一种新的碳同素异形体——protomene比氮化镓(GaN)更适用于光电组件

根据一家公司总部位于阿布扎比的Alfields LLC.声称，该公司的研究人员发现了一种新的碳同素异形体——protomene，它可能比氮化镓(GaN)更适用于光电组件，同时也比碳纳米管(CNT)和石墨烯适合更多的半导体组件应用。针对这个主题的研究就发表在最近一期的科学杂志《Carbon》上，研究人员在文中探讨这种新型碳同素异形体的结构，并认为它很可能发展成为促进电子产业重大进展的材料。

致力于这项研究的国际专家研究团队是由Alfields LLC.的Mohamed Al Fahim和Rashid al Fahim两兄弟为主导。该计划同时也是阿拉伯联合酋长国(United Arab Emirates)政府因应2017年9月启动“第四次工业命”(Fourth Industrial Revolution)政策所需创新与未来技术的一部份。

美国核子化学家兼Alfields首席科学家Larry Burchfield说：“protomene碳同素异形体及其重要的特性，一直是具前瞻性思维的创新人员和制造商在近几十年来的愿望清单，而今我们将真正实现这种材料。”Burchfield说：“我们目前已经跳脱‘梦想’阶段了，最终为半导体、光电、涂料和节能等领域带来了十分有利的影响力。”。Alfields说，这可能是自诺贝尔奖得主Robert F. Curl Jr.、Sir Harold W. Krotoand和Richard E. Smalley发现富勒烯(fullerenes)以来的第一个新的碳同素异形体类型，同时也是自2010年诺贝尔奖得主Andre Geim与Konstantin Novoselov发现石墨烯以来最重大的进展。

研究人员并进一步与位于阿布扎比的哈利法科技大学(Khalifa University of Science and Technology)合作，共同展开实际制造protomene的下一阶段计划。Protomene经证实是一种极具潜力的新式直接能隙半导体。其能隙(band gap)十分接近于GaN——在室温下，GaN的能隙约为3.4eV。因此，protomene拥有与GaN类似的半导体特性，使其能够应用于具有高击穿电压的高功率和/或高频电子组件。

价电带(虚线部份)顶部周围能量区的Protomene电子状态（来源：Carbon）

不过，由于GaN是一种二位的化合物，在其晶体生长过程中不易控制成份，而protomene则是单元素的碳同素异形体，对于缺陷的掌握度可能比GaN更好。由于间隙幅度位于可见光谱的蓝色端附近，protomene可望在光电组件中找到新的应用，例如产生LED的蓝光或紫外光(UV)，或是作为光学用的UV滤光器。

此外，以能隙的观点来看，protomene可能比碳纳米管和石墨烯更适用于许多半导体组件中。事实上，无论是金属还是半导体，目前制造碳纳米管的障碍之一就在于对其进行控制。相反地，Protomene预计将会是一种随温度变化的半导体。

探索新的同素异形体

protomene的热膨胀很可能会发生在板间的结合上。当温度升高时，从低温半导体的48原子单元结构，转变为高温金属的24原子单元结构特性，可能发生结构相变。随着相变的发生，能隙将迅速收敛，其速度甚至比在钻石和硅中的衰变和热膨胀更快得多。

因此，这种相变将提供灵敏的温度控制光学滤波器。最终并转变为protomene的高温无二聚体金属，同时还具有潜力实现温度控制光电开关等应用。几十年来，追求新的碳同位素，已成为日益积极活跃的研究领域了。碳同素异形体具有各种结构和电子特性，促进了广泛的研究兴趣。

碳通常具有三种极具竞争力的不同轨域混成类型——sp、sp2和sp3。这可让碳原子分别以多种不同的方式相互结合。sp3的配置产生具有绝缘特性和高刚度的三维(3D)网络，如立方体和六角形钻石。相对地，sp (线性)和sp2 (平面)混成则实现灵活的结构，如卡拜(carbine)和石墨烯，这些结构通常具有小的电子带间能隙或甚至是金属特性。中间混成也很常见，例如富勒烯和纳米管。protomene是一种基于结合sp2和sp3混成的全新稳定碳结构，其中24个原子中的6个能够采用完全平面的sp2几何形状，因而能从平面中移出，而与下一个垂直堆栈晶格中的配对原子形成相对较弱的键。这种额外的键合形成将使总能量每键降低约1eV，从而引起电子特性的明显改变。