半导体材料的导电机理（导电率是铜3倍的半金属高导体）

中国和加州大学戴维斯分校研究人员测量了砷化铌极薄层的高电导率，砷化铌是一种被称为Weyl半金属的材料。加州大学戴维斯分校(UC Davis)的物理学教授谢尔盖萨瓦索夫(Sergey Savrasov)说：

这种材料在室温下的导电性大约是铜的三倍，萨瓦索夫是3月18日发表在《自然材料》(Nature Materials)期刊上的论文共同作者。物理学家和材料科学家对导电的新材料非常感兴趣，不仅因为它们可以用于基础研究，而且因为它们可以用于制造新型电子设备。

博科园-科学科普：萨瓦索夫致力于理论凝聚态物理学，和其他人一起，他在2011年提出了Weyl半金属的存在。中国研究小组能够制造并测试砷化铌的纳米粒子，证实了理论的预测，纳米粒子非常薄，基本上是二维的。威尔半金属不是导体或绝缘体，而是介于两者之间。例如，砷化铌在体积上是一种不良导体，但其金属表面可以导电。表面是拓扑保护，这意味着它不能改变而不破坏大块材料。对于大多数材料，当它们从环境中吸收杂质时，表面会发生化学变化。这些杂质会干扰电导率。但受地形保护的表面会排斥这些杂质。

理论上，我们认为Weyl表面是良导体，因为它们不含杂质。如果你想象电子在物质中流动，想象它们被杂质弹开或散射。在量子层面，导电材料有一个费米表面，它描述了电子可以占据的所有量子能量状态，费米表面影响材料的电导率。在这些实验中测试纳米带具有有限的费米表面或费米弧，这意味着电子只能被散射到有限范围的量子态。费米弧限制了电子能够弹回的状态，因此它们不会散射。当工程师们努力建造越来越小的电路时，在非常小尺度上具有高导电性的材料可能是有用的，更小的电阻意味着电流通过时产生的热量更少。

• 威尔半金属是介于导体和绝缘体之间的一种新型材料，加州大学戴维斯分校(UC Davis)和中国研究人员的最新研究表明，砷化铌二维纳米片具有很高的导电性。左边为实验室制备的砷化铌纳米片透射电镜；右图是高倍扫描电镜，显示出规则的表面结构。由于纳米材料的量子特性，电流可以很容易地流动。图片：Sergey Savrasov, UC Davis

在二维(2D)系统中，高迁移率通常是在低载流子密度半导体和半金属中实现。发现，即使在高载流子密度的情况下，Weyl半金属NbAs的纳米带仍然保持着较高的迁移率。提出了一种合成具有可调谐费米能级的单晶NbAs纳米带生长方案。由于大的表面与体的比例，二维表面状态导致高片状载流子密度，即使体费米能级位于Weyl节点附近。其表面电导可达5 - 100s /□，超过了传统二维电子气体、准二维金属薄膜和拓扑绝缘体表面状态。通过理论验证，将超高电导的起源归因于具有抗序性的费米弧。费米电弧的低损耗特性对基础研究和潜在电子应用都具有重要意义。

• （上图）据波士顿学院、加州大学洛杉矶分校和瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员称，Weyl半金属砷化钽具有巨大的体积光电效应——光产生的固有或非线性的电流比以往任何时候都要大十倍以上图片：Kenneth Burch/Boston College

博科园-科学科普｜研究/来自: 加州大学戴维斯分校

参考期刊文献:《Nature Materials》

DOI: 10.1038/s41563-019-0320-9

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