作者:丁佳 来源:中国科学报 发布时间:2013-11-25 9:08:24
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“玩”出来的大名堂
中国科研人员找到大温区恒定电阻率单一固体
 
■本报记者 丁佳
 
中科院物理所研究员曹则贤喜欢用“玩”来形容自己的工作。就在最近,他和课题组的同事“玩”出了一个大名堂——他们找到了一类固体材料,其能在室温至零下200多摄氏度的范围内,保持电阻率几乎恒定不变。
 
这在材料学领域算得上是一个爆炸性消息。稍微有些物理常识的人都知道,对已知的单一固体材料来说,不管它是由什么元素组成的,其电阻率都会随着温度变化而变化,而且变化幅度还相当大。
 
三种“高速路” 性质各不同
 
“根据‘能带论’学说,固体内电子能拥有的能量呈带状分布,就像高速公路;分布其上的电子,则有点类似高速路上的车。”曹则贤解释说,一般材料的导电过程,大致可用两条分开一定距离的高速路来形容。
 
如果一条高速路塞满了,旁边的高速路是空的,但因为有隔离带挡着,汽车开不过去,所以塞满的高速路上车流几乎为零。这对应的是绝缘体的状况:一个能带被电子占满了,就无法产生电流。
 
如果隔离带很窄、也不牢固,有些车窜到空的高速路上飞驰,原来那条路因为有了“空位”,车流能缓缓移动,这是半导体导电原理。
 
如果一条高速路只有部分是满的,自然就可以有较快的车流,这种材料就是导体了。
 
另一方面,温度对电流的影响,可以用司机的“脾气”对车流的影响来比喻。对导体来说,司机“脾气”越大,就会乱开车,发生碰撞的机会越大,车流会变小,也即电阻率越大。
 
相反,在半导体被占满的高速路上,司机“脾气”越急,敢窜到另一条路上的就越多,同时原来高速路上的“空位”也越多,车流会变大,相当于电阻率越小。
 
这让曹则贤等人萌生了一个大胆的想法:如果两条“高速公路”是部分重叠的,就会既因为有更多车道可用而造成车流增加,也会因碰撞机会增多而造成车流减小。如果两种因素能互相补偿,那在一定范围内司机的“脾气”就不会带来车流的明显改变。
 
就是说,也许能设计一种半导体,它的能带结构能使电阻率在一定的温度范围内不变。
 
往“筐”里装什么“杏”很重要
 
“美国有家公司做出了一种叫manganin的产品,可以实现恒定电阻率。”中科院物理所副研究员纪爱玲说,“不过这种产品属于合金,是经锻造后得到的不均匀结构,其工艺非常复杂,当然也是商业秘密。”
 
多年来,曹则贤等人则希望找到一种单一的固体材料,并最终给它贴上“大温区内恒电阻率”的标签。
 
曹则贤所在的课题组长期从事Cu3N基薄膜材料的生长和物性研究。这是一种很有趣的半导体,它的单胞就像一个中空的立方体,原子都分布在立方体的棱和顶点上。它可用作光记录材料,近年来也广泛用作锂离子电池的电极材料、碱性燃料电池的阴极催化材料及低阻磁隧穿结的阻拦层等。
 
“Cu3N晶格单胞中心有空位,这就可能通过掺杂的方法在Cu3N基材料中实现新奇的电学特性。”曹则贤说。
 
2006年,曹则贤、纪爱玲和浙江理工大学理学院院长李超荣等在这个小“筐”里放了些金属钯,结果得到了在-268℃~-28℃范围内电阻率基本恒定的材料。
 
当时结果一出来,美国《应用物理快报》只用了19个小时就决定接收论文。审稿人评论说:“如果这一切是真的,那它在科学上的价值就不言而喻了。”
 
那么,往这个“筐”里装点别的“杏”,又会怎样?曹则贤等人盼望着更多的可能性。
 
“记仇”的科学家
 
其实2006年的那篇论文,科研人员先投给了《自然》杂志。编辑给出的意见是:“如果你们的恒电阻率温区能涵盖室温,我们就可以考虑发表了。”这句话让曹则贤记了7年。
 
“材料的恒电阻率温区超越室温到更高的温度,这也是我们的梦想。试想一种材料如果有这种特性,将会拥有多少新奇的应用?”
 
最近,曹则贤的博士生鲁年鹏和纪爱玲尝试在Cu3N中掺杂不同量的铜、银、金元素。经过大量艰苦实验,他们终于观察到了大温区内恒电阻率现象。其中,Cu3NAg0.76在-218.15℃~26.85℃范围内,电阻率几乎没有变化。
 
科研人员发现,当金属掺杂量少时,材料是典型的半导体,它的载流子浓度和迁移率都随温度发生指数变化。可当掺杂量逐渐变大,材料发生了半导体到半金属的转变。
 
“正是这种转变为恒定电阻率的实现提供了可能。”曹则贤告诉记者,金属原子随机占据Cu3N单胞的中心位置,造成能隙变窄直至出现能带重叠,这时载流子浓度和迁移率随温度的变化会发生相互补偿,从而实现了较大温区内恒定的电阻率。
 
近期,相关研究成果已在《自然》杂志子刊《科学报告》上发表。
 
《中国科学报》 (2013-11-25 第4版 综合)
 
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