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(fā)表在最近一期的科學雜志《Carbon》上，研究人員在文中探討這種新型碳同素異形體的結構，并認為它很可能發(fā)展成為促進電子產業(yè)重大進展的材料。

致力于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(lián)合酋長國(United Arab Emirates)政府因應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(chuàng)新人員和制造商在近幾十年來的愿望清單，而今我們將真正實現(xiàn)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、涂料和節(jié)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(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展。

研究人員并進一步與位于阿布扎比的哈利法科技大學(Khalifa University of Science and Technology)合作，共同展開實際制造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類似的半導體特性，使其能夠應用于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(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于許多半導體組件中。事實上，無論是金屬還是半導體，目前制造碳納米管的障礙之一就在于對其進行控制。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(fā)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?yōu)楦邷亟饘俚?4原子單元結構特性，可能發(fā)生結構相變。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濾波器。最終并轉變?yōu)閜rotomene的高溫無二聚體金屬，同時還具有潛力實現(xiàn)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)網絡，如立方體和六角形鉆石。相對地，sp (線性)和sp2 (平面)混成則實現(xiàn)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是一種基于結合sp2和sp3混成的全新穩(wěn)定碳結構，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。