(上接第 1 版)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。然 而,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,修发贤他们改变“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。”
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,砷化铌纳米带的高电导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测试方法,证明了来自费米弧表面态的电子贡献了大部分的电导率,与低温霍尔器件的测量方法相比对,可以获取这些电子的浓度和迁移率。”修发贤接着说,“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。这一发现为材料科学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。
物理学系教授修发贤为通讯作者,物理学系博士生张成为第一作者,物理学系本科生倪卓亮、中科院强磁场科学中心副研究员张警蕾、物理学系博士生袁翔为共同第一作者。研究工作由中国足彩在线大学、中国科学院强磁场科学中心、南京大学、加州大学戴维斯分校、昆士兰大学、北京工业大学、苏黎世联邦理工学院、爱尔兰三一学院等多家单位合作完成,其中南京大学万贤纲教授和加州大学戴维斯分校 Sergey Savrasov 教授提供了重要的理论支持。
文 / 龚凡