Углеродные нанотрубки (УНТ) используются в устройствах, требующих высокой прочности, хорошей электропроводности, долговечности, легкого веса и высокой теплопроводности по сравнению с другими традиционными материалами. Растущий спрос на интегральные схемы, литиевые батареи, топливные элементы, солнечные фотоэлементы, устройства для хранения водорода и дисплеи с полевым излучением (field emission displays) определяют спрос на УНТ последние годы. О них мы сегодня и расскажем.

Патентный аспект

В исследовании (август 2025) подсчитан объем мирового рынка в 2024 г. на уровне 6,85 млрд долларов и прогнозируется рост от 7,75 млрд в 2025 г. до 19,0 млрд к 2032 г. с CAGR около 14%.

Google.patents в сентябре 2025 года выдал более 100 000 патентов по теме Carbon nanotubes for electronics. В системе международной патентной классификации лидировали следующие темы:

• использование наноструктур B82 - Y62,6%;

• неметаллические элементы; их соединения C01B - 28,5%;

• технические устройства Y10S - 25,3%;

• органические электрические твердотельные устройства H10K - 22,6%;

• разное оборудование Y10T - 19,5%;

• сокращение выбросов парниковых газов Y02E - 18%;

• полупроводниковые приборы H01L - 15,2%.

Видно, в группу главтематик входит использование наноструктур, неметаллические элементы; их соединения и технические устройства.

Мы оставим в стороне всякие каталитические технологии, процессы и аппараты химических производств.

Во-первых, органические электрические твердотельные устройства. Google выдал по запросу (Carbon nanotubes electronics) (H10K) 44 007 результатов. Среди патентообладателей выдающихся лидеров нет; рейтинг такой:

1. Samsung Electronics Co., Ltd. - 3,2%;

2. International Business Machines Corporation - 2,5%;

3. Nantero, Inc. - 1,9%;

4. Tsinghua University - 1,9%;

5. Hong Fujin Precision Industry - 1,8%.

IBM и Samsung потихоньку на пятки наступают китайские товарищи, что вполне логчно, учитывая перспективность направления. 

Динамика по годам представлена на рис. 1.

Видно, что пик патентования изобретений пришёлся на 2004-2010 годы, а потом устойчиво пошёл на спад. 

Специальный поиск для полупроводниковых приборов по (Carbon nanotubes electronics) (H01L) выдал более 30000 патентов в мире. Лидерами по числу патентов в этой теме являются следующие патентообладатели:

1. Fujitsu Limited - 5,7%;

2. Samsung Electronics Co., Ltd. 3,2%;

3. International Business Machines Corporation - 2,3%;

4. Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. - 2%;

5. Tsinghua University - 1,6%;

6. Nanosys, Inc. - 1,4%;

7. The Regents Of The University Of California - 1,3%.

Динамика по годам представлена на рис. 2.

Видно, что и в этом патентном разделе пик пришёлся на конец 2000-х и к настоящему времени активность патентования снизилась вдвое.

Эксперты Онлайн Патент делают вывод, что УНТ, забрав существенные ресурсы на НИОКТР, не оправдали своих широких надежд в области электроники. Возможно, они стали нишевым компонентом нано- и микроэлектроники.

Патенты РФ

В базе ФИПС по рефератам на термин «Углеродные нанотрубки электроника» 06.09.2025 обнаружено 22 патента РФ на изобретения за период 2007-2023 гг., действующих 10 ед. По разделу «H» (электричество) 5 патентов на изобретения, причем по H10K ни одного, а по H01L один. Это №2552597 (2015) Гибкий солнечный элемент. МСД Текнолоджис частная компания с ограниченной ответственностью (Люксембург). Внешний слой катода выполнен из светопроницаемого полимерного материала, а его внутренний слой выполнен из углеродных нанотрубок; внешний слой анода выполнен из проводящего материала, а его внутренний слой выполнен из наночастиц полупроводникового материала.

Стоит отметить, что ФИПС учитывает 840 (!) патентов на изобретения на тему углеродных нанотрубок.

Мы применили второй метод поиска изобретений РФ по базе ФИПС: комбинация запроса в реферате «Углеродные нанотрубки» + код МПК. Так, комбинация №1 [«Углеродные нанотрубки» + H10K] привела к одному патенту №2812168 (2024). Фотовольтаическое устройство на основе полупроводниковых пленок комплексных галогенидов свинца, стабилизированных производными пиридина. Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук (Черноголовка). В составе фотоактивного слоя могут присутствовать и другие компоненты, например углеродные нанотрубки. Повышается эффективность (КПД>18%) и обеспечивается долговременная эксплуатационная стабильность перовскитных солнечных батарей.

