研究人員開(kāi)發(fā)出了一種超級(jí)半導(dǎo)體材料

研究人員開(kāi)發(fā)出了一種超級(jí)半導(dǎo)體材料，在室溫下，其導(dǎo)電性比硅等典型半導(dǎo)體材料高出3至10倍，它還具有超低電阻率。

特拉華大學(xué)機(jī)械工程師魏冰青（Bingqing Wei）和一個(gè)國(guó)際同事團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種很有前途的新材料，他們說(shuō)這種材料可以為超低功耗電子設(shè)備鋪平道路。

他們稱(chēng)這種材料為超級(jí)半導(dǎo)體，這個(gè)術(shù)語(yǔ)基于電子學(xué)中兩個(gè)眾所周知的詞：超導(dǎo)體和半導(dǎo)體。超導(dǎo)體是自20世紀(jì)初以來(lái)已知的在超低溫下以零電阻導(dǎo)電的材料，被認(rèn)為在-450至-123華氏度之間。半導(dǎo)體是同時(shí)具有導(dǎo)電和絕緣性能的材料，具體取決于溫度。

這種超級(jí)半導(dǎo)體材料由鈷和鋁制成，在室溫下，導(dǎo)電性比硅等典型半導(dǎo)體材料高出3至10倍，它還具有超低電阻率，這意味著它允許電流流過(guò)材料，幾乎沒(méi)有阻力來(lái)減慢電子速度。研究人員認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)有可能顯著降低功耗并提高電子設(shè)備的性能效率。

“這是固態(tài)導(dǎo)電材料中一個(gè)令人興奮的發(fā)現(xiàn)，”UD機(jī)械工程教授兼燃料電池和電池中心主任Wei說(shuō)。

Wei解釋說(shuō)，所有固體材料都表現(xiàn)出對(duì)導(dǎo)電的抵抗力，但有些比其他材料更多。例如，塑料被稱(chēng)為絕緣體，因?yàn)樗鼈儾粚?dǎo)電。銅，鋁，金和銀等金屬合金被認(rèn)為擅長(zhǎng)導(dǎo)電，而其他材料介于兩者之間。這些介于兩者之間的材料被稱(chēng)為半導(dǎo)體 - 在室溫下傳導(dǎo)電流但在超低溫下表現(xiàn)得像絕緣材料的材料。

現(xiàn)代電子產(chǎn)品，如二極管，晶體管和計(jì)算機(jī)芯片，都是基于硅，一種典型的半導(dǎo)體材料。這些半導(dǎo)體依靠電子（負(fù)電荷）和空穴（正電荷）進(jìn)行導(dǎo)電行為，但它們?cè)趥鲗?dǎo)這些電荷載流子方面效率低下。這會(huì)產(chǎn)生高電阻，導(dǎo)致半導(dǎo)體工作時(shí)產(chǎn)生過(guò)多的熱量。

“當(dāng)材料在納米級(jí)變得越來(lái)越小時(shí)，操作過(guò)程中消耗的大部分功率都會(huì)變成熱量。這種熱量必須轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)之外，否則設(shè)備將發(fā)生故障，“使用碳納米管等納米材料進(jìn)行能量存儲(chǔ)的專(zhuān)家Wei說(shuō)，主要是在電池中。

那么，鈷鋁超級(jí)半導(dǎo)體是如何解決這個(gè)問(wèn)題的呢？

“由于該材料表現(xiàn)出低電阻，因此電流更有效地通過(guò)這種超級(jí)半導(dǎo)體材料，從而降低功耗并產(chǎn)生更少的熱量，”Wei說(shuō)，并補(bǔ)充說(shuō)這一發(fā)現(xiàn)為當(dāng)前的硅基半導(dǎo)體提供了潛在的替代品。

研究人員正在努力利用這種材料來(lái)制造電氣元件，如二極管和晶體管，以控制現(xiàn)代電子產(chǎn)品中電流的流動(dòng)方向。他們認(rèn)為這些超級(jí)半導(dǎo)體在所謂的p-n結(jié)中特別有用，p-n結(jié)是控制半導(dǎo)體材料之間電流流向的重要接口。

