電流傳輸?shù)臎Q定因素是什么？是什么讓電池里的電子活動自如？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-15 00:46
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正如實心的管子不能通水，空心的管子允許水流過，如果材料中有大量可以參與導電的自由電子，則稱為導體。單位時間內通過單位面積的電子數(shù)量，決定了材料導電性的好壞。
銅、金和銀是現(xiàn)行應用最廣泛的優(yōu)良導體。其中，銅已經(jīng)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，電池導電性將迅速變差。
信息時代，計算機和智能設備體積越來越小，同時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，“電流從輸入端進入芯片時，相當于千軍萬馬從大草原一下子上了獨木橋，如果電子在獨木橋上有巨大耗散，芯片運行時就會劇烈發(fā)熱，影響運行狀態(tài)。”修發(fā)賢說，這一定程度上制約著信息領域的進一步發(fā)展。
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線中順暢高速通行？“如果能構建一條綠色通道就好了！”
導電性千倍于石墨烯電池
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)下的物理性質研究遲遲未有涉及。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。”高溫加熱“蒸”不出來，半年后，他們改變“硬碰硬”的思路，用氯化鈮和氫氣的化學反應作為鈮的來源，再與砷結合。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，納米結構終于長出來了。
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”制備出了高質量樣品，這本身已是一項創(chuàng)舉。
《自然·材料》的審稿人對樣品質量給出了高度評價：“用于制備砷化鈮納米帶的方法是有趣的、創(chuàng)新的，這是拓撲材料領域的一項非常及時的工作。”“他們生長出了一些非常好的樣品。”
高性能導體材料新思路
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。課題組發(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，砷化鈮納米帶的高導電率要歸功于其表面與眾不同的電子結構——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。這就是一種由物質本身的電子結構決定的拓撲表面態(tài)。”
那么如何得知這種表面態(tài)導致了高的電導率呢？課題組運用了測量低溫量子震蕩的方法，證明了來自費米弧表面態(tài)的電子貢獻了大部分電導率。修發(fā)賢告訴科技日報記者：“砷化鈮中的這種費米弧表面態(tài)具備低散射率的特性，即使在較高電子濃度的情況下，體系仍然保持低散射幾率。這樣就能確保大部分電子都沿一個方向運動，讓電子傳輸?shù)男蚀蟠筇岣摺?rdquo;
和常規(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。這一發(fā)現(xiàn)為尋找高性能導體提供了一個可行思路。利用這種特殊的電子結構，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)異的導電特性，這在降低電子器件能耗等方面有潛在應用。
銅、金和銀是現(xiàn)行應用最廣泛的優(yōu)良導體。其中，銅已經(jīng)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，電池導電性將迅速變差。
信息時代，計算機和智能設備體積越來越小，同時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，“電流從輸入端進入芯片時，相當于千軍萬馬從大草原一下子上了獨木橋，如果電子在獨木橋上有巨大耗散，芯片運行時就會劇烈發(fā)熱，影響運行狀態(tài)。”修發(fā)賢說，這一定程度上制約著信息領域的進一步發(fā)展。
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線中順暢高速通行？“如果能構建一條綠色通道就好了！”
導電性千倍于石墨烯電池
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)下的物理性質研究遲遲未有涉及。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。”高溫加熱“蒸”不出來，半年后，他們改變“硬碰硬”的思路，用氯化鈮和氫氣的化學反應作為鈮的來源，再與砷結合。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，納米結構終于長出來了。
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”制備出了高質量樣品，這本身已是一項創(chuàng)舉。
《自然·材料》的審稿人對樣品質量給出了高度評價：“用于制備砷化鈮納米帶的方法是有趣的、創(chuàng)新的，這是拓撲材料領域的一項非常及時的工作。”“他們生長出了一些非常好的樣品。”
高性能導體材料新思路
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。課題組發(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，砷化鈮納米帶的高導電率要歸功于其表面與眾不同的電子結構——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。這就是一種由物質本身的電子結構決定的拓撲表面態(tài)。”
那么如何得知這種表面態(tài)導致了高的電導率呢？課題組運用了測量低溫量子震蕩的方法，證明了來自費米弧表面態(tài)的電子貢獻了大部分電導率。修發(fā)賢告訴科技日報記者：“砷化鈮中的這種費米弧表面態(tài)具備低散射率的特性，即使在較高電子濃度的情況下，體系仍然保持低散射幾率。這樣就能確保大部分電子都沿一個方向運動，讓電子傳輸?shù)男蚀蟠筇岣摺?rdquo;
和常規(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。這一發(fā)現(xiàn)為尋找高性能導體提供了一個可行思路。利用這種特殊的電子結構，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)異的導電特性，這在降低電子器件能耗等方面有潛在應用。
