为电子“千军万马”开“绿色通道”

2019-03-25

  铜、金和银是目前应用最广泛的优良导体,但当这些材料变得很薄,进入二维尺度时,电子的散射明显增多,其运动方向容易发生大角度偏折,导电性将迅速变差。

  近日,复旦大学物理学系修发贤课题组与中国科学院强磁场科学中心、南京大学、加州大学戴维斯分校等合作,观测到外尔半金属材料凯发ag砷化铌近乎完美的导电特性,为寻找超高导电材料提供了新思路。3月19日,相关研究成果在线发表于《自然—材料》。

  “电子在纳米结构中的传输是一个‘千军万马过独木桥’的过程,而我们找出了一条绿色通道。”复旦大学物理学系教授、该论文通讯作者修发贤这样介绍这一最新研究成果。

  千军万马过独木桥

  导体材料区别于绝缘体,其中有大量可以自由导电的电子。当电子流过导体时,会损耗一部分电子能量,从而导致导体发热,比如电水壶就是根据这一原理加热,但在很多情况下,这种发热都是不必要的,比如传输电信号、电能的过程,发热不仅耗费能源,还可能引发事故。

  另外,随着芯片水平的提高,计算机和智能设备体积越来越小,信号传输量爆炸式增长,也导致芯片中上千万细如发丝的晶体管互连导线运送的电子更密集,“运送压力”加大,产生的热量增多。

  这在一定程度上制约着信息领域的进一步发展,修发贤说:“电流从输入端进入芯片时,犹如千军万马从大草原一下子上了独木桥,若找不到‘宽敞’的通路,相互撞击,四处‘碰壁’,电子在独木桥上耗散巨大,那么芯片就会剧烈发热,影响设备的运行状态。”

  不用“排队”,也不会“拥挤”,有没有一种办法让大量电子在这些纳米级互连导线中顺畅高速通行?“如果能构建一条‘绿色通道’就好了!”

  突破“一高一低”的制备难题

  近年来,砷化铌作为第一批发现的外尔半金属被广泛研究,但以往成果都止步于肉眼可见的高维度体材料,其低维状态下的物理性质研究迟迟未有涉及。

  “砷化铌是研究人员的‘老朋友’了,但要想进一步研究砷化铌,其纳米材料的制备是要过的第一道难关。”修发贤说。

  铌的熔点很高,砷的熔点较低,把这两种材料融在一起非常难。简单的高温加热完全无法制备低维材料。研究人员首次利用氯化铌、砷和氢气化学反应成功制备砷化铌纳米带,在世界上首次实现外尔半金属纳米结构的制备。修发贤介绍,除了发现新的化学制备方法之外,在实验过程中纳米样品的生长条件也非常苛刻,包括温度、气体流量、催化剂的综合控制。

  经过一年多的反复试验,纳米结构终于长出来了。

  从“0”到“1”制备出了高质量砷化铌样品后,修发贤团队还不满足,决意进一步观察材料特性。

  研究人员发现,砷化铌表面态具有近乎完美的超高电导率,其导电性高于金属铜薄膜百倍,高于石墨烯千倍,这也是目前二维体系中已知的最高电导率,在电力传输和低功耗器件方面具有应用价值。

  犹如镀金的瓷碗

  一般来说,增加导体导电性无非两种办法,一是增多电子数量,二是让电子跑得快些,然而这两者很难同时实现。增加电子的情况下,电子会发生偏离导电方向的散射,其中一些散射是大角度的,使电子的运动与导电方向南辕北辙。如果电子要跑得快,必须让电子的迁移率比较高。

  “在外尔半金属砷化铌纳米带的表面,不可思议的事情发生了。”研究人员发现,虽然外尔半金属砷化铌内部导电性比较普通,但其表面存在一个导电性异常好的通道。在该通道,即使电子增多,也不会发生大角度散射,所有电子沿同一个方向运动,提高电子传输效率。利用这种特殊的电子结构,可以在提高电子数量的同时,降低电子散射,从而实现优异的导电特性,这在降低电子器件能耗等方面有潜在应用。

  修发贤介绍,砷化铌纳米带的高电导率要归功于其表面与众不同的电子结构——具有拓扑保护的表面态(费米弧)。“拓扑保护的表面态就像是家里用的瓷碗外表面镀了一层金,瓷碗本身不导电,但表面的这层金膜导电。如果存在拓扑保护,这层金膜被磨掉之后,下面就会自动再出现一层金膜,重新形成导电层。”

  专家表示,与常规的量子现象不同,费米弧这一特性即使在室温仍然有效。费米弧的这些特性无疑提高了材料的电导率。(记者 黄辛)

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