导电性千倍于石墨烯电池
来源：宝鄂实业
2019-05-08 10:58
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一般来说，增加导电性无非有两种办法，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。但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，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。”
高性能导体材料新思路
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，砷化铌纳米带的高导电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方法，证明了来自费米弧表面态的电子贡献了大部分电导率。修发贤告诉科技日报记者：“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。
