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又取得突破,我国造出一新“黑科技”材料,导电率超石墨烯1000倍

在2019年开年之时,随着“嫦娥四号”成功着陆月背,我国航空航天界已经喜报不断,而在最近,在材料科学方面,我国又有一款“黑科技”取得了突破。

近日,在国际知名科学期刊《自然》上,出现了一篇来自中国的论文——《外尔半金属砷化铌纳米带中的超高电导率》,这篇论文由复旦大学修发贤团队所著,文中主要讲述了该团队所研发的外尔半金属材料砷化铌纳米带的奇异特性。

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这款材料最大的特点,就在于其超高的导电率。众所周知,石墨烯已经是导电率碾压银薄膜的二维材料,而这款砷化铌纳米带的导电率,比石墨烯高出1000多倍!

至于为何砷化铌纳米带具有超强导电率,则得上溯到1929年。在1929年,德国科学家赫尔曼·外尔预言了一种满足三维狄拉克方程的相对论性费米子,称为“外尔费米子”,外尔费米子具备特定手性,而且质量为零。

而在包括砷化铌纳米带在内的“外尔半金属”这种拓扑绝缘体材料中,它们的低能准粒子激发可以用二分量狄拉克方程——也就是“外尔方程”所描述,换言之,在“外尔半金属”中出现的作为准粒子的电子,具有与无质量外尔费米子相同的运动特性。

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简单来说,在“外尔半金属”里,电子的有效质量为零,在材料中运动时基本不受影响,和石墨烯超高导电率的来源如出一辙。

不过“外尔半金属”相比石墨烯,具备一个优势,那就是“外尔半金属”为三维材料,无论是制备还是应用,都比石墨烯要更为简单。而且砷化铌纳米带表面的电子结构不同,其表面态受到拓扑保护,简单来说,这就像镀上金箔以后可以导电的陶瓷碗,但对砷化铌纳米带而言,把金箔磨掉以后,又会“自动”生成一层导电的金箔。

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砷化铌纳米带这种“外尔半金属”,在未来的半导体工业领域,将会大有作为。在现有的电子器件中,电子在不同成分的材料界面上会因为散射而导致很大的损耗,而具备低散射率和高导电率的外尔半金属材料,可以极大程度的提升各类半导体元件的效率,降低热损耗等其他损耗。

值得一提的是,我国在类似材料上的研究起步较早,甚至可以说处于“世界第一”的梯队里。2015年7月16日,美国普林斯顿大学研究团队与中国科学院物理研究所分别在钽砷晶体(TaAs)结构中观察到了外尔费米子半金属及费米弧,确认了其拓扑特征,这是人类第一次检测到外尔费米子半金属的存在。

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