為電子“千軍萬馬”開“綠色通道” 突破“一高一低”的制備難題

銅、金和銀是目前應(yīng)用最廣泛的優(yōu)良導(dǎo)體，但當這些材料變得很薄，進入二維尺度時，電子的散射明顯增多，其運動方向容易發(fā)生大角度偏折，導(dǎo)電性將迅速變差。

近日，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系修發(fā)賢課題組與中國科學(xué)院強磁場科學(xué)中心、南京大學(xué)、加州大學(xué)戴維斯分校等合作，觀測到外爾半金屬材料砷化鈮近乎完美的導(dǎo)電特性，為尋找超高導(dǎo)電材料提供了新思路。3月19日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然—材料》。

“電子在納米結(jié)構(gòu)中的傳輸是一個‘千軍萬馬過獨木橋’的過程，而我們找出了一條綠色通道。”復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授、該論文通訊作者修發(fā)賢這樣介紹這一最新研究成果。

千軍萬馬過獨木橋

導(dǎo)體材料區(qū)別于絕緣體，其中有大量可以自由導(dǎo)電的電子。當電子流過導(dǎo)體時，會損耗一部分電子能量，從而導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱，比如電水壺就是根據(jù)這一原理加熱，但在很多情況下，這種發(fā)熱都是不必要的，比如傳輸電信號、電能的過程，發(fā)熱不僅耗費能源，還可能引發(fā)事故。

另外，隨著芯片水平的提高，計算機和智能設(shè)備體積越來越小，信號傳輸量爆炸式增長，也導(dǎo)致芯片中上千萬細如發(fā)絲的晶體管互連導(dǎo)線運送的電子更密集，“運送壓力”加大，產(chǎn)生的熱量增多。

這在一定程度上制約著信息領(lǐng)域的進一步發(fā)展，修發(fā)賢說：“電流從輸入端進入芯片時，猶如千軍萬馬從大草原一下子上了獨木橋，若找不到‘寬敞’的通路，相互撞擊，四處‘碰壁’，電子在獨木橋上耗散巨大，那么芯片就會劇烈發(fā)熱，影響設(shè)備的運行狀態(tài)。”

不用“排隊”，也不會“擁擠”，有沒有一種辦法讓大量電子在這些納米級互連導(dǎo)線中順暢高速通行?“如果能構(gòu)建一條‘綠色通道’就好了!”

突破“一高一低”的制備難題

近年來，砷化鈮作為第一批發(fā)現(xiàn)的外爾半金屬被廣泛研究，但以往成果都止步于肉眼可見的高維度體材料，其低維狀態(tài)下的物理性質(zhì)研究遲遲未有涉及。

“砷化鈮是研究人員的‘老朋友’了，但要想進一步研究砷化鈮，其納米材料的制備是要過的第一道難關(guān)。”修發(fā)賢說。

鈮的熔點很高，砷的熔點較低，把這兩種材料融在一起非常難。簡單的高溫加熱完全無法制備低維材料。研究人員首次利用氯化鈮、砷和氫氣化學(xué)反應(yīng)成功制備砷化鈮納米帶，在世界上首次實現(xiàn)外爾半金屬納米結(jié)構(gòu)的制備。修發(fā)賢介紹，除了發(fā)現(xiàn)新的化學(xué)制備方法之外，在實驗過程中納米樣品的生長條件也非常苛刻，包括溫度、氣體流量、催化劑的綜合控制。

經(jīng)過一年多的反復(fù)試驗，納米結(jié)構(gòu)終于長出來了。

從“0”到“1”制備出了高質(zhì)量砷化鈮樣品后，修發(fā)賢團隊還不滿足，決意進一步觀察材料特性。

研究人員發(fā)現(xiàn)，砷化鈮表面態(tài)具有近乎完美的超高電導(dǎo)率，其導(dǎo)電性高于金屬銅薄膜百倍，高于石墨烯千倍，這也是目前二維體系中已知的最高電導(dǎo)率，在電力傳輸和低功耗器件方面具有應(yīng)用價值。

猶如鍍金的瓷碗

一般來說，增加導(dǎo)體導(dǎo)電性無非兩種辦法，一是增多電子數(shù)量，二是讓電子跑得快些，然而這兩者很難同時實現(xiàn)。增加電子的情況下，電子會發(fā)生偏離導(dǎo)電方向的散射，其中一些散射是大角度的，使電子的運動與導(dǎo)電方向南轅北轍。如果電子要跑得快，必須讓電子的遷移率比較高。

“在外爾半金屬砷化鈮納米帶的表面，不可思議的事情發(fā)生了。”研究人員發(fā)現(xiàn)，雖然外爾半金屬砷化鈮內(nèi)部導(dǎo)電性比較普通，但其表面存在一個導(dǎo)電性異常好的通道。在該通道，即使電子增多，也不會發(fā)生大角度散射，所有電子沿同一個方向運動，提高電子傳輸效率。利用這種特殊的電子結(jié)構(gòu)，可以在提高電子數(shù)量的同時，降低電子散射，從而實現(xiàn)優(yōu)異的導(dǎo)電特性，這在降低電子器件能耗等方面有潛在應(yīng)用。

修發(fā)賢介紹，砷化鈮納米帶的高電導(dǎo)率要歸功于其表面與眾不同的電子結(jié)構(gòu)——具有拓撲保護的表面態(tài)(費米弧)。“拓撲保護的表面態(tài)就像是家里用的瓷碗外表面鍍了一層金，瓷碗本身不導(dǎo)電，但表面的這層金膜導(dǎo)電。如果存在拓撲保護，這層金膜被磨掉之后，下面就會自動再出現(xiàn)一層金膜，重新形成導(dǎo)電層。”

專家表示，與常規(guī)的量子現(xiàn)象不同，費米弧這一特性即使在室溫仍然有效。費米弧的這些特性無疑提高了材料的電導(dǎo)率。