■本報(bào)記者 丁佳
中科院物理所研究員曹則賢喜歡用“玩”來(lái)形容自己的工作。就在最近，他和課題組的同事“玩”出了一個(gè)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(nèi)，保持電阻率幾乎恒定不變。
這在材料學(xué)領(lǐng)域算得上是一個(gè)爆炸性消息。稍微有些物理常識(shí)的人都知道，對(duì)已知的單一固體材料來(lái)說(shuō)，不管它是由什么元素組成的，其電阻率都會(huì)隨著溫度變化而變化，而且變化幅度還相當(dāng)大。
三種“高速路” 性質(zhì)各不同
“根據(jù)‘能帶論’學(xué)說(shuō)，固體內(nèi)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(diǎn)類似高速路上的車。”曹則賢解釋說(shuō)，一般材料的導(dǎo)電過(guò)程，大致可用兩條分開一定距離的高速路來(lái)形容。
如果一條高速路塞滿了，旁邊的高速路是空的，但因?yàn)橛懈綦x帶擋著，汽車開不過(guò)去，所以塞滿的高速路上車流幾乎為零。這對(duì)應(yīng)的是絕緣體的狀況：一個(gè)能帶被電子占滿了，就無(wú)法產(chǎn)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(lái)那條路因?yàn)橛辛?ldquo;空位”，車流能緩緩移動(dòng)，這是半導(dǎo)體導(dǎo)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(dǎo)體了。
另一方面，溫度對(duì)電流的影響，可以用司機(jī)的“脾氣”對(duì)車流的影響來(lái)比喻。對(duì)導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，司機(jī)“脾氣”越大，就會(huì)亂開車，發(fā)生碰撞的機(jī)會(huì)越大，車流會(huì)變小，也即電阻率越大。
相反，在半導(dǎo)體被占滿的高速路上，司機(jī)“脾氣”越急，敢竄到另一條路上的就越多，同時(shí)原來(lái)高速路上的“空位”也越多，車流會(huì)變大，相當(dāng)于電阻率越小。
這讓曹則賢等人萌生了一個(gè)大膽的想法：如果兩條“高速公路”是部分重疊的，就會(huì)既因?yàn)橛懈嘬嚨揽捎枚斐绍嚵髟黾樱矔?huì)因碰撞機(jī)會(huì)增多而造成車流減小。如果兩種因素能互相補(bǔ)償，那在一定范圍內(nèi)司機(jī)的“脾氣”就不會(huì)帶來(lái)車流的明顯改變。
就是說(shuō)，也許能設(shè)計(jì)一種半導(dǎo)體，它的能帶結(jié)構(gòu)能使電阻率在一定的溫度范圍內(nèi)不變。
往“筐”里裝什么“杏”很重要
“美國(guó)有家公司做出了一種叫manganin的產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)恒定電阻率。”中科院物理所副研究員紀(jì)愛玲說(shuō)，“不過(guò)這種產(chǎn)品屬于合金，是經(jīng)鍛造后得到的不均勻結(jié)構(gòu)，其工藝非常復(fù)雜，當(dāng)然也是商業(yè)秘密。”
多年來(lái)，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(qū)內(nèi)恒電阻率”的標(biāo)簽。
曹則賢所在的課題組長(zhǎng)期從事Cu3N基薄膜材料的生長(zhǎng)和物性研究。這是一種很有趣的半導(dǎo)體，它的單胞就像一個(gè)中空的立方體，原子都分布在立方體的棱和頂點(diǎn)上。它可用作光記錄材料，近年來(lái)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(jié)的阻攔層等。
“Cu3N晶格單胞中心有空位，這就可能通過(guò)摻雜的方法在Cu3N基材料中實(shí)現(xiàn)新奇的電學(xué)特性。”曹則賢說(shuō)。
2006年，曹則賢、紀(jì)愛玲和浙江理工大學(xué)理學(xué)院院長(zhǎng)李超榮等在這個(gè)小“筐”里放了些金屬鈀，結(jié)果得到了在-268℃～-28℃范圍內(nèi)電阻率基本恒定的材料。
