“電子在納米結(jié)構(gòu)中的傳輸是一個(gè)‘千軍萬(wàn)馬過(guò)獨(dú)木橋’的過(guò)程，而我們找出了一條綠色通道。”復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授修發(fā)賢這樣介紹他的最新研究成果。

在納米尺寸的導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)著的電子，若找不到“寬敞”的通路，相互撞擊，四處“碰壁”，就會(huì)使導(dǎo)體發(fā)熱，產(chǎn)生能量損耗。尋找超高導(dǎo)電材料是解決此類問(wèn)題的一把鑰匙。

近日，修發(fā)賢課題組在砷化鈮納米帶中觀測(cè)到其表面態(tài)具有超高電導(dǎo)率，這也是目前二維體系中的最高電導(dǎo)率，其低電子散射幾率的機(jī)制源自外爾半金屬特有的電子結(jié)構(gòu)(即費(fèi)米弧表面態(tài))。相關(guān)研究論文已在國(guó)際知名期刊《自然·材料》發(fā)表。

讓大量電子高速通行

正如實(shí)心的管子不能通水，空心的管子允許水流過(guò)，如果材料中有大量可以參與導(dǎo)電的自由電子，則稱為導(dǎo)體。單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的電子數(shù)量，決定了材料導(dǎo)電性的好壞。

銅、金和銀是現(xiàn)行應(yīng)用最廣泛的優(yōu)良導(dǎo)體。其中，銅已經(jīng)大規(guī)模用于晶體管的互連導(dǎo)線。但遺憾的是，當(dāng)這些材料變得很薄，進(jìn)入二維尺度時(shí)，電子的散射明顯增多，其運(yùn)動(dòng)方向容易發(fā)生大角度偏折，導(dǎo)電性將迅速變差。

信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)和智能設(shè)備體積越來(lái)越小，同時(shí)信號(hào)傳輸量爆炸式增長(zhǎng)，芯片中上千萬(wàn)細(xì)如發(fā)絲的晶體管互連導(dǎo)線“運(yùn)送壓力”隨之加大，“電流從輸入端進(jìn)入芯片時(shí)，相當(dāng)于千軍萬(wàn)馬從大草原一下子上了獨(dú)木橋，如果電子在獨(dú)木橋上有巨大耗散，芯片運(yùn)行時(shí)就會(huì)劇烈發(fā)熱，影響運(yùn)行狀態(tài)。”修發(fā)賢說(shuō)，這一定程度上制約著信息領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

不用“排隊(duì)”，也不會(huì)“擁擠”，有沒(méi)有一種辦法讓大量電子在這些納米級(jí)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!”

導(dǎo)電性千倍于石墨烯

一般來(lái)說(shuō)，增加導(dǎo)電性無(wú)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(shí)實(shí)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?fù)浔砻鎽B(tài)(費(fèi)米弧)的低散射率機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了百倍于金屬銅薄膜和千倍于石墨烯的導(dǎo)電性，這是目前二維體系中最好的。

砷化鈮其實(shí)是物理學(xué)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(jiàn)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。納米材料的制備是要過(guò)的第一道難關(guān)。

“鈮的熔點(diǎn)很高，砷的熔點(diǎn)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(lái)，半年后，他們改變“硬碰硬”的思路，用氯化鈮和氫氣的化學(xué)反應(yīng)作為鈮的來(lái)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(guò)一年多的反復(fù)試驗(yàn)，納米結(jié)構(gòu)終于長(zhǎng)出來(lái)了。

寬約幾微米，長(zhǎng)約幾十微米，厚度在納米級(jí)別，在指甲蓋大小的氧化硅襯底上，分布著百萬(wàn)個(gè)比頭發(fā)絲還要細(xì)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(xiàng)創(chuàng)舉。

《自然·材料》的審稿人對(duì)樣品質(zhì)量給出了高度評(píng)價(jià)：“用于制備砷化鈮納米帶的方法是有趣的、創(chuàng)新的，這是拓?fù)洳牧项I(lǐng)域的一項(xiàng)非常及時(shí)的工作。”“他們生長(zhǎng)出了一些非常好的樣品。”

高性能導(dǎo)體材料新思路

在成功制備砷化鈮納米帶之后，修發(fā)賢團(tuán)隊(duì)還不滿足，決意攀登更高的山峰：進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)電率要?dú)w功于其表面與眾不同的電子結(jié)構(gòu)——具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的表面態(tài)(費(fèi)米弧)，“拓?fù)浔Ｗo(hù)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(dǎo)電，但表面這一層金膜導(dǎo)電。更神奇的是，如果存在拓?fù)浔Ｗo(hù)，這層金膜被磨掉之后，下面就會(huì)自動(dòng)再出現(xiàn)一層金膜，重新形成導(dǎo)電層。這就是一種由物質(zhì)本身的電子結(jié)構(gòu)決定的拓?fù)浔砻鎽B(tài)。”

那么如何得知這種表面態(tài)導(dǎo)致了高的電導(dǎo)率呢?課題組運(yùn)用了測(cè)量低溫量子震蕩的方法，證明了來(lái)自費(fèi)米弧表面態(tài)的電子貢獻(xiàn)了大部分電導(dǎo)率。修發(fā)賢告訴科技日?qǐng)?bào)記者：“砷化鈮中的這種費(fèi)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(gè)方向運(yùn)動(dòng)，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(fèi)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(dǎo)體提供了一個(gè)可行思路。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(shí)，降低電子散射，從而實(shí)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。(龔凡 王春)