备实例

（a）利用可穿戴水蒸气传感的飞沫监控

可水洗口罩：电阻值随着呼吸波动，则证明飞沫泄漏；外科口罩：吸附有飞沫的口罩表面的湿度上升，电阻值逐渐降低，证明飞沫未泄漏

(b)葡萄糖生物燃料电池发电

功率密度比石墨高14倍，足以用于LED照明设备

研究意义

本研究成果为源自木材的纳米纤维素创造出作为半导体的新价值，并扩大了其在电子设备中的适用性。今后，基于这一成果，有望实现由未使用的木材（如间伐材）制成的全纳米纤维电子设备，以及由不依赖于金属或石油资源的生物资源制成的可持续电子产品。

注释：

①纳米纤维素：一种可以从树木的细胞壁中提取的非常细的纳米纤维，也被称为纤维素纳米纤维。纳米纤维素作为一种轻质、高强度、高耐热、高透明且可持续的纳米材料而备受关注，正在推进其在工厂的量产和实用化。

②纳米纸：一种由纳米纤维素制成的纸。在电子产品领域，纳米纸作为具有柔性和生物降解性的电子设备的基材而备受关注。

③半导体：一种可以控制自身的电气特性，在电子设备的运行过程中不可缺少的电子器件。半导体在支持现代电子产品方面发挥着重要作用。

④碳化：有机物质通过高温处理而热分解成富碳物质。在本研究中，通过温度控制的逐步碳化处理，使纳米纤维素的分子结构发生细微变化，从而实现大范围且系统的电气特性控制。

⑤电子垃圾：电子设备废弃物的总称，也被称为Electronic waste（E-waste）。全球电子垃圾量逐年增加，预计到2030年将达到7400万吨《2020年全球电子废弃物监测》。目前，电子垃圾的回收率不足20%，特别是在发展中国家，电子垃圾对人体和环境都造成不利影响。

来源于木材的纳米半导体：可定制电气特性和3D结构