碳(C)是一种重要的元素。我们是以碳为基础的生命形式。二氧化碳(CO2)的气体浓度，与氧气结合，是我们用来衡量对全球变暖贡献的指标。以固态形式存在时，纯碳可以像石墨一样柔软，也可以像钻石一样坚硬。从飞机到钓鱼竿，碳纤维强化了无数产品。放射性碳14(14C)测年法是考古学中不可缺少的工具。很难想象有比碳更有影响力的元素。

　　超宽带隙

　　基于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)的宽带隙(WBG)晶体管已经在电力开关性能方面迅速进步。较宽带隙材料相比传统的基于硅(Si)的MOSFET电力晶体管，具有显著更高的内在热导率和更高的介电击穿电压，这意味着晶体管基底可以在保持相同性能的条件下变得更小、更薄。较小的尺寸也减少了栅极和端子电容及电阻，从而实现了更快、更高效的开关，且功耗更低。SiC晶体管可以处理更高的电压，开关速度更快且效率更高，而基于氮化镓基底的高电子迁移率晶体管(HEMT)比SiC-MOSFET的开关速度更快，使其在高频电子设备中非常有用。快速开关减少了其他电感和电容元件的尺寸需求，使得制造非常紧凑、高效且高功率密度的产品成为可能。

　　这些WBG的优势意味着SiC和GaN晶体管已经广泛应用于绿色技术中，如电动汽车、光伏转换器、物联网网络以及生态设计电源。

　　在这一过程中，碳提供了下一代的超宽带隙(UWBG)晶体管。取代SiC或GaN基底，使用的是纯钻石，其热导率更高(是SiC的4倍)，击穿电压更大(是GaN的6倍)，带隙值也比SiC和GaN都要宽(见下表)：

　　不同晶体管技术的性能可以用巴利加优值(BFOM)来表示——值越高越好。这个尺度是非线性的，因为关键性能指标如击穿电压和导电率取决于临界电场值，该值按半导体带隙电子电压的六次方比例增长。因此，基于BFOM的WBG晶体管比Si-MOSFET高约730倍，而基于碳的UWBG晶体管约为后者的15625倍——这是性能上的巨大飞跃，对于将我们的全球能源消耗从污染的化石燃料转变为高效的绿色电能至关重要。

　　石墨烯半导体

　　石墨烯是一种二维碳同素异形体，由仅一个原子厚的纳米层构成，原子排列成蜂窝状平面晶格。它表现为一种准金属，允许热量和电流沿其平面流动但不横向流动。作为一种块状材料，它在所有可见波长范围内强烈吸收光线，而单层情况下几乎透明。在显微镜下，它是地球上最坚硬的材料，因为每个原子与它的三个邻居双键相连。这种刚性带来了极高的电子迁移率，测量值为15000平方厘米/伏秒(与表1中的数值相比)，因此它的导电性能优于银。

　　石墨烯还表现出一些不寻常的电学特性：它受外部磁场的强烈影响，可以制造出灵敏的霍尔效应传感器，这些传感器在室温和低至接近绝对零度(低于1K)的低温下都能良好工作;它还可以用于制造石墨烯场效应晶体管(gFET)，可作为生物传感器。gFET使用液体栅极，其中带电生物分子影响通道电流，允许基于离子而非电荷注入的测量。这使得蛋白质、生物分子和核酸的实时测量成为可能，推动了如CRISPR基因编辑、RNA药物研究、检测人类、植物和动物的传染病以及癌症研究等尖端技术的发展。

　　关于石墨烯独特电学特性的研究仍在继续，这可能会开启新型电子设备的发展。一个发展领域是自旋电子学，其中信息可以存储在电子的角动量(自旋向上或自旋向下)中。石墨烯的规则而刚性的数组结构可能是室温、原子级和自旋电子非易失性存储器(NVM)的理想载体材料，这种存储器比传统的RAM更快，并且在关闭时仍然保留所有数据。

　　碳纳米管

　　如果将一张石墨烯片卷成一个圆筒，它将成为一种具有卓越拉伸强度和热导率的纳米结构。由垂直对齐的碳纳米管(CNT)制成的热界面材料表现出高度定向的热导率，因此电力电子设备产生的热量可以有效地传导到适当的散热器，而不会过度加热相邻组件。在测试中，热导率接近15W/K——约为热导脂的三倍。

　　此外，碳纳米管可以根据其物理尺寸和/或额外的化学掺杂表现出半导体或准金属的特性。理论上，碳纳米管可以承载比相似尺寸的铜导体高1000倍的电流，而且由于其圆柱形结构，这种电流可以被引导仅沿着管的轴向流动而不横向流动，从而使得许多新型电子设备成为可能。

　　碳纳米管的其他用途包括光伏系统、传感器、显示器、智能纺织品和能量收集器，但最有前途的发展是使用CNT阴极的新型锂离子电池。现有的锂离子电池在快充或高放电率条件下会遇到热膨胀问题，损害内部结构。碳纳米管的更高机械强度可以承受这些热应力而不退化。这种新的CNT阴极电池可以在15分钟内从10%充电到90%，重量轻，能量密度是传统电池的两倍。此外，它们在经过800次充放电循环后仍能保持90%的初始容量，承诺在电动车驾驶方面带来革命性变化，使1000公里的续航成为常态。

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