根據一家公司總部位于阿布扎比的Alfields LLC.聲稱(chēng)，該公司的研究人員發(fā)現了一種新的碳同素異形體——protomene，它可能比氮化鎵(GaN)更適用于光電組件，同時(shí)也比碳納米管(CNT)和石墨烯適合更多的半導體組件應用。

針對這個(gè)主題的研究就發(fā)表在最近一期的科學(xué)雜志《Carbon》上，研究人員在文中探討這種新型碳同素異形體的結構，并認為它很可能發(fā)展成為促進(jìn)電子產(chǎn)業(yè)重大進(jìn)展的材料。

致力于這項研究的國際專(zhuān)家研究團隊是由Alfields LLC.的Mohamed Al Fahim和Rashid al Fahim兩兄弟為主導。該計劃同時(shí)也是阿拉伯聯(lián)合酋長(cháng)國(United Arab Emirates)政府因應2017年9月啟動(dòng)“第四次工業(yè)命”(Fourth Industrial Revolution)政策所需創(chuàng )新與未來(lái)技術(shù)的一部份。

美國核子化學(xué)家兼Alfields首席科學(xué)家Larry Burchfield說(shuō)：“protomene碳同素異形體及其重要的特性，一直是具前瞻性思維的創(chuàng )新人員和制造商在近幾十年來(lái)的愿望清單，而今我們將真正實(shí)現這種材料。”

Burchfield說(shuō)：“我們目前已經(jīng)跳脫‘夢(mèng)想’階段了，最終為半導體、光電、涂料和節能等領(lǐng)域帶來(lái)了十分有利的影響力。”。

Alfields說(shuō)，這可能是自諾貝爾獎得主Robert F. Curl Jr.、Sir Harold W. Krotoand和Richard E. Smalley發(fā)現富勒烯(fullerenes)以來(lái)的第一個(gè)新的碳同素異形體類(lèi)型，同時(shí)也是自2010年諾貝爾獎得主Andre Geim與Konstantin Novoselov發(fā)現石墨烯以來(lái)最重大的進(jìn)展。

研究人員并進(jìn)一步與位于阿布扎比的哈利法科技大學(xué)(Khalifa University of Science and Technology)合作，共同展開(kāi)實(shí)際制造protomene的下一階段計劃。

Protomene經(jīng)證實(shí)是一種極具潛力的新式直接能隙半導體。其能隙(band gap)十分接近于GaN——在室溫下，GaN的能隙約為3.4eV。因此，protomene擁有與GaN類(lèi)似的半導體特性，使其能夠應用于具有高擊穿電壓的高功率和/或高頻電子組件。

180322_ND_allotrophe_400價(jià)電帶(虛線(xiàn)部份)頂部周?chē)芰繀^的Protomene電子狀態(tài)（來(lái)源：Carbon）

不過(guò)，由于GaN是一種二位的化合物，在其晶體生長(cháng)過(guò)程中不易控制成份，而protomene則是單元素的碳同素異形體，對于缺陷的掌握度可能比GaN更好。由于間隙幅度位于可見(jiàn)光譜的藍色端附近，protomene可望在光電組件中找到新的應用，例如產(chǎn)生LED的藍光或紫外光(UV)，或是作為光學(xué)用的UV濾光器。

此外，以能隙的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，protomene可能比碳納米管和石墨烯更適用于許多半導體組件中。事實(shí)上，無(wú)論是金屬還是半導體，目前制造碳納米管的障礙之一就在于對其進(jìn)行控制。相反地，Protomene預計將會(huì )是一種隨溫度變化的半導體。

探索新的同素異形體

protomene的熱膨脹很可能會(huì )發(fā)生在板間的結合上。當溫度升高時(shí)，從低溫半導體的48原子單元結構，轉變?yōu)楦邷亟饘俚?4原子單元結構特性，可能發(fā)生結構相變。隨著(zhù)相變的發(fā)生，能隙將迅速收斂，其速度甚至比在鉆石和硅中的衰變和熱膨脹更快得多。

因此，這種相變將提供靈敏的溫度控制光學(xué)濾波器。最終并轉變?yōu)閜rotomene的高溫無(wú)二聚體金屬，同時(shí)還具有潛力實(shí)現溫度控制光電開(kāi)關(guān)等應用。

幾十年來(lái)，追求新的碳同位素，已成為日益積極活躍的研究領(lǐng)域了。碳同素異形體具有各種結構和電子特性，促進(jìn)了廣泛的研究興趣。

碳通常具有三種極具競爭力的不同軌域混成類(lèi)型——sp、sp2和sp3。這可讓碳原子分別以多種不同的方式相互結合。

sp3的配置產(chǎn)生具有絕緣特性和高剛度的三維(3D)網(wǎng)絡(luò )，如立方體和六角形鉆石。相對地，sp (線(xiàn)性)和sp2 (平面)混成則實(shí)現靈活的結構，如卡拜(carbine)和石墨烯，這些結構通常具有小的電子帶間能隙或甚至是金屬特性。中間混成也很常見(jiàn)，例如富勒烯和納米管。

protomene是一種基于結合sp2和sp3混成的全新穩定碳結構，其中24個(gè)原子中的6個(gè)能夠采用完全平面的sp2幾何形狀，因而能從平面中移出，而與下一個(gè)垂直堆棧晶格中的配對原子形成相對較弱的鍵。這種額外的鍵合形成將使總能量每鍵降低約1eV，從而引起電子特性的明顯改變。