科学家发现二维体系中的最高电导率

“纳米结构中的电子传输是一个‘成群结队的军队穿过一座独木桥’的过程，我们发现了一条绿色通道。”复旦大学物理学教授法显介绍了他的最新研究成果。

如果在纳米导体中运动的电子找不到“宽敞”的路径，相互碰撞并到处“碰壁”，导体就会发热并产生能量损失。寻找超高导电材料是解决这些问题的关键。

复旦大学物理系秀法宪课题组最近观察到的砷化铌纳米带的表面状态具有超高的电导率，这也是目前二维体系中最高的电导率。其低电子散射概率的机制源于外半金属的独特电子结构(即费米弧表面态)。

3月19日，相关研究成果以《自然资料》文章的形式在网上发布。

正如实心管不能让水通过一样，空心管也能让水通过。如果材料中有大量的*电子可以参与传导，它就被称为导体。每单位面积每单位时间的电子数量决定了材料的导电性。

铜、金和银是使用最广泛的优秀导体。其中，铜被广泛用于晶体管的互连线。然而，不幸的是，当这些材料变得非常薄并且进入二维尺度时，电子的散射显著增加，并且它们的移动方向倾向于大角度偏转，因此电导率将迅速恶化。

在信息时代，计算机和智能设备越来越小。与此同时，信号传输量呈爆炸式增长。因此，芯片中数千万根细线晶体管互连线的“承载压力”正在增加。“当电流从输入端进入芯片时，就相当于一大群人从草原涌向一座独木桥。如果电子在单个木桥上大量耗散，芯片在工作时会剧烈发热，影响工作状态。”秀法显说，这在一定程度上制约了信息领域的进一步发展。

没有必要“排队”或“拥挤”。有没有办法让大量的电子平稳高速地通过这些纳米尺度的互连线？“要是能建一条‘绿色通道’就好了！”

一般来说，增加电导率的方法不外乎两种，一种是增加电子的数量，另一种是让电子跑得更快，然而，两者很难同时实现。然而，在威尔半金属砷化铌纳米带的表面，发生了一件不可思议的事情。基于拓扑表面态(费米弧)的低散射率机制，秀发贤的研究小组实现了比金属铜膜高100倍、比石墨烯高1000倍的电导率，这在当前的二维系统中是最好的。

砷化铌实际上是物理学家的“老朋友”。近年来，它作为第一个发现的外层半金属被广泛研究。然而，以往的研究成果仅限于肉眼可见的高维大块材料，对低维状态下的物理性质的研究很长时间没有涉及。纳米材料的制备是首先要克服的障碍。

“铌的熔点很高，而砷的熔点很低。很难将这两种材料混合在一起。”半年后，研究人员改变了他们“强硬”的想法，用氯化铌和氢的化学反应作为铌的来源，然后与砷结合。气体流速是多少？温度是多少？你需要催化剂吗？经过一年多的反复试验，纳米结构终于出现了。

它大约有几微米宽，几十微米长，厚度在纳米级。数百万比头发丝更细的纳米晶体分布在指甲盖大小的氧化硅衬底上。研究小组准备了从“0”到“1”的高质量样本，这本身就是一项创新。

《自然材料》杂志的评论员对样品质量给予了高度评价:“制备砷化铌纳米带的方法既有趣又创新，这是拓扑材料领域的一项非常及时的工作。”"他们种植了一些非常好的样品。"

在成功制备砷化铌纳米带后，秀发贤的团队并不满意，决定攀登更高的山峰:进一步观察和发现材料特性。研究人员发现，制备的新材料具有惊人的高导电性。这种材料本身具有高电子浓度和超高迁移率。

秀法宪说，砷化铌纳米带的高导电性归因于它们不同的电子结构——拓扑受保护的表面状态(Fermi arc)，“拓扑受保护的表面状态的概念可以这样理解，就像家里使用的瓷碗在其外表面镀有一层金，瓷碗本身不导电，但其表面的金膜是导电的。更不可思议的是，如果有拓扑保护，在这层金膜被磨损后，另一层金膜会自动出现在下面，再次形成导电层。这是由物质本身的电子结构决定的拓扑表面状态。”

你怎么知道这种表面状态会导致高导电性？研究人员使用一种测试方法来测量低温量子振荡，证明费米弧表面态的电子贡献了大部分电导率。与低温霍尔元件测量方法相比，可以获得这些电子的浓度和迁移率。休·法显告诉《中国科学》，“砷化镓中的费米弧面态具有低散射率的特点，即使在电子浓度较高的情况下，系统仍保持低散射率。这将确保大多数电子向一个方向移动，并大大提高电子传输的效率。"

与传统的量子现象不同，费米电弧即使在室温下仍然有效。这一发现为材料科学寻找高性能导体提供了一个可行的想法。利用这种特殊的电子结构，可以在增加电子数量的同时减少电子散射，从而获得优异的导电特性，这在降低电子器件的能量消耗等方面具有潜在的应用。

据报道，复旦大学物理系教授是该论文的通讯作者，复旦大学物理系博士生张是该论文的第一作者，复旦大学物理系本科生倪卓良、中科院强磁场科学中心副研究员张、复旦大学物理系博士生袁翔是该论文的合著者。研究工作由复旦大学、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、北京理工大学、苏黎世联邦理工学院、爱尔兰三一学院等机构共同完成。其中，南京大学的万先刚教授和加州大学戴维斯分校的谢尔盖·萨维罗夫教授提供了重要的理论支持。

相关文件信息:DOI:10.1038/s 11563-019-0320-9