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                                                                          修發賢課題組發現來自費米弧表面態的超高電導率
                                                                          發佈時間: 2019-03-21     文章作者:     訪問次數: 532

                                                                              “電子在納米結構中的傳輸是一個‘千軍萬馬過獨木橋’的過程aaaaa,而我們找出了一條綠色通道aaaaa。”我係修發賢教授這樣介紹他的最新研究成果aaaa。

                                                                          在納米尺寸的導體中運動着的電子若找不到“寬敞”的通路aaa,相互撞擊aaa,四處“碰壁”aaa,就會使導體發熱aaaa,產生能量損耗aaaa。尋找超高導電材料是解決此類問題的一把鑰匙aaaa。

                                                                          近日aaaa,我係修發賢教授課題組在砷化鈮納米帶中觀測到其表面態具有超高電導率aaaaa,這也是目前二維非超導體系中的最高電導率aaaa,其低電子散射機率的機制源自外爾半金屬特有的費米弧結構aaaa。

                                                                          318日aaaaa,相關研究論文《外爾半金屬砷化鈮納米帶中的超高電導率》(Ultrahigh conductivity in Weyl semimetal NbAs nanobelts)以長文(Article)形式在線發表於《自然· 材料》(Nature Materials, DOI:10.1038/s41563-019-0320-9)aaa。

                                                                          正如實心的管子不能通水aaa,空心的管子允許水流過aaaaa,如果材料中有大量可以參與導電的自由電子aaaa,則稱爲導體aaa。單位時間內通過單位面積的電子數量aaaaa,決定了材料導電性的好壞aaaa。

                                                                          銅、金和銀是現行應用最廣泛的優良導體aaaaa。其中aaaaa,銅已經大規模用於晶體管的互連導線aaaa。但遺憾的是aaaaa,當這些材料變得很薄aaaaa,進入二維尺度時aaaa,電子的散射明顯增多aaa,其運動方向容易發生大角度偏折aaaa,導電性將迅速變差aaaaa。

                                                                          信息時代aaaa,計算機和智能設備體積越來越小aaaa,同時信號傳輸量爆炸式增長aaaa,芯片中上千萬細如髮絲的晶體管互連導線“運送壓力”隨之加大aaa,“電流從輸入端進入芯片時aaaaa,相當於千軍萬馬從大草原一下子上了獨木橋aaaaa,如果電子在獨木橋上有巨大耗散aaaa,芯片運行時就會劇烈發熱aaaaa,影響運行狀態aaa。”修發賢說aaaaa,這一定程度上制約着信息領域的進一步發展aaaa。

                                                                          不用“排隊”aaaaa,也不會“擁擠”aaaa,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aaaaa?“如果能構建一條‘綠色通道’就好了aaaaa!”

                                                                          一般來說aaaaa,增加導電性無非有兩種辦法aaaa,一是把電子變多aaaa,二是讓電子跑得快些aaaa,然而aaaaa,這兩者很難同時實現aaaaa。然而aaa,在外爾半金屬砷化鈮納米帶的表面aaa,不可思議的事情發生了aaaa,修發賢課題組基於拓撲表面態(費米弧)的低散射率機制aaa,實現了百倍於金屬銅薄膜和千倍於石墨烯的導電性aaaa,這是目前二維體系中最好的aaaa。

                                                                          砷化鈮其實是AG平台學家們的“老朋友”了aaa,近幾年作爲第一批發現的外爾半金屬被廣泛研究aaa,但以往成果都止步於肉眼可見的高維度體材料aaaaa,其低維狀態下的AG平台性質研究遲遲未有涉及aaaa。納米材料的製備是要過的第一道難關aaaaa。