當(dāng)時(shí)結(jié)果一出來(lái)，美國(guó)《應(yīng)用物理快報(bào)》只用了19個(gè)小時(shí)就決定接收論文。審稿人評(píng)論說(shuō)：“如果這一切是真的，那它在科學(xué)上的價(jià)值就不言而喻了。”
那么，往這個(gè)“筐”里裝點(diǎn)別的“杏”，又會(huì)怎樣？曹則賢等人盼望著更多的可能性。
“記仇”的科學(xué)家
其實(shí)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(qū)能涵蓋室溫，我們就可以考慮發(fā)表了。”這句話讓曹則賢記了7年。
“材料的恒電阻率溫區(qū)超越室溫到更高的溫度，這也是我們的夢(mèng)想。試想一種材料如果有這種特性，將會(huì)擁有多少新奇的應(yīng)用？”
最近，曹則賢的博士生魯年鵬和紀(jì)愛玲嘗試在Cu3N中摻雜不同量的銅、銀、金元素。經(jīng)過(guò)大量艱苦實(shí)驗(yàn)，他們終于觀察到了大溫區(qū)內(nèi)恒電阻率現(xiàn)象。其中，Cu3NAg0.76在-218.15℃～26.85℃范圍內(nèi)，電阻率幾乎沒有變化。
科研人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬摻雜量少時(shí)，材料是典型的半導(dǎo)體，它的載流子濃度和遷移率都隨溫度發(fā)生指數(shù)變化。可當(dāng)摻雜量逐漸變大，材料發(fā)生了半導(dǎo)體到半金屬的轉(zhuǎn)變。
“正是這種轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣娮杪实膶?shí)現(xiàn)提供了可能。”曹則賢告訴記者，金屬原子隨機(jī)占據(jù)Cu3N單胞的中心位置，造成能隙變窄直至出現(xiàn)能帶重疊，這時(shí)載流子濃度和遷移率隨溫度的變化會(huì)發(fā)生相互補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了較大溫區(qū)內(nèi)恒定的電阻率。
中科院物理所研究員曹則賢喜歡用“玩”來(lái)形容自己的工作。就在最近，他和課題組的同事“玩”出了一個(gè)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(nèi)，保持電阻率幾乎恒定不變。
這在材料學(xué)領(lǐng)域算得上是一個(gè)爆炸性消息。稍微有些物理常識(shí)的人都知道，對(duì)已知的單一固體材料來(lái)說(shuō)，不管它是由什么元素組成的，其電阻率都會(huì)隨著溫度變化而變化，而且變化幅度還相當(dāng)大。
三種“高速路” 性質(zhì)各不同
“根據(jù)‘能帶論’學(xué)說(shuō)，固體內(nèi)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(diǎn)類似高速路上的車。”曹則賢解釋說(shuō)，一般材料的導(dǎo)電過(guò)程，大致可用兩條分開一定距離的高速路來(lái)形容。
如果一條高速路塞滿了，旁邊的高速路是空的，但因?yàn)橛懈綦x帶擋著，汽車開不過(guò)去，所以塞滿的高速路上車流幾乎為零。這對(duì)應(yīng)的是絕緣體的狀況：一個(gè)能帶被電子占滿了，就無(wú)法產(chǎn)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(lái)那條路因?yàn)橛辛?ldquo;空位”，車流能緩緩移動(dòng)，這是半導(dǎo)體導(dǎo)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(dǎo)體了。
另一方面，溫度對(duì)電流的影響，可以用司機(jī)的“脾氣”對(duì)車流的影響來(lái)比喻。對(duì)導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，司機(jī)“脾氣”越大，就會(huì)亂開車，發(fā)生碰撞的機(jī)會(huì)越大，車流會(huì)變小，也即電阻率越大。
相反，在半導(dǎo)體被占滿的高速路上，司機(jī)“脾氣”越急，敢竄到另一條路上的就越多，同時(shí)原來(lái)高速路上的“空位”也越多，車流會(huì)變大，相當(dāng)于電阻率越小。
