半金屬成超高導電新材料,室溫下導電率為銅 3 倍

作者 | 發布日期 2019 年 03 月 20 日 13:35 | 分類 尖端科技 , 材料 , 材料、設備 follow us in feedly

來自中國與美國加州大學戴維斯分校的研究人員,最近開發出新的外爾半金屬材料:砷化鈮薄層,測量結果顯示其室溫下導電率約為銅的 3 倍,為新型電子設備鋪路。



導體(conductor)依其導電性可細分為:超導體、導體、半導體及絕緣體,而外爾半金屬(Weyl semimetal)是拓樸材料其中一類,但它不是導體也不是絕緣體,而是介於兩者之間的一種新型材料。

加州大學戴維斯分校物理學教授 Sergey Savrasov 指出,砷化鈮(niobium arsenide,化學式 NbAs)便屬於外爾半金屬,由於表面填滿一些特殊的量子態,這些量子態位於塊體能帶結構的帶隙之中,從而允許表面導電,現在該團隊與中國科學家的合作研究表明,砷化鈮的二維奈米帶能產生相當高的導電率,約銅的 3 倍。

大多數材料的表面會從環境中吸收雜質並發生化學變化,你可以想像電子流經這種表面遇到雜質時會反彈或散射,致使導電性能受干擾;但拓撲保護的表面會排斥這些雜質,電子佔據所有量子態以致能快速通行,另一方面來講也降低能耗。當電路設計板越來越小時,這種高導電性的材料便發揮效用。

雖然銅的延展性好、導熱性及導電性高,是電線、電子元件最常使用的材料,但隨著銅層變得越來越薄,電阻反而會越來越大、導電性能迅速變差,也因此在目前的二維材料產品化中,最廣泛應用的材料變成電阻率最低的石墨烯。可惜石墨烯不具備半導體最重要的特性──能隙,所以它不是當半導體材料的料,在相關應用中受限,而電子性質與石墨烯類似的二硫化鉬(MoS2)成為主流。

但世界上許多優異團隊都在尋找性能更加極致的半導體材料,比如台灣成功大學物理系教授吳忠霖團隊曾研發出厚度僅 0.7 奈米的二硒化鎢二極體,以及現在加州大學戴維斯分校與中國團隊發表的外爾半金屬砷化鈮。

新論文發表在《自然材料》期刊(Nature Materials)。

(首圖來源:加州大學戴維斯分校

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