                                                                          “鈮的熔點很高aaa,砷的熔點又特別低aaa,要把這兩種材料融在一起非常難aaaaa。”高溫加熱“蒸”不出來aaaaa,半年後aaaa,修發賢他們改變“硬碰硬”的思路aaaaa,用氯化鈮和氫氣的化學反應作爲鈮的來源aaa,再與砷結合aaa。氣體流量有多大aaaaa?溫度有多少aaaa?是不是需要催化劑aaaaa?又經過一年多的反覆試驗aaa,納米結構終於長出來了aaa。

                                                                          寬約幾微米aaaa,長約幾十微米aaaa,厚度在納米級別aaaa,在指甲蓋大小的氧化硅襯底上aaa,分佈着百萬個比頭髮絲還要細的納米晶體aaaa。課題組從“0”到“1”製備出了高質量樣品aaa,這本身已是一項創舉aaaaa。

                                                                          《自然·材料》的審稿人對樣品質量給出了高度評價:“用於製備砷化鈮納米帶的方法是有趣的、創新的aaa,這是拓撲材料領域的一項非常及時的工作aaaaa。”“他們生長出了一些非常好的樣品aaa。”

                                                                          在成功製備砷化鈮納米帶之後aaaa,修發賢團隊還不滿足aaaa,決意攀登更高的山峯:進一步觀察和發現材料特性aaaaa。課題組發現aaa,製備出的新材料有着驚人的高導電率aaa,材料本身既具有很高濃度的電子又具備超高的遷移率aaa。

                                                                          修發賢介紹aaa,砷化鈮納米帶的高電導率要歸功於其表面與衆不同的電子結構—具有拓撲保護的表面態(費米弧)aaa,“拓撲保護的表面態的概念可以這樣理解aaaaa,就像是家裏用的瓷碗外表面鍍了一層金aaaa,瓷碗本身不導電aaa,但表面這一層金膜導電aaaaa。更神奇的是aaaaa,如果存在拓撲保護aaaaa,這層金膜被磨掉之後aaa,下面就會自動再出現一層金膜aaaa,重新形成導電層aaaa。這就是一種由物質本身的電子結構決定的拓撲表面態aaaa。”

                                                                          那麼如何得知這種表面態導致了高的電導率呢aaaaa?課題組運用了測量低溫量子震盪的測試方法aaaaa,證明了來自費米弧表面態的電子貢獻了大部分的電導率aaaaa,與低溫霍爾器件的測量方法相比對aaaa,可以獲取這些電子的濃度和遷移率aaaaa。”修發賢接着說aaaaa,“砷化鈮中的這種費米弧表面態具備低散射率的特性aaaa,即使在較高電子濃度的情況下aaaa,體系仍然保持低散射機率aaa。這樣就能確保大部分電子都沿一個方向運動aaaaa,讓電子傳輸的效率大大提高aaa。”

                                                                          和常規的量子現象不同aaaaa,費米弧這一特性即使在室溫仍然有效aaa。這一發現爲材料科學尋找高性能導體提供了一個可行思路aaaa。利用這種特殊的電子結構aaa,可以在提高電子數量的同時aaa,降低電子散射aaa,從而實現優異的導電特性aaa,這在降低電子器件能耗等方面有潛在應用aaaaa。

                                                                          修發教授爲通訊作者aaaa,我係博士生張成爲第一作者aaaaa,我係本科生倪卓亮、中科院強磁場科學中心副研究員張警蕾、我係博士生袁翔爲共同第一作者aaaa。研究工作由復旦大學、中國科學院強磁場科學中心、南京大學、加州大學戴維斯分校、昆士蘭大學、北京工業大學、蘇黎世聯邦理工學院、愛爾蘭三一學院等多家單位合作完成aaa,其中南京大學萬賢綱教授和加州大學戴維斯分校Sergey Savrasov教授提供了重要的理論支持aaa。同時aaaaa,第一作者張成在2019年美國AG平台年會報告相關工作時也獲得Ovshinsky Student Travel Awardsaaaa,是今年來自中國單位唯一一名獲獎者aaaaa。



                                                                          【關閉窗口】