复旦大学科研团队发现二维体系中的最高电导率

复旦大学科研团队发现二维体系中的最高电导率

建一条绿色通道，让电子传输不再过“独木桥”

通讯员 龚 凡 本报记者 王 春

第二看台

“电子在纳米结构中的传输是一个‘千军万马过独木桥’的过程，而我们找出了一条绿色通道。”复旦大学物理学系教授修发贤这样介绍他的最新研究成果。

在纳米尺寸的导体中运动着的电子，若找不到“宽敞”的通路，相互撞击，四处“碰壁”，就会使导体发热，产生能量损耗。寻找超高导电材料是解决此类问题的一把钥匙。

近日，修发贤课题组在砷化铌纳米带中观测到其表面态具有超高电导率，这也是目前二维体系中的最高电导率，其低电子散射几率的机制源自外尔半金属特有的电子结构(即费米弧表面态)。相关研究论文已在国际知名期刊《自然·材料》发表。

让大量电子高速通行

正如实心的管子不能通水，空心的管子允许水流过，如果材料中有大量可以参与导电的自由电子，则称为导体。单位时间内通过单位面积的电子数量，决定了材料导电性的好坏。

铜、金和银是现行应用最广泛的优良导体。其中，铜已经大规模用于晶体管的互连导线。但遗憾的是，当这些材料变得很薄，进入二维尺度时，电子的散射明显增多，其运动方向容易发生大角度偏折，导电性将迅速变差。

信息时代，计算机和智能设备体积越来越小，同时信号传输量爆炸式增长，芯片中上千万细如发丝的晶体管互连导线“运送压力”随之加大，“电流从输入端进入芯片时，相当于千军万马从大草原一下子上了独木桥，如果电子在独木桥上有巨大耗散，芯片运行时就会剧烈发热，影响运行状态。”修发贤说，这一定程度上制约着信息领域的进一步发展。

不用“排队”，也不会“拥挤”，有没有一种办法让大量电子在这些纳米级互连导线中顺畅高速通行？“如果能构建一条绿色通道就好了！”

导电性千倍于石墨烯

一般来说，增加导电性无非有两种办法，一是把电子变多，二是让电子跑得快些，然而，这两者很难同时实现。但在外尔半金属砷化铌纳米带的表面，不可思议的事情发生了。修发贤课题组基于拓扑表面态(费米弧)的低散射率机制，实现了百倍于金属铜薄膜和千倍于石墨烯的导电性，这是目前二维体系中最好的。

砷化铌其实是物理学家们的“老朋友”了，近几年作为第一批发现的外尔半金属被广泛研究，但以往成果都止步于肉眼可见的高维度体材料，其低维状态下的物理性质研究迟迟未有涉及。纳米材料的制备是要过的第一道难关。

“铌的熔点很高，砷的熔点又特别低，要把这两种材料融在一起非常难。”高温加热“蒸”不出来，半年后，他们改变“硬碰硬”的思路，用氯化铌和氢气的化学反应作为铌的来源，再与砷结合。气体流量有多大？温度有多少？是不是需要催化剂？又经过一年多的反复试验，纳米结构终于长出来了。

宽约几微米，长约几十微米，厚度在纳米级别，在指甲盖大小的氧化硅衬底上，分布着百万个比头发丝还要细的纳米晶体。课题组从“0”到“1”制备出了高质量样品，这本身已是一项创举。

《自然·材料》的审稿人对样品质量给出了高度评价：“用于制备砷化铌纳米带的方法是有趣的、创新的，这是拓扑材料领域的一项非常及时的工作。”“他们生长出了一些非常好的样品。”

高性能导体材料新思路

在成功制备砷化铌纳米带之后，修发贤团队还不满足，决意攀登更高的山峰：进一步观察和发现材料特性。课题组发现，制备出的新材料有着惊人的高导电率，材料本身既具有很高浓度的电子又具备超高的迁移率。

修发贤介绍，砷化铌纳米带的高导电率要归功于其表面与众不同的电子结构——具有拓扑保护的表面态(费米弧)，“拓扑保护的表面态的概念可以这样理解，就像是家里用的瓷碗外表面镀了一层金，瓷碗本身不导电，但表面这一层金膜导电。更神奇的是，如果存在拓扑保护，这层金膜被磨掉之后，下面就会自动再出现一层金膜，重新形成导电层。这就是一种由物质本身的电子结构决定的拓扑表面态。”

那么如何得知这种表面态导致了高的电导率呢？课题组运用了测量低温量子震荡的方法，证明了来自费米弧表面态的电子贡献了大部分电导率。修发贤告诉科技日报记者：“砷化铌中的这种费米弧表面态具备低散射率的特性，即使在较高电子浓度的情况下，体系仍然保持低散射几率。这样就能确保大部分电子都沿一个方向运动，让电子传输的效率大大提高。”

和常规的量子现象不同，费米弧这一特性即使在室温仍然有效。这一发现为寻找高性能导体提供了一个可行思路。利用这种特殊的电子结构，可以在提高电子数量的同时，降低电子散射，从而实现优异的导电特性，这在降低电子器件能耗等方面有潜在应用。

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