碳炔carbyne 會是未來半導體材料嗎? 理論上已知最硬的材料

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碳炔是碳原子聚集在一起形成的链，这些碳原子通过双键或者交替的单键和三键连接在一起。碳炔已被证明比钢强200多倍，是石墨烯抗拉强度的2倍，石墨烯是前一届的纳米材料强度冠军。


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Written By: 昱夫 |

碳炔（carbyne, 亦有譯作“卡拜”、“線型碳”），由單鏈的碳原子連接而成，為目前理論上已知最硬的材料。最近科學家透過理論計算預測，這種新穎材料除了硬，還具備特殊的導電性質，可以藉由拉扯從導體變成半導體甚至是絕緣體！

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萊斯大學（Rice University）的Boris I. Yakobson團隊透過理論模擬來研究碳炔[1]，他們將碳炔拉長後計算其導電性質。結果顯示，當碳炔被拉長，其碳碳鍵會趨向於變得不等長（因為1:3和3:1鍵結結構間的位能障礙變高，使得碳碳原子振動無法簡單越過能障，不能腳踏兩條船，只能分佈在其中ㄧ種情形（見上圖右）），價電子帶到導電帶的能量間距（band gap）也會被拉大，令碳炔變得更不易導電。此外，在考慮其導電性時，碳炔兩端怎麼連接到電極也會對結果產生影響。
研究者之一的Artyukhov說道：「在這項研究前，大部份人都認為碳炔應該穩定處在一長一短的鍵結結構，維持絕緣體的狀態；而我們的理論考慮了原子振動帶來的不確定性，使得零點振動成為與派爾斯不穩定性競爭的變因，抵消了派爾斯不穩定性造成的鍵長不等距情形」。藉由調整施予碳炔的張力，我們可以控制這兩個因素的競爭，調整其導電性，讓它從導電相轉移到半導體相。
目前，碳炔在合成上仍存在許多技術問題，使得對碳炔的研究大都停留在理論階段，應用層面也還無法有效發展。未來有ㄧ天，若是碳炔可以成功量產化，其堅硬的性質和特殊的導電變化，將有巨大潛力應用到電子或是其他產業上！