中国科研人员找到大温区恒定电阻率单一固体

■我们的记者丁佳

中国科学院物理研究所的研究员曹则贤喜欢用“游戏”来描述他的工作。就在最近，他和他在研究小组的同事们“玩”了一个大游戏——他们发现了一种固体材料，这种材料可以在室温到零下200摄氏度的范围内保持电阻率几乎不变。

这是材料科学领域的爆炸性新闻。任何稍懂物理的人都知道，对于单一的固体材料，不管它由什么元素组成，它的电阻率都会随温度而变化，而且变化范围相当大。

三条“高速公路”的性质不同

“根据能带理论，电子在固体中所能拥有的能量分布在一个能带中，就像公路一样。它上面分布的电子有点像高速公路上的汽车。”曹则贤解释说，普通物质的传导过程可以大致用相隔一定距离的两条高速公路来描述。

如果一条高速公路满了，下一条高速公路是空的，但是因为有一个障碍阻止汽车通过，在满了的高速公路上的交通几乎为零。这相当于绝缘体的状态:如果能带充满电子，就不会产生电流。

如果隔离带又窄又弱，一些汽车冲到空无一人的高速公路上，原来的道路会因为“空的空间”而缓慢移动，这是半导体传导的原理。

如果一条高速公路只有部分是满的，自然会有更快的交通流量。这种材料是导体。

另一方面，温度对电流的影响可以与驾驶员的“脾气”对交通流量的影响相比较。对售票员来说，司机的“脾气”越大，司机越有可能不加区别地开车。碰撞的可能性越大，交通流量就越小，也就是说，阻力就越大。

相反，在充满半导体的高速公路上，司机们的“脾气”越大，他们就越敢逃到另一条路上。与此同时，原有公路上的“空地”越多，交通流量就越大，这相当于电阻率越小。

这让曹则贤和其他人想出了一个大胆的主意:如果两条“高速公路”部分重叠，随着可用车道的增加，交通流量将增加，而随着碰撞机会的增加，交通流量将减少。如果这两个因素能够相互补偿，驾驶员的“脾气”在一定范围内不会引起交通流量的明显变化。

也就是说，可以设计一种半导体，其能带结构可以使电阻率在一定温度范围内保持恒定。

把“杏”放进“篮子”是非常重要的

"一家美国公司制造了一种叫做锰铜的产品，它可以达到恒定的电阻率."中国科学院物理研究所副研究员吉爱玲说:“然而，这种产品属于合金，是锻造后获得的非均匀结构。它的过程非常复杂，当然也是一个商业秘密。”

多年来，曹则贤和其他人一直希望找到一种单一的固体材料，并最终将其命名为“大温度区域的恒定电阻率”。

曹则贤的研究小组长期致力于Cu3N基薄膜材料的生长和物理性能。这是一种非常有趣的半导体。它的单个细胞就像一个空心立方体，原子分布在立方体的边缘和顶点。它可用作光学记录材料，近年来还广泛用作锂离子电池的电极材料、碱性燃料电池的阴极催化材料和低电阻磁隧道结的阻挡层。

“在Cu3N晶格单元的中心有一个空位，这使得通过掺杂在Cu3N基材料中实现新的电学性质成为可能。”曹则贤说。

2006年，浙江工业大学理学院院长、吉爱玲、李等。在这个小“篮子”里放一些金属钯。结果，获得了在-268℃至-28℃范围内电阻率基本恒定的材料。

当时，结果一出来，美国应用物理快报只用了19个小时就决定接受这篇论文。评论家评论道:“如果这一切都是真的，那么它的科学价值是不言而喻的。”

那么，当你用其他杏子装饰这个篮子时会发生什么呢？曹则贤和其他人期待着更多的可能性。

“怀恨在心”的科学家

事实上，在2006年的论文中，研究人员首先投票给了《自然》杂志。编辑的意见是:“如果你的恒定电阻率温度区能覆盖室温，我们可以考虑出版它。”这句话让曹则贤记住了7年。“材料的恒定电阻率温度区超越了室温，达到了更高的温度，这也是我们的梦想。想象一下，如果一种材料有这样的特性，它会有多少新的用途？”

最近，曹则贤的博士生陆念鹏和吉爱玲试图用不同量的铜、银和金来掺杂Cu3N。经过大量艰苦的实验，他们终于在大温度区观察到了电阻率恒定的现象。其中，Cu3NAg0.76在-218.15℃ ~ 26.85℃范围内电阻率几乎没有变化。

研究人员发现，当金属掺杂量很小时，该材料是典型的半导体，其载流子浓度和迁移率随温度呈指数变化。然而，当掺杂量逐渐增加时，材料从半导体变为半金属。

"正是这种转变使得获得恒定电阻率成为可能."曹则贤告诉记者，金属原子随机占据了Cu3N细胞的中心位置，导致能隙变窄，直到能带重叠。此时，载流子浓度和迁移率将随着温度的变化而相互补偿，从而在较大的温度范围内实现恒定的电阻率。

最近，相关的研究成果已经发表在《自然》杂志的一个副刊《科学报告》上。

《中国科学日报》(第四版综合，2013年11月25日)