來自美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)的理論物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，單層錫原子可能會(huì)成為世界上第一種能在常溫下(就計(jì)算機(jī)芯片而言)達(dá)到100%導(dǎo)電率的超級(jí)材料，遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過近年來的熱門材料石墨烯。

研究人員把這種新材料叫做“Stanene”。這是將錫的拉丁語名稱(stannum)和石墨烯(graphene)的詞尾組合在一起而來的。石墨烯也是一種單層材料，但原子是碳，出色的電子性能使其有非常著廣泛的應(yīng)用。

領(lǐng)導(dǎo)這次實(shí)驗(yàn)的斯坦福、斯坦福材料與能源科學(xué)研究院(SLAC合作機(jī)構(gòu))物理學(xué)教授張守晟(音)說：“如果我們的預(yù)言能夠得到全球多家實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的試驗(yàn)的證實(shí)，Stanene或許可以提高未來計(jì)算機(jī)的速度，并降低能耗。”

過去十年間，張教授和他的同事計(jì)算和預(yù)測(cè)了這種叫做拓?fù)?strong>絕緣體(topological insulator)的特殊材料的電子性能，其導(dǎo)電性只存在于材料的邊緣或表面，而不是內(nèi)部。當(dāng)拓?fù)浣^緣體只有一層原子厚的時(shí)候，它的邊緣導(dǎo)電性就會(huì)達(dá)到完美的100%。這種不尋常的性能來自材料內(nèi)部電子和重原子核之間復(fù)雜的互動(dòng)。

張教授表示：“拓?fù)浣^緣體的秘密在于它本身的特性。它能使電子沿著一定的方向移動(dòng)，而沒有任何速度限制，就像在高速公路上一樣。只要它們?cè)诟咚俟飞?，也就是材料的邊緣和表面，電子就可以沒有限制地移動(dòng)。”

2006年和2009年，張教授的研究小組預(yù)測(cè)，碲化汞和幾種鉍、銻、硒、碲的化合物應(yīng)該是拓?fù)浣^緣體，其他試驗(yàn)很快就證實(shí)了這一點(diǎn)，但這些材料在常溫下都不是電的完美導(dǎo)體，商業(yè)應(yīng)用很有限。

今年初，來自清華大學(xué)的訪問學(xué)者徐勇(音)與張教授的研究團(tuán)隊(duì)合作，考察了單層純錫的性能。

徐勇稱：“我們知道，我們應(yīng)該考察元素周期表右下角的那些元素。之前所有富電子的重元素拓?fù)浣^緣體都在這里。”

他們的計(jì)算表明，單層錫在室溫甚至室溫以上都是拓?fù)?strong>絕緣體，而且如果在錫中加入氟原子，工作范圍可以達(dá)到至少100℃。

張教授說，這種錫氟化合物的第一個(gè)應(yīng)用，就是制作微處理器元件間的連線，讓電子可以像汽車在高速公路上一樣快速移動(dòng)。在傳統(tǒng)的導(dǎo)體中，汽車上下斜坡時(shí)會(huì)發(fā)生交通堵塞，但是Stanene制作的連線刻意大幅減少微處理器的能耗和發(fā)熱。

當(dāng)然，這并不容易，必須確保只使用單層的錫，并且在制作芯片的高溫過程中要保證單層錫的完整。

張教授說：“最終，我們可以將Stanene用在更多的電路結(jié)構(gòu)中，甚至是代替晶體管的核心元素硅?；蛟S有一天，硅谷會(huì)改名叫錫谷。”

將氟原子(黃色)加入單層的錫原子(灰色)就會(huì)得到Stanene，邊緣(藍(lán)色和紅色)的導(dǎo)電性近乎完美