复旦大学研制出新型超高导电材料 电导率是铜薄膜100倍

3月19日，材料领域国际顶级期刊《自然·材料》发表了复旦大学修发贤团队最新研究论文，《外尔半金属砷化铌纳米带中的超高电导率》。修发贤团队制备出二维体系中具有目前已知最高导电率的外尔半金属材料-砷化铌纳米带，该材料电导率是铜薄膜的一百倍，石墨烯的一千倍，这也是目前二维体系中的最高电导率。

“电子在纳米结构中的传输是一个‘千军万马过独木桥’的过程，而我们找出了一条绿色通道。”复旦大学物理学系教授修发贤这样介绍他的最新研究成果。

导电材料是电子工业的基础，现在最主要的材料是铜，已大规模用于晶体管的互连导线。但遗憾的是，当这些材料变得很薄，进入二维尺度时，电子的散射明显增多，其运动方向容易发生大角度偏折，导电性将迅速变差。

信息时代，计算机和智能设备体积越来越小，信号传输量爆炸式增长，芯片中上千万细如发丝的晶体管互连导线“运送压力”随之加大。而当铜变得很薄，进入二维尺度时，电阻变大，导电性迅速变差，功耗大幅度增加。这也是制约芯片等集成电·技术进一步发展的重要瓶颈。

不用“排队”，也不会“拥挤”，有û有一种办法让大量电子在这些纳米级互连导线中顺畅高速通行?“如果能构建一条‘绿色通道’就好了!”

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δ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，研究人员改变“硬碰硬”的思·，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。

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。研究人员发现，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，砷化铌纳米带的高电导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。”

复旦大学物理学系教授 修发贤：我们利用了氯化铌，利用了砷还有氢气三种元素把它们放在一起进行化学反应来制备这种砷化铌纳米带，这种材料它表面有一个表面态，这个表面态就允许电子在上面快速地通行，可以说是我们创造了一个绿色的通道，这样的话，在低维尺度下，就可以让电子快速通过而降低能耗。

同时，区别于超导材料只能在零下几十度超低温下应用，新材料砷化铌的高电导机制即使在室温下仍然有效。这一发现也为材料科学寻找高性能导体提供了一个可行思·，在降低电子器件能耗等方面有重大价值。

复旦大学物理学系教授 修发贤：我们的手机发热、电脑发热是有两个原因，晶体管本身的发热和电流流经这些(互连)导线所产生的导线发热，那我们现在要解决的问题就是导线的发热，我们的这个材料就可以在这一方面有所用途。