建一条绿色通道，让电子传输不再过“独木桥”

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电子在纳米结构中的传输是一个现状。锤击过程穿过独木桥，我们发现了一条绿色通道。复旦大学物理学教授修·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一个宽敞的通道，它们就会相互碰撞，到处碰壁，使导体发热，造成能量损失。寻找超高电导率材料是解决这些问题的关键。

最近，修的研究小组观察到，砷化铌纳米带的表面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(即费米弧面态)。相关研究论文已在国际知名期刊《自然与中等》上发表。材料”发表。

让大量电子高速通过

正如实心管道不能通过水一样，空核心的管道也能让水通过。如果材料中有大量的自由电子可以参与传导，它就叫做导体。每单位面积每单位时间的电子数决定了材料的导电性。

铜、金和银是目前使用最广泛的优良导体。其中，铜已被广泛用于晶体管的互连线。但是不幸的是，当这些材料变得非常薄并且进入二维尺度时，电子的散射明显增加，并且其移动方向易于大角度偏转，并且电导率将迅速恶化。

在信息时代，计算机和智能设备的体积越来越小，与此同时，信号传输量也在爆炸式增长，这就增加了数千万条像芯片中的头发一样细的晶体管互连线的传输压力。当电流从输入端进入芯片时，就相当于数以千计的部队从草原上立刻前往独木桥。如果单板桥上有大量的电子耗散，芯片运行时会剧烈发热，影响运行状态。法显表示，这在一定程度上制约了信息领域的进一步发展。

没有排队或拥挤，有没有办法让大量的电子平稳而高速地通过这些纳米尺度的互连线？要是我们能建一条绿色通道就好了！

电导率是石墨烯的几千倍

一般来说，只有两种方法可以提高电导率，一种是增加电子的数量，另一种是让电子跑得更快。然而，很难同时实现两者。但是在砷化铌纳米带的表面，发生了不可思议的事情。基于拓扑表面态(费米弧)的低散射率机制，秀的研究小组已经实现了比金属铜膜高100倍、比石墨烯高1000倍的电导率，是目前二维体系中最好的。

砷化铌实际上是物理学家的老朋友。近年来，作为第一个发现的国外半金属，它得到了广泛的研究。然而，以往的研究成果仅限于肉眼可见的高维材料，对其低维状态下的物理性质的研究一直处于滞后状态。纳米材料的制备是首先要克服的困难。

Nb具有高熔点，而砷具有非常低的熔点，因此很难将这两种材料混合在一起。他们不能在高温下蒸它。半年后，他们改变了想法，利用氯化铌和氢的化学反应作为铌的来源，然后与砷结合。气体流量有多大？温度是多少？你需要催化剂吗？经过一年多的反复实验，纳米结构终于生长出来了。

宽度约为几微米，长度约为几十微米，厚度在纳米量级。在指甲大小的氧化硅基底上，有数以百万计的纳米晶体比头发丝还要细。该研究小组已经准备了从0到1的高质量样本，这本身就是一项开创性的工作。

自然&中土。《材料》杂志的评论者对样品质量给予了高度评价:制备砷化铌纳米带的方法很有意思，也很有创新性，在拓扑材料领域这是一项非常及时的工作。他们种植了一些非常好的样品。

高性能导体材料新理念

在成功地制备了砷化铌纳米带之后，修的团队并不满足，决定攀登更高的山峰:进一步观察和发现材料的性质。研究小组发现，制备的新材料具有令人惊讶的高导电性，而且该材料本身具有高电子浓度和超高迁移率。

修·法显介绍说，砷化铌纳米带的高导电性是由于其独特的电子结构和拓扑保护的表面态(费米弧)。拓扑保护表面状态的概念可以理解为:家用瓷碗的外表面涂有金，瓷碗本身不导电，但表面的金膜是导电的。更令人惊奇的是，如果有拓扑保护，金膜磨损后，下面会自动出现一层金膜，导电层会再次形成。这是由物质本身的电子结构决定的拓扑表面状态。

那么你怎么知道这种表面状态会导致高电导率呢？用测量低温量子振荡的方法，证明了费米弧面态的电子对电导率贡献最大。秀法显告诉《科技日报》记者:这种费米弧面态在砷化铌中具有低散射率的特点，即使在高电子浓度的情况下，系统仍然保持低散射概率。这样，就可以保证大部分电子向一个方向运动，从而大大提高了电子传输的效率。