Комбинация №2 [«Углеродные нанотрубки» + H01L] выдала 17 патентов за 2009-2024 гг., из которых 6 действующих. Помимо уже упомянутых ещё 4 ед.. Среди них:

№2414768 (2011) Диод на основе одностенной углеродной нанотрубки и способ его изготовления. Химический факультет Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова. Сущность изобретения: диод на основе одностенной углеродной нанотрубки включает одиночную одностенную углеродную нанотрубку, содержащую модифицирующие вещества. Нанотрубка содержит две части, первая обладает одним типом проводимости, а вторая - другим, отличным от первого. Диод содержит металлические контакты.

№2725899 (2020) Способ детектирования терагерцовых электромагнитных волн. Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского. Сущность изобретения заключается в том, что способ детектирования терагерцового электромагнитного излучения включает направление потока излучения на преобразователь, регистрацию отклика, по которому судят о наличии излучения, при этом в качестве преобразователя выбирают гибридную структуру, представляющую собой эндоэдральный комплекс К+@Cx, где x=36 или 60 или 80, находящийся в полости одностенной углеродной нанотрубки c триммером фуллерена С₆₀, преобразователь располагают таким образом, чтобы поток электромагнитного излучения был направлен поперек оси нанотрубки, а в качестве отклика выходного параметра регистрируют изменение электропроводности гибридной структуры. Технический результат: обеспечение возможности расширения диапазона детектируемых частот и рабочих температур.

№2779608 (2022) Способ получения проводящего покрытия на основе углеродных нанотрубок. Московский институт электронной техники. Изобретение может быть использовано для формирования однородного слоя углеродных нанотрубок (УНТ) на подложках различных материалов, в том числе поверх тонких полимерных слоев; может быть использовано в качестве верхнего или нижнего электрода (в том числе прозрачного) при формировании структур оптоэлектроники и солнечных элементов.

Имеется 138 патента РФ на полезные модели с углеродными нанотрубками, но специальный поиск по описанным выше методикам дал 13 ед. по нашей теме, причём действующих патентов нет! 

Дело в том, что товарищи оформляли патенты, но не платили положенный пошлин, в итоге патенты переходили в общественное достояние или же вот-вот перейдут. 

Также в РФ зарегистрировано в 2016-2018 гг. 5 топологий интегральных схем. Среди них:

№2016630001 Топология преобразователя чувствительного элемента датчика ИК излучения на основе массивов углеродных нанотрубок. Институт нанотехнологий микроэлектроники РАН. Технология изготовления включает: формирование топологического слоя металлизации на слое диэлектрика с использованием контактной фотолитографии и жидкостного химического травления; формирование углублений сквозь слои диэлектрика и металла через маску из фоторезиста методом плазмохимического травления, и синтез в них массивов углеродных нанотрубок в реакторе методом плазмостимулированного химического парофазного осаждения. Государственный заказчик Министерство образования и науки РФ.

№2016630052 Топология интегральной микросхемы автоэмиссионной матрицы дисплея на основе углеродных нанотрубок. Войсковая часть 68240. Основное назначение микросхемы - использование в качестве устройства отображения информации на основе полевой эмиссии электронов из углеродных нанотрубок.

№2015630138 Чувствительный элемент газового сенсора на основе массивов углеродных нанотрубок. Войсковая часть 68240. Назначение микросхемы - определение окиси углерода, водорода и оксида азота. 

Баз данных по УНТ зарегистрировано 17 ед. Большинство касается их физико-химических свойств, полимерных и клеевых композиций, токсичности для дыхательных органов человека. Прямо по применению в электронике – нет.

Программ для ЭВМ по УНТ аж 78 ед! К электронике прямое или косвенное отношение имеют следующие:

• №2017660528 Программа расчета динамики распространения двумерных предельно коротких оптических импульсов в брэгговской среде углеродных нанотрубок. Волгоградский государственный университет. Программа предназначена для расчета динамики распространения двумерных предельно коротких оптических импульсов (световых пуль) для проведения научных исследований в области физики конденсированного состояния вещества, квантовой физики, когерентной и нелинейной оптики. 

