新型碳同素異形體性能強過GaN、石墨烯

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

針對這個主題的研究就發表在最近一期的科學雜誌《Carbon》上，研究人員在文中探討這種新型碳同素異形體的結構—，並認為它很可能發展成為促進電子產業重大進展的材料。

致力於這項研究的國際專家研究團隊是由Alfields LLC.的Mohamed Al Fahim和Rashid al Fahim兩兄弟為主導。該計劃同時也是阿拉伯聯合大公國(United Arab Emirates)政府因應2017年9月啟動「第四次工業命」(Fourth Industrial Revolution)政策所需創新與未來技術的一部份。

美國核子化學家兼Alfields首席科學家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新人員和製造商在近幾十年來的願望清單，而今我們將真正實現這種材料。」

Burchfield說：「我們目前已經跳脫『夢想』階段了，最終為半導體、光電、塗料和節能等領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發現富勒烯(fullerenes)以來的第一個新的碳同素異形體類型，同時也是自2010年諾貝爾獎得主Andre Geim與Konstantin Novoselov發現石墨烯以來最重大的進展。

研究人員並進一步與位於阿布扎比的哈利法科技大學(Khalifa University of Science and Technology)合作，共同展開實際製造protomene的下一階段計劃。

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

價電帶(虛線部份)頂部周圍能量區的Protomene電子狀態（來源：Carbon）

不過，由於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，對於缺陷的掌握度可能比GaN更好。由於間隙幅度位於可見光譜的藍色端附近，protomene可望在光電組件中找到新的應用，例如產生LED的藍光或紫外光(UV)，或是作為光學用的UV濾光器。

此外，以能隙的觀點來看，protomene可能比碳納米管和石墨烯更適用於許多半導體組件中。事實上，無論是金屬還是半導體，目前製造碳納米管的障礙之一就在於對其進行控制。相反地，Protomene預計將會是一種隨溫度變化的半導體。

探索新的同素異形體

protomene的熱膨脹很可能會發生在板間的結合上。當溫度升高時，從低溫半導體的48原子單元結構，轉變為高溫金屬的24原子單元結構特性，可能發生結構相變。隨著相變的發生，能隙將迅速收斂，其速度甚至比在鑽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濾波器。最終並轉變為protomene的高溫無二聚體金屬，同時還具有潛力實現溫度控制光電開關等應用。

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域了。碳同素異形體具有各種結構和電子特性，促進了廣泛的研究興趣。

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合。

sp3的配置產生具有絕緣特性和高剛度的三維(3D)網路，如立方體和六角形鑽石。相對地，sp (線性)和sp2 (平面)混成則實現靈活的結構，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，例如富勒烯和納米管。

protomene是一種基於結合sp2和sp3混成的全新穩定碳結構，其中24個原子中的6個能夠採用完全平面的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。

編譯：Susan Hong

本文授權編譯自EE Times，版權所有，謝絕轉載

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