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100%導電的Stanene新材料可望取代石墨烯

上網時間: 2013年12月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Stanene  石墨烯  2D  碳原子  超導體 

由美國史丹佛大學(Stanford University)教授張首晟(Shoucheng Zhang)帶領的研究團隊最近發現一種在室溫條件下可實現100%導電效率的材料,他們將這款可帶來更大想像空間的新材料稱為「stanene」。

該團隊包括史丹佛大學以及美國能源部(DoE) SLAC國家加速實驗室的研究人員,他們根據石墨烯的名稱由來而將這種新的錫基材料命名為「stanene」──以錫的拉丁語「stannum」作為字首。然而,相較於石墨烯採用2D單層碳原子,這種stanene採用了單層錫材料。雖然他們盡量避免將這種材料稱為室溫超導體,但事實上卻是相當類似的。

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加入氟原子(黃色)與錫原子(灰色)2D單層所實現的stanene新材料,可在室溫到高達100℃(約212℉)的高溫下沿邊緣(藍色和紅色箭頭)提供零阻抗。
(來源:SLAC)

「這並不是一種超導體,其差別是它只在邊緣實現100%的導電效率,此外,這種2D材料內部則是一種絕緣體,」張首晟解釋。

在實際作業時中,由於stanene的每個功能區都支援左右邊緣的兩通道零電阻數據流量,stanene互連線就像超導線材一樣雙雙並排。由stanene互連線提供的唯一阻抗將會出現在端點,即傳統晶片電路接觸點。

「關鍵的差異點在於,正常導體的總電阻值隨長度呈線性變化關係──導線越長,阻抗就越大,」張首晟說,「但對於stanene來說,唯一的阻抗來自接觸,所以線性總阻抗都是恆定,與導線長度無關。」

為了驗證該研究團隊的模擬結果,目前已在德國與中國分別展開了實驗。如果能夠成功製造satnene,並確認其所具有的特性,那麼對於晶片製造商來說可是個大好消息,他們將可改為採用stanene薄層來實現高速互連,從而大幅減少功耗與熱。

張首晟對於其模擬結果經實驗確認抱著很高的期望,因為該團隊已經長期針對各種拓撲絕緣材料特性進行預測與研究了,期望找到即表面導電但內部絕緣的材料。他們已經預測過碲化汞和其他幾種化合物可作為拓墣絕緣材料,同時也經過其後的實驗加以證明。當這些化合物以單層製造時,預期可在邊緣達到100%的導電效率,然而,卻和超導體一樣只能在低溫環境下實現。

「目前的許多材料研究仍處於實驗階段,但現在我們實際上可使用電腦和理論思維的力量,推動材料研究向前進展,因此,我們能夠根據所需的功能性來設計材料──這是半導體材料科學領域的一項持續性革命,」張首晟說。

張首晟目前正致力於在stanene薄層中加入閘極,以期製造出可在電晶體通道中以stanene取代矽晶的三端元件。張首晟還打趣道,如果能夠成功實現的話,或許有一天矽谷還會改名為「錫谷」(Tin Valley)呢!

編譯:Susan Hong

(參考原文:Stanene May Be Better Than Graphene,by R. Colin Johnson)

(參考原文:Stanene May Be Better Than Graphene,by R. Colin Johnson)





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