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超越石墨烯单层锡导电率可达100

发布时间:2019-08-15 20:13:13

  来自美国能源部SLAC国家加速实验室、斯坦福大学的理论物理学家们发现,单层锡原子可能会成为世界上第一种能在常温下(就计算机芯片而言)达到100%导电率的超级材料,远远胜过近年来的热门材料石墨烯。

  研究人员把这种新材料叫做 Stanene 。这是将锡的拉丁语名称(stannum)和石墨烯(graphene)的词尾组合在一起而来的。石墨烯也是一种单层材料,但原子是碳,出色的电子性能使其有非常着广泛的应用。

  领导这次实验的斯坦福、斯坦福材料与能源科学研究院(SLAC合作机构)物理学教授张守晟(音)说: 如果我们的预言能够得到全球多家实验室正在进行的试验的证实,Stanene或许可以提高未来计算机的速度,并降低能耗。

  过去十年间,张教授和他的同事计算和预测了这种叫做拓扑绝缘体(topological insulator)的特殊材料的电子性能,其导电性只存在于材料的边缘或表面,而不是内部。当拓扑绝缘体只有一层原子厚的时候,它的边缘导电性就会达到完美的100%。这种不寻常的性能来自材料内部电子和重原子核之间复杂的互动。

  张教授表示: 拓扑绝缘体的秘密在于它本身的特性。它能使电子沿着一定的方向移动,而没有任何速度限制,就像在高速公路上一样。只要它们在高速公路上,也就是材料的边缘和表面,电子就可以没有限制地移动。

  2006年和2009年,张教授的研究小组预测,碲化汞和几种铋、锑、硒、碲的化合物应该是拓扑绝缘体,其他试验很快就证实了这一点,但这些材料在常温下都不是电的完美导体,商业应用很有限。

  今年初,来自清华大学的访问学者徐勇(音)与张教授的研究团队合作,考察了单层纯锡的性能。

  徐勇称: 我们知道,我们应该考察元素周期表右下角的那些元素。之前所有富电子的重元素拓扑绝缘体都在这里。

  他们的计算表明,单层锡在室温甚至室温以上都是拓扑绝缘体,而且如果在锡中加入氟原子,工作范围可以达到至少100℃。

  张教授说,这种锡氟化合物的第一个应用,就是制作元件间的连线,让电子可以像汽车在高速公路上一样快速移动。在传统的导体中,汽车上下斜坡时会发生交通堵塞,但是Stanene制作的连线刻意大幅减少微处理器的能耗和发热。

  当然,这并不容易,必须确保只使用单层的锡,并且在制作芯片的高温过程中要保证单层锡的完整。

  张教授说: 最终,我们可以将Stanene用在更多的电路结构中,甚至是代替晶体管的核心元素硅。或许有一天,硅谷会改名叫锡谷。

  将氟原子(黄色)加入单层的锡原子(灰色)就会得到Stanene,边缘(蓝色和红色)的导电性近乎完美

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