3月19日，材料領域國際頂級期刊《自然·材料》發(fā)表了復旦大學修發(fā)賢團隊最新研究論文，《外爾半金屬砷化鈮納米帶中的超高電導率》。修發(fā)賢團隊制備出二維體系中具有目前已知最高導電率的外爾半金屬材料-砷化鈮納米帶，該材料電導率是銅薄膜的一百倍，石墨烯的一千倍，這也是目前二維體系中的最高電導率。
“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?！睆偷┐髮W物理學系教授修發(fā)賢這樣介紹他的最新研究成果。
導電材料是電子工業(yè)的基礎，現(xiàn)在最主要的材料是銅，已大規(guī)模用于晶體管的互連導線。但遺憾的是，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，導電性將迅速變差。
信息時代，計算機和智能設備體積越來越小，信號傳輸量爆炸式增長，芯片中上千萬細如發(fā)絲的晶體管互連導線“運送壓力”隨之加大。而當銅變得很薄，進入二維尺度時，電阻變大，導電性迅速變差，功耗大幅度增加。這也是制約芯片等集成電·技術進一步發(fā)展的重要瓶頸。
不用“排隊”，也不會“擁擠”，有û有一種辦法讓大量電子在這些納米級互連導線中順暢高速通行?“如果能構(gòu)建一條‘綠色通道’就好了!”
一般來說，增加導電性無非有兩種辦法，一是把電子變多，二是讓電子跑得快些，然而，這兩者很難同時實現(xiàn)。但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，修發(fā)賢課題組基于拓撲表面態(tài)(費米弧)的低散射率機制，實現(xiàn)了百倍于金屬銅薄膜和千倍于石墨烯的導電性，這是目前二維體系中最好的。
砷化鈮其實是物理學家們的“老朋友”了，近幾年作為第一批發(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δ有涉及。納米材料的制備是要過的第一道難關。
“鈮的熔點很高，砷的熔點又特別低，要把這兩種材料融在一起非常難?！备邷丶訜帷罢簟辈怀鰜?，半年后，研究人員改變“硬碰硬”的思·，用氯化鈮和氫氣的化學反應作為鈮的來源，再與砷結(jié)合。氣體流量有多大?溫度有多少?是不是需要催化劑?又經(jīng)過一年多的反復試驗，納米結(jié)構(gòu)終于長出來了。
寬約幾微米，長約幾十微米，厚度在納米級別，在指甲蓋大小的氧化硅襯底上，分布著百萬個比頭發(fā)絲還要細的納米晶體。課題組從“0”到“1”制備出了高質(zhì)量樣品，這本身已是一項創(chuàng)舉。
在成功制備砷化鈮納米帶之后，修發(fā)賢團隊還不滿足，決意攀登更高的山峰：進一步觀察和發(fā)現(xiàn)材料特性。研究人員發(fā)現(xiàn)，制備出的新材料有著驚人的高導電率，材料本身既具有很高濃度的電子又具備超高的遷移率。
修發(fā)賢介紹，砷化鈮納米帶的高電導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)的概念可以這樣理解，就像是家里用的瓷碗外表面鍍了一層金，瓷碗本身不導電，但表面這一層金膜導電。更神奇的是，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，重新形成導電層。這就是一種由物質(zhì)本身的電子結(jié)構(gòu)決定的拓撲表面態(tài)?！?/p>
復旦大學物理學系教授 修發(fā)賢：我們利用了氯化鈮，利用了砷還有氫氣三種元素把它們放在一起進行化學反應來制備這種砷化鈮納米帶，這種材料它表面有一個表面態(tài)，這個表面態(tài)就允許電子在上面快速地通行，可以說是我們創(chuàng)造了一個綠色的通道，這樣的話，在低維尺度下，就可以讓電子快速通過而降低能耗。
同時，區(qū)別于超導材料只能在零下幾十度超低溫下應用，新材料砷化鈮的高電導機制即使在室溫下仍然有效。這一發(fā)現(xiàn)也為材料科學尋找高性能導體提供了一個可行思·，在降低電子器件能耗等方面有重大價值。
復旦大學物理學系教授 修發(fā)賢：我們的手機發(fā)熱、電腦發(fā)熱是有兩個原因，晶體管本身的發(fā)熱和電流流經(jīng)這些(互連)導線所產(chǎn)生的導線發(fā)熱，那我們現(xiàn)在要解決的問題就是導線的發(fā)熱，我們的這個材料就可以在這一方面有所用途。
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