新型碳同素異形體性能強(qiáng)過的GaN，石墨烯

最近一期的科學(xué)雜志“低碳”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。

該計(jì)劃同時(shí)也是阿拉伯聯(lián)合酋長國（阿拉伯聯(lián)合酋長國）政府因應(yīng)2017年9月啟動(dòng)“第四次工業(yè)命“（Fourth Industrial Revolution）政策所需創(chuàng)新與未來技術(shù)的一部分。

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，而現(xiàn)在我們將真正實(shí)現(xiàn)這種材料“。

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(jiǎng)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(gè)新的碳同素異形體類型，同時(shí)也是自2010年諾貝爾獎(jiǎng)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型直接能隙半導(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。

不過，由于氮化鎵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(duì)于缺陷的掌握度可能比的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(duì)其進(jìn)行控制。相反地，Protomene預(yù)計(jì)將會(huì)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(huì)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(duì)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(gè)原子中的6個(gè)能夠采用完全平面的sp2的幾何形狀，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(duì)原子形成相對(duì)較弱的鍵。這種額外的鍵合形成將使總能量每鍵降低約1電子伏特，從而引起電子特性的明顯改變。

編譯：Susan Hong

文章來源：eMedia Asia Ltd.