復(fù)旦大學研制出新型超高導(dǎo)電材料 電導(dǎo)率是銅薄膜100倍

3月19日，材料領(lǐng)域國際頂級期刊《自然·材料》發(fā)表了復(fù)旦大學修發(fā)賢團隊最新研究論文，《外爾半金屬砷化鈮納米帶中的超高電導(dǎo)率》。修發(fā)賢團隊制備出二維體系中具有目前已知最高導(dǎo)電率的外爾半金屬材料-砷化鈮納米帶，該材料電導(dǎo)率是銅薄膜的一百倍，石墨烯的一千倍，這也是目前二維體系中的最高電導(dǎo)率。

“電子在納米結(jié)構(gòu)中的傳輸是一個‘千軍萬馬過獨木橋’的過程，而我們找出了一條綠色通道。”復(fù)旦大學物理學系教授修發(fā)賢這樣介紹他的最新研究成果。

導(dǎo)電材料是電子工業(yè)的基礎(chǔ)，現(xiàn)在最主要的材料是銅，已大規(guī)模用于晶體管的互連導(dǎo)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，導(dǎo)電性將迅速變差。

信息時代，計算機和智能設(shè)備體積越來越小，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(dǎo)線“運送壓力”隨之加大。而當銅變得很薄，進入二維尺度時，電阻變大，導(dǎo)電性迅速變差，功耗大幅度增加。這也是制約芯片等集成電·技術(shù)進一步發(fā)展的重要瓶頸。

不用“排隊”，也不會“擁擠”，有û有一種辦法讓大量電子在這些納米級互連導(dǎo)線中順暢高速通行?“如果能構(gòu)建一條‘綠色通道’就好了!”

一般來說，增加導(dǎo)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(dǎo)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(zhì)研究遲遲δ有涉及。納米材料的制備是要過的第一道難關(guān)。

“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?！备邷丶訜帷罢簟辈怀鰜恚肽旰?，研究人員改變“硬碰硬”的思·，用氯化鈮和氫氣的化學反應(yīng)作為鈮的來源，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)過一年多的反復(fù)試驗，納米結(jié)構(gòu)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(zhì)量樣品，這本身已是一項創(chuàng)舉。

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。研究人員發(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，砷化鈮納米帶的高電導(dǎo)率要歸功于其表面與眾不同的電子結(jié)構(gòu)—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(dǎo)電，但表面這一層金膜導(dǎo)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(dǎo)電層。這就是一種由物質(zhì)本身的電子結(jié)構(gòu)決定的拓撲表面態(tài)?！?/p>

復(fù)旦大學物理學系教授 修發(fā)賢：我們利用了氯化鈮，利用了砷還有氫氣三種元素把它們放在一起進行化學反應(yīng)來制備這種砷化鈮納米帶，這種材料它表面有一個表面態(tài)，這個表面態(tài)就允許電子在上面快速地通行，可以說是我們創(chuàng)造了一個綠色的通道，這樣的話，在低維尺度下，就可以讓電子快速通過而降低能耗。

同時，區(qū)別于超導(dǎo)材料只能在零下幾十度超低溫下應(yīng)用，新材料砷化鈮的高電導(dǎo)機制即使在室溫下仍然有效。這一發(fā)現(xiàn)也為材料科學尋找高性能導(dǎo)體提供了一個可行思·，在降低電子器件能耗等方面有重大價值。

復(fù)旦大學物理學系教授 修發(fā)賢：我們的手機發(fā)熱、電腦發(fā)熱是有兩個原因，晶體管本身的發(fā)熱和電流流經(jīng)這些(互連)導(dǎo)線所產(chǎn)生的導(dǎo)線發(fā)熱，那我們現(xiàn)在要解決的問題就是導(dǎo)線的發(fā)熱，我們的這個材料就可以在這一方面有所用途。