來自美國能源部SLAC國家加速實驗室、斯坦福大學(xué)的理論物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，單層錫原子可能會成為世界上第一種能在常溫下(就計算機芯片而言)達到100%導(dǎo)電率的超級材料，遠遠勝過近年來的熱門材料石墨烯。
研究人員把這種新材料叫做“Stanene”。這是將錫的拉丁語名稱(stannum)和石墨烯(graphene)的詞尾組合在一起而來的。石墨烯也是一種單層材料，但原子是碳，出色的電子性能使其有非常著廣泛的應(yīng)用。
領(lǐng)導(dǎo)這次實驗的斯坦福、斯坦福材料與能源科學(xué)研究院(SLAC合作機構(gòu))物理學(xué)教授張守晟(音)說：“如果我們的預(yù)言能夠得到全球多家實驗室正在進行的試驗的證實，Stanene或許可以提高未來計算機的速度，并降低能耗。”
過去十年間，張教授和他的同事計算和預(yù)測了這種叫做拓撲絕緣體(topological insulator)的特殊材料的電子性能，其導(dǎo)電性只存在于材料的邊緣或表面，而不是內(nèi)部。當(dāng)拓撲絕緣體只有一層原子厚的時候，它的邊緣導(dǎo)電性就會達到完美的100%。這種不尋常的性能來自材料內(nèi)部電子和重原子核之間復(fù)雜的互動。
張教授表示：“拓撲絕緣體的秘密在于它本身的特性。它能使電子沿著一定的方向移動，而沒有任何速度限制，就像在高速公路上一樣。只要它們在高速公路上，也就是材料的邊緣和表面，電子就可以沒有限制地移動。”
2006年和2009年，張教授的研究小組預(yù)測，碲化汞和幾種鉍、銻、硒、碲的化合物應(yīng)該是拓撲絕緣體，其他試驗很快就證實了這一點，但這些材料在常溫下都不是電的完美導(dǎo)體，商業(yè)應(yīng)用很有限。
今年初，來自清華大學(xué)的訪問學(xué)者徐勇(音)與張教授的研究團隊合作，考察了單層純錫的性能。
徐勇稱：“我們知道，我們應(yīng)該考察元素周期表右下角的那些元素。之前所有富電子的重元素拓撲絕緣體都在這里。”
他們的計算表明，單層錫在室溫甚至室溫以上都是拓撲絕緣體，而且如果在錫中加入氟原子，工作范圍可以達到至少100℃。
張教授說，這種錫氟化合物的第一個應(yīng)用，就是制作微處理器元件間的連線，讓電子可以像汽車在高速公路上一樣快速移動。在傳統(tǒng)的導(dǎo)體中，汽車上下斜坡時會發(fā)生交通堵塞，但是Stanene制作的連線刻意大幅減少微處理器的能耗和發(fā)熱。
當(dāng)然，這并不容易，必須確保只使用單層的錫，并且在制作芯片的高溫過程中要保證單層錫的完整。
張教授說：“最終，我們可以將Stanene用在更多的電路結(jié)構(gòu)中，甚至是代替晶體管的核心元素硅?；蛟S有一天，硅谷會改名叫錫谷。”
將氟原子(黃色)加入單層的錫原子(灰色)就會得到Stanene，邊緣(藍色和紅色)的導(dǎo)電性近乎完美
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