新材料為電子鋪就“高速公路”

中國粉體網11月25日訊  錫是人們比較熟悉的一種材料，在日常生活中極為常見，如錫紙、錫罐等。但就是這種普通材料，在經由科學家特殊處理之后，不但成了比肩石墨烯的夢幻材料，還有望打破計算機領域硅晶體一家獨大的局面。據物理學家組織網11月22日報道，由美國斯坦福大學科學家領導的研究小組發現，一種由單層錫原子組成的復合材料，或許有望成為首個在計算機運行溫度范圍內導電效率達到100%的材料。相關論文發表在最近出版的《物理評論快報》上。

    研究人員為這種新材料創造了一個新詞——stanene，它由錫的拉丁文單詞stannum和石墨烯的英文單詞graphene組成。他們認為這種新型單層材料擁有卓越的電氣性能，和石墨烯一樣具有廣泛的應用前景。

    領導此項研究的斯坦福大學材料和能源科學研究所（SIMES）物理學家張首晟（音譯）稱，這種新材料能為電子鋪就一條不限速的“高速公路”，讓未來的計算機芯片速度更快、耗能更少。

    十幾年來，張首晟和他的同事一直在對“拓撲絕緣體”這種具有特殊電氣性能的材料進行研究。與普通導體相比，拓撲絕緣體的特殊性在于：電流只會從其表面和邊緣經過，而其內部則是完全絕緣的。當拓撲絕緣體只有一個原子厚時，其邊緣的導電效率可達到100%。這種獨特的現象由材料內部電子與重原子核之間復雜的相互作用產生。
張首晟說，拓撲絕緣體的神奇之處在于它天然地驅使電子沿著既定的路線前進，速度不會受到任何限制。電子進入了拓撲絕緣體就好像汽車駛入了不限速的高速公路一樣。只要沿著高速公路（表面或者邊緣）行駛，電子的運動就不會受到任何阻礙。

    在2006年和2009年，張首晟的團隊預測碲化汞與鉍、銻、硒和碲的幾種組合可以制成拓撲絕緣體，很快就被實驗證明是正確的。但所有的這些材料都不是完美的電導體，導電率無法達到100%，因此限制了這些材料在商業上的應用。今年早些時候，清華大學訪問學者徐勇（音譯）與張首晟的團隊進行合作，決定將純凈的單層錫作為新的實驗對象。

    徐勇說：“我們知道應該往化學元素周期表的右下部分找需要的元素。以前與拓撲絕緣體相關的重要元素幾乎都出現在那里。”他們的計算表明，單層錫在室溫以及比室溫稍高的溫度中應該是一種拓撲絕緣體，而在其中增加氟原子則可以將溫度適應范圍提升到至少100攝氏度。

    張首晟說，這種由單層錫與氟制成的拓撲絕緣體有望首先在微處理器制造中獲得應用。新材料可以作為導線連接處理器中的各個部分。這種升級就如同把砂石路換成了不限速的高速公路，對電子器件效率的提升而言，意義非凡。如同從高速公路駛入普通道路一樣，在由新材料與傳統導體的結合部的這些“匝道”上，依然會出現“堵車”的狀況。但從總體來看，這種新材料制成的導線將顯著降低處理器的功耗和發熱量，讓速度更快、核心更多、耗能更少的處理器成為現實。

    張首晟說：“最終我們可以預見，由單層錫制成的電路結構將越來越多地在現實中獲得應用，并逐步取代硅的核心地位。或許未來某一天，IT企業集中的地方將被人們稱為錫谷而不是硅谷。”