這讓曹則賢等人萌生了一個(gè)大膽的想法：如果兩條“高速公路”是部分重疊的，就會(huì)既因?yàn)橛懈嘬嚨揽捎枚斐绍嚵髟黾樱矔?huì)因碰撞機(jī)會(huì)增多而造成車流減小。如果兩種因素能互相補(bǔ)償，那在一定范圍內(nèi)司機(jī)的“脾氣”就不會(huì)帶來(lái)車流的明顯改變。
就是說(shuō)，也許能設(shè)計(jì)一種半導(dǎo)體，它的能帶結(jié)構(gòu)能使電阻率在一定的溫度范圍內(nèi)不變。
往“筐”里裝什么“杏”很重要
“美國(guó)有家公司做出了一種叫manganin的產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)恒定電阻率。”中科院物理所副研究員紀(jì)愛玲說(shuō)，“不過(guò)這種產(chǎn)品屬于合金，是經(jīng)鍛造后得到的不均勻結(jié)構(gòu)，其工藝非常復(fù)雜，當(dāng)然也是商業(yè)秘密。”
多年來(lái)，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(qū)內(nèi)恒電阻率”的標(biāo)簽。
曹則賢所在的課題組長(zhǎng)期從事Cu3N基薄膜材料的生長(zhǎng)和物性研究。這是一種很有趣的半導(dǎo)體，它的單胞就像一個(gè)中空的立方體，原子都分布在立方體的棱和頂點(diǎn)上。它可用作光記錄材料，近年來(lái)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(jié)的阻攔層等。
“Cu3N晶格單胞中心有空位，這就可能通過(guò)摻雜的方法在Cu3N基材料中實(shí)現(xiàn)新奇的電學(xué)特性。”曹則賢說(shuō)。
2006年，曹則賢、紀(jì)愛玲和浙江理工大學(xué)理學(xué)院院長(zhǎng)李超榮等在這個(gè)小“筐”里放了些金屬鈀，結(jié)果得到了在-268℃～-28℃范圍內(nèi)電阻率基本恒定的材料。
當(dāng)時(shí)結(jié)果一出來(lái)，美國(guó)《應(yīng)用物理快報(bào)》只用了19個(gè)小時(shí)就決定接收論文。審稿人評(píng)論說(shuō)：“如果這一切是真的，那它在科學(xué)上的價(jià)值就不言而喻了。”
那么，往這個(gè)“筐”里裝點(diǎn)別的“杏”，又會(huì)怎樣？曹則賢等人盼望著更多的可能性。
“記仇”的科學(xué)家
其實(shí)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(qū)能涵蓋室溫，我們就可以考慮發(fā)表了。”這句話讓曹則賢記了7年。
“材料的恒電阻率溫區(qū)超越室溫到更高的溫度，這也是我們的夢(mèng)想。試想一種材料如果有這種特性，將會(huì)擁有多少新奇的應(yīng)用？”
最近，曹則賢的博士生魯年鵬和紀(jì)愛玲嘗試在Cu3N中摻雜不同量的銅、銀、金元素。經(jīng)過(guò)大量艱苦實(shí)驗(yàn)，他們終于觀察到了大溫區(qū)內(nèi)恒電阻率現(xiàn)象。其中，Cu3NAg0.76在-218.15℃～26.85℃范圍內(nèi)，電阻率幾乎沒有變化。
科研人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬摻雜量少時(shí)，材料是典型的半導(dǎo)體，它的載流子濃度和遷移率都隨溫度發(fā)生指數(shù)變化。可當(dāng)摻雜量逐漸變大，材料發(fā)生了半導(dǎo)體到半金屬的轉(zhuǎn)變。
“正是這種轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣娮杪实膶?shí)現(xiàn)提供了可能。”曹則賢告訴記者，金屬原子隨機(jī)占據(jù)Cu3N單胞的中心位置，造成能隙變窄直至出現(xiàn)能帶重疊，這時(shí)載流子濃度和遷移率隨溫度的變化會(huì)發(fā)生相互補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了較大溫區(qū)內(nèi)恒定的電阻率。
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