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    發布時間:2013-11-25 09:45 原文鏈接: 中國科研人員找到大溫區恒定電阻率單一固體

      中科院物理所研究員曹則賢喜歡用“玩”來形容自己的工作。就在最近,他和課題組的同事“玩”出了一個大名堂——他們找到了一類固體材料,其能在室溫至零下200多攝氏度的范圍內,保持電阻率幾乎恒定不變。

      這在材料學領域算得上是一個爆炸性消息。稍微有些物理常識的人都知道,對已知的單一固體材料來說,不管它是由什么元素組成的,其電阻率都會隨著溫度變化而變化,而且變化幅度還相當大。

      三種“高速路” 性質各不同

      “根據‘能帶論’學說,固體內電子能擁有的能量呈帶狀分布,就像高速公路;分布其上的電子,則有點類似高速路上的車。”曹則賢解釋說,一般材料的導電過程,大致可用兩條分開一定距離的高速路來形容。

      如果一條高速路塞滿了,旁邊的高速路是空的,但因為有隔離帶擋著,汽車開不過去,所以塞滿的高速路上車流幾乎為零。這對應的是絕緣體的狀況:一個能帶被電子占滿了,就無法產生電流。

      如果隔離帶很窄、也不牢固,有些車竄到空的高速路上飛馳,原來那條路因為有了“空位”,車流能緩緩移動,這是半導體導電原理。

      如果一條高速路只有部分是滿的,自然就可以有較快的車流,這種材料就是導體了。

      另一方面,溫度對電流的影響,可以用司機的“脾氣”對車流的影響來比喻。對導體來說,司機“脾氣”越大,就會亂開車,發生碰撞的機會越大,車流會變小,也即電阻率越大。

      相反,在半導體被占滿的高速路上,司機“脾氣”越急,敢竄到另一條路上的就越多,同時原來高速路上的“空位”也越多,車流會變大,相當于電阻率越小。

      這讓曹則賢等人萌生了一個大膽的想法:如果兩條“高速公路”是部分重疊的,就會既因為有更多車道可用而造成車流增加,也會因碰撞機會增多而造成車流減小。如果兩種因素能互相補償,那在一定范圍內司機的“脾氣”就不會帶來車流的明顯改變。

      就是說,也許能設計一種半導體,它的能帶結構能使電阻率在一定的溫度范圍內不變。

      往“筐”里裝什么“杏”很重要

      “美國有家公司做出了一種叫manganin的產品,可以實現恒定電阻率。”中科院物理所副研究員紀愛玲說,“不過這種產品屬于合金,是經鍛造后得到的不均勻結構,其工藝非常復雜,當然也是商業秘密。”

      多年來,曹則賢等人則希望找到一種單一的固體材料,并最終給它貼上“大溫區內恒電阻率”的標簽。

      曹則賢所在的課題組長期從事Cu3N基薄膜材料的生長和物性研究。這是一種很有趣的半導體,它的單胞就像一個中空的立方體,原子都分布在立方體的棱和頂點上。它可用作光記錄材料,近年來也廣泛用作鋰離子電池的電極材料、堿性燃料電池的陰極催化材料及低阻磁隧穿結的阻攔層等。

      “Cu3N晶格單胞中心有空位,這就可能通過摻雜的方法在Cu3N基材料中實現新奇的電學特性。”曹則賢說。

      2006年,曹則賢、紀愛玲和浙江理工大學理學院院長李超榮等在這個小“筐”里放了些金屬鈀,結果得到了在-268℃~-28℃范圍內電阻率基本恒定的材料。

      當時結果一出來,美國《應用物理快報》只用了19個小時就決定接收論文。審稿人評論說:“如果這一切是真的,那它在科學上的價值就不言而喻了。”

      那么,往這個“筐”里裝點別的“杏”,又會怎樣?曹則賢等人盼望著更多的可能性。

      “記仇”的科學家

      其實2006年的那篇論文,科研人員先投給了《自然》雜志。編輯給出的意見是:“如果你們的恒電阻率溫區能涵蓋室溫,我們就可以考慮發表了。”這句話讓曹則賢記了7年。

      “材料的恒電阻率溫區超越室溫到更高的溫度,這也是我們的夢想。試想一種材料如果有這種特性,將會擁有多少新奇的應用?”

      最近,曹則賢的博士生魯年鵬和紀愛玲嘗試在Cu3N中摻雜不同量的銅、銀、金元素。經過大量艱苦實驗,他們終于觀察到了大溫區內恒電阻率現象。其中,Cu3NAg0.76在-218.15℃~26.85℃范圍內,電阻率幾乎沒有變化。

      科研人員發現,當金屬摻雜量少時,材料是典型的半導體,它的載流子濃度和遷移率都隨溫度發生指數變化。可當摻雜量逐漸變大,材料發生了半導體到半金屬的轉變。

      “正是這種轉變為恒定電阻率的實現提供了可能。”曹則賢告訴記者,金屬原子隨機占據Cu3N單胞的中心位置,造成能隙變窄直至出現能帶重疊,這時載流子濃度和遷移率隨溫度的變化會發生相互補償,從而實現了較大溫區內恒定的電阻率。

      近期,相關研究成果已在《自然》雜志子刊《科學報告》上發表。

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