建立绿色通道,使电子传输不再通过“单桥”



“纳米结构中的电子传输是'成千上万匹马经过木桥'的过程,我们找到了一个绿色通道。”复旦物理系教授,修发贤这是最新研究。

移动纳米尺寸导体的电子,如果找不到“宽敞”的路径,相互碰撞,到处“撞墙”,导体会升温并导致能量损失。寻找超高导电材料是解决这些问题的关键。

最近,修发贤组在砷化铌纳米频带中观察到其表面电导率,这是当前二维系统中的最高电导率。低电子散射概率的机制来源于外尔半金属的独特电子结构。相关研究论文已在国际知名期刊上发表。

让很多电子设备高速通过

正如固体管道不能通过水一样,空心管道允许水流过。如果材料中存在大量可以参与传导的自由电子,则称为导体。每单位时间每单位面积的电子量决定了材料的导电性。

铜,金和银是最广泛使用和优秀的导体。其中,铜已被大规模用于互连晶体管的导线。但不幸的是,当这些材料变得非常薄时,当它们进入二维尺度时,电子的散射显着增加,并且运动方向倾向于以大角度偏转,并且导电性将迅速恶化。

在信息时代,计算机和智能设备越来越小,同时信号传输量也在不断增加。芯片中数千万根细线互连线的“传输压力”增加。 “电流从输入端进入。”当使用芯片时,它相当于木桥上草原上的一千匹马。如果电子在木桥上有很大的耗散,那么芯片在运行时就会升温,从而影响工作状态。“修发贤说,在某种程度上限制了信息领域的进一步发展。

没有必要“排队”或“挤出”。有没有办法让大量电子顺利通过这些纳米级互连线? “如果你能建立一个绿色通道!”

导电比石墨烯多数千倍

通常,有两种方法可以增加电导率。一种是增加电子数量,另一种是使电子运行得更快。但是,很难同时实现这两个目标。但是在外尔半金属砷化铌纳米频段的表面上,发生了令人难以置信的事情。基于拓扑表面态的低散射率机制,修发贤组实现了金属铜膜电导率的数百倍和石墨烯的数千倍,这是目前二维系统中最好的。

砷化砷实际上是物理学家的“老朋友”。近年来,作为首批发现的第一批外尔半金属,它已被广泛研究,但之前的研究已停止在肉眼可见的高维材料上,其低维状态物理性质的研究还没有参与其中。纳米材料的制备是第一个难以通过的。

“铋的熔点非常高,砷的熔点极低。将这两种材料结合起来非常困难。“高温加热”蒸汽不会出现。半年后,他们改变了用氯化钡“硬化”的想法。与氢的化学反应用作钌的来源,然后与砷结合。气流有多大?现在多少度?它是催化剂吗?经过一年多的反复试验,纳米结构终于发展起来了。

它大约几微米宽,大约几十微米长,并且具有纳米的厚度。在指甲大小的氧化硅衬底上,有数百万个比头发更薄的纳米晶体。研究团队准备了从“0”到“1”的高质量样品,这本身就是一项开创性的工作。

评审人员对样品质量进行了高度评价:“用于制备砷化铌纳米磁带的方法很有趣,也很有创新,这在拓扑材料领域非常及时。”“他们的成长非常好。样品“。

高性能导体材料新思路

在成功准备了砷化铌纳米频段后,修发贤团队不满意并决定攀登更高的山峰:进一步观察和发现材料特性。研究小组发现,所生产的新材料具有惊人的高导电性,材料本身具有高浓度电子和超高迁移率。

修发贤简介,砷化铌纳米频带的高电导率归因于其独特的电子结构 - 拓扑保护的表面状态。 “拓扑保护表面状态的概念可以理解为它是家用瓷碗。表面涂有一层金。瓷碗本身不导电,但表面上的金膜是导电的。更令人惊奇的是,如果有拓扑保护,在金膜磨损后,下一层会自动出现一层金。膜,重整导电层。这是由材料本身的电子结构决定的拓扑表面状态。“

那么你怎么知道这种表面状态导致高导电性?该团队使用一种方法测量低温量子振荡,证明来自表面状态费米弧的电子贡献了大部分电导率。修发贤告诉“科学日报”记者:“砷化物中的这种费米弧表面状态具有低散射率,即使在较高的电子浓度下,系统仍然保持低散射概率。这确保了大多数电子沿着一个方向的运动大大增加了电子传输效率。“

与传统的量子现象不同,费米弧功能即使在室温下也是有效的。该发现为寻找高性能导体提供了可行的思路。利用这种特殊的电子结构,可以在增加电子数量的同时减少电子散射,从而实现优异的导电特性,这在降低电子器件的能量消耗方面具有潜在的应用。 [编辑:武玥彤]