• №2023666861 Программа для расчёта электрического сопротивления двумерных массивов углеродных нанотрубок. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого. Программа может использоваться для проектирования и характеризации прозрачных проводящих электродов на основе углеродных нанотрубок.

• №2024660254 Проводимость ОУНТ. Петров Алексей Геннадьевич. Программа предназначена для расчета проводимости однослойных углеродных нанотрубок — базового компонента перспективных элементов наноэлектроники. Может использоваться на ПЭВМ инженера-разработчика в процессе разработки перспективных элементов микроэлектроники (транзисторов) на основе углеродных нанотрубок.

НИОКТР

В ГИС «Наука» числится по запросу «Углеродные нанотрубки в электронике» 73 документа, в основном отчёты по НИР, диссертации, объекты интеллектуальной деятельности. Так, НИР «Биоинтегрированная электроника на основе углеродных нанотрубок и графена» выполнен в 2024 г. за 34 млн руб. в. МИЭТ совместно с ФГБНУ «Научно-производственный комплекс «Технологический центр» и ФГБУН Институт нанотехнологий микроэлектроники РАН. Биомедицинские исследования проведены в сотрудничестве с ФГАОУ ВО Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский Университет) и ФГБУ «Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии имени почетного академика Н.Ф. Гамалеи». Объект исследования – наноструктуры на основе углеродных нанотрубок, графена и их гибридов, свойства наноструктур для гибкой нательной и имплантируемой биоэлектроники. Цель работы – поиск новых наноструктур на основе углеродных нанотрубок и графена с управляемыми электрофизическими, оптическими и механическими свойствами для гибкой нательной и имплантируемой биоэлектроники.

Дело в том, что в последнее время наиболее остро встала проблема несовместимости диагностической и терапевтической традиционной кремниевой электроники с биотканями различных органов, решение которой может быть достигнуто с помощью гибких биосовместимых электронных компонентов. 

Нас привлекли также начатые работы, поскольку они потенциально способны дать новые патенты.

Так, например, Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения РАН выполняет в 2024-2027 гг. за 18 млн руб. НИР «Развитие подходов по созданию новых элементов электроники на основе гибких полимерных композиционных материалов с углеродными нанонаполнителями» для Российского научного фонда. 

Исследование и разработка технологических подходов и моделей процессов синтеза наноразмерных углеродных материалов и изучение свойств получаемых на их основе структур для нано- и микроэлектроники за 170 млн руб. от Минобрнауки осуществляет в 2025-2027 гг. ИНМЭ РАН. Данные наноматериалы могут применяться для создания новых высокоэффективных активных и пассивных элементов кремний-углеродной электроники: холодные эмитирующие катоды на базе нанотрубок и наностенок, композитные материалы с углеродными нанотрубками, полевые транзисторы с функциональными слоями из углеродных нанотрубок, приемники излучения широкого диапазона частот, элементы памяти и др. 

Коллектив ИНМЭ РАН имеет многолетний опыт работы на технологическом оборудовании для синтеза углеродных материалов и алмазных пленок методом газофазного осаждения из плазмы ВЧ- и СВЧ-разряда, кремниевой полупроводниковой линейки в части литографии, напыления и травления тонких пленок из металлов и диэлектриков, высоковакуумной зондовой станции для исследования ВАХ и частотных характеристик электронных схем, высоковакуумному испытательному стенду для исследования автоэмиссионных характеристик, тренировки и проведения ресурсных испытаний КСУ, аналитическому оборудованию (рентгеноструктурный анализ, зондовые атомно-силовые, туннельные и электронные микроскопы, спектроскопия комбинационного рассеяния, оже-спектроскопия) для исследования разрабатываемых структур.

Заключение

Изобретательский хайп относительно углеродных нанотрубок пришёлся на 2000-е годы. За последние 15 лет мировая активность патентования изобретений по этой теме упала в 3 раза! Мы так понимаем, что УНТ отчасти нашли, но в значительной степени ещё ищут узкое, нишевое, специальное применение в электронике.

В России имеются немногочисленные патенты на изобретения и полезные модели. Патентообладателями выступают вузы. Да и сами российские патенты носят в большинстве своём «бумажный», бросовый характер, как будто изначально мертворождённые.

Серьёзные предприятия отечественной электроники, а также основательные исследовательские центры РАН, патентов по данной теме не имеют. Однако они регистрируют и перепродают топологии интегральных схем с углеродными нанотрубками.