根據(jù)一家公司總部位于阿布扎比的Alfields LLC.聲稱，該公司的研究人員發(fā)現(xiàn)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(dǎo)體組件應(yīng)用。

針對這個主題的研究就發(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(jié)構(gòu)，并認(rèn)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(xiàng)研究的國際專家研究團(tuán)隊(duì)是由Alfields LLC.的Mohamed Al Fahim和Rashid al Fahim兩兄弟為主導(dǎo)。該計(jì)劃同時(shí)也是阿拉伯聯(lián)合酋長國(United Arab Emirates)政府因應(yīng)2017年9月啟動“第四次工業(yè)命”(Fourth Industrial Revolution)政策所需創(chuàng)新與未來技術(shù)的一部份。

美國核子化學(xué)家兼Alfields首席科學(xué)家Larry Burchfield說：“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的愿望清單，而今我們將真正實(shí)現(xiàn)這種材料。”

Burchfield說：“我們目前已經(jīng)跳脫‘夢想’階段了，最終為半導(dǎo)體、光電、涂料和節(jié)能等領(lǐng)域帶來了十分有利的影響力。”。

Alfields說，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(xiàn)富勒烯(fullerenes)以來的第一個新的碳同素異形體類型，同時(shí)也是自2010年諾貝爾獎得主Andre Geim與Konstantin Novoselov發(fā)現(xiàn)石墨烯以來最重大的進(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，共同展開實(shí)際制造protomene的下一階段計(jì)劃。

Protomene經(jīng)證實(shí)是一種極具潛力的新式直接能隙半導(dǎo)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類似的半導(dǎo)體特性，使其能夠應(yīng)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(虛線部份)頂部周圍能量區(qū)的Protomene電子狀態(tài)（來源：Carbon）

不過，由于GaN是一種二位的化合物，在其晶體生長過程中不易控制成份，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光譜的藍(lán)色端附近，protomene可望在光電組件中找到新的應(yīng)用，例如產(chǎn)生LED的藍(lán)光或紫外光(UV)，或是作為光學(xué)用的UV濾光器。

此外，以能隙的觀點(diǎn)來看，protomene可能比碳納米管和石墨烯更適用于許多半導(dǎo)體組件中。事實(shí)上，無論是金屬還是半導(dǎo)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(yù)計(jì)將會是一種隨溫度變化的半導(dǎo)體。

探索新的同素異形體

protomene的熱膨脹很可能會發(fā)生在板間的結(jié)合上。當(dāng)溫度升高時(shí)，從低溫半導(dǎo)體的48原子單元結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷亟饘俚?4原子單元結(jié)構(gòu)特性，可能發(fā)生結(jié)構(gòu)相變。隨著相變的發(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(zhuǎn)變?yōu)閜rotomene的高溫?zé)o二聚體金屬，同時(shí)還具有潛力實(shí)現(xiàn)溫度控制光電開關(guān)等應(yīng)用。

幾十年來，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(jié)構(gòu)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型——sp、sp2和sp3。這可讓碳原子分別以多種不同的方式相互結(jié)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 (線性)和sp2 (平面)混成則實(shí)現(xiàn)靈活的結(jié)構(gòu)，如卡拜(carbine)和石墨烯，這些結(jié)構(gòu)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，例如富勒烯和納米管。

protomene是一種基于結(jié)合sp2和sp3混成的全新穩(wěn)定碳結(jié)構(gòu)，其中24個原子中的6個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。