根據一家公司總部位於阿布達比的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)更適用於光電元件,同時也比碳奈米管(CNT)和石墨烯適合更多的半導體元件應用。

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達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/或高頻電子元件。

20180323_protomene_NT01P1 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是一種二位元的化合物,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可望在光電元件中找到新的應用,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可能比碳奈米管和石墨烯更適用於許多半導體元件中。事實上,無論是金屬還是半導體,目前製造碳奈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矽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,例如富勒烯和奈米管。

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,而與下一個垂直堆疊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

(參考原文:Carbon Allotrope Claims Edge Over GaN, Graphene,by Nitin Dahad)