例如，用于計(jì)算機(jī)芯片，Wei說(shuō)，超級(jí)半導(dǎo)體可以大大降低功耗并延長(zhǎng)我們電子產(chǎn)品的工作時(shí)間。隨著我們?cè)谏钪刑砑痈嘣O(shè)備，這個(gè)想法可能會(huì)變得非常重要。

例如，如果您只考慮家庭或企業(yè)中的一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)，那么似乎使用的電力或產(chǎn)生的熱量并不那么難以應(yīng)對(duì)。筆記本電腦中的CPU芯片平均每小時(shí)使用約45瓦電量，略高于冰箱中的40瓦白熾燈泡。個(gè)人臺(tái)式計(jì)算機(jī)中的計(jì)算機(jī)芯片使用更多一點(diǎn)，大約125瓦，與客廳中的吊扇相同。

但是，當(dāng)你將多個(gè)家庭和企業(yè)中的個(gè)人計(jì)算機(jī)與一些超級(jí)計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)時(shí)，從天氣預(yù)報(bào)到測(cè)試數(shù)學(xué)模型再到預(yù)測(cè)疾病路徑，你都可以看到這種熱效應(yīng)是如何開(kāi)始成倍增加的。與它們微不足道的個(gè)人計(jì)算機(jī)不同，今天的超級(jí)計(jì)算機(jī)通常包含100000個(gè)CPU芯片，消耗約12.5兆瓦的功率 - 相當(dāng)于一個(gè)人口為10萬(wàn)人的城鎮(zhèn)的功耗。

全世界有超過(guò)5億臺(tái)計(jì)算機(jī)。

“如果我們降低電子設(shè)備的功耗，你可以看到好處，”Wei說(shuō)?！斑@只是考慮到計(jì)算機(jī)的使用，它沒(méi)有考慮其他設(shè)備，例如過(guò)去兩年在全球銷(xiāo)售的26億部智能手機(jī)?！?/p>

那么，該研究小組是如何弄清楚鈷和鋁是一個(gè)成功的組合的呢？

研究人員正在探索用于紅外探測(cè)器應(yīng)用的鋁和碳納米管。他們知道，在小的貴金屬顆粒（例如，金，銀，鉑）上照射光會(huì)引起所謂的等離子體效應(yīng)，其中材料上的電荷以一種導(dǎo)致電子積聚在顆粒表面上的方式分布。

通過(guò)使用一種稱(chēng)為等離子體蝕刻的技術(shù)在自組裝的聚苯乙烯球體之間創(chuàng)造空間，研究小組能夠沉積一層10nm厚的鈷，然后在球體上沉積一層100nm的鋁。相比之下，人類(lèi)的平均頭發(fā)厚度約為80000至100000nm。

這種分層過(guò)程只允許金屬停留在球體的頂部，因此，當(dāng)暴露在光和室溫下時(shí)，它觸發(fā)了這種等離子體效應(yīng)，并產(chǎn)生了足夠的能量，使鈷中的自由電子跳到鋁上。這使得鈷顆粒比鋁帶更多的正電荷，研究人員推測(cè)這是賦予該材料超半導(dǎo)體行為的原因。

據(jù)他們所知，這是超半導(dǎo)體行為的第一份報(bào)告。研究人員已經(jīng)向UD的經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新和伙伴關(guān)系辦公室提交了一項(xiàng)關(guān)于其發(fā)現(xiàn)的臨時(shí)專(zhuān)利。

研究人員最近在《應(yīng)用物理評(píng)論》上發(fā)表了他們關(guān)于超級(jí)半導(dǎo)體的研究結(jié)果。

該論文的第一作者、中國(guó)臺(tái)州大學(xué)制藥與材料工程學(xué)院教授李志剛于2018年成為UD的訪問(wèn)學(xué)者。李志是材料超導(dǎo)行為方面的專(zhuān)家。其他合著者包括臺(tái)州大學(xué)的王宗鵬，劉彥平，陳繼根和王泰樂(lè)等。

審核編輯 ：李倩