电子光滑的“3D石墨烯”:铋三钠的光明未来

铋三钠的电子光滑特性使其成为石墨烯/h-BN的可行替代品

研究人员发现拓扑材料铋硫三钠(Na_3.Bi)可以被制造成与最高质量的石墨烯替代品一样“电子光滑”，同时保持石墨烯的高电子迁移率。

Na_3.Bi是一种拓扑狄拉克半金属(TDS)，被认为是石墨烯的3D等价物，因为它显示出同样极高的电子迁移率。

在石墨烯中，就像在TDS中一样，电子以恒定的速度运动，与它们的能量无关。

这种高电子迁移率在研究快速开关电子学的材料中是非常可取的。

理论上，石墨烯中的电子流动速度是硅的100倍。

然而，在实践中，石墨烯出色的电子迁移率受到材料二维性质的限制。

尽管石墨烯本身可以非常纯净，但它太脆弱了，不能作为一种独立的材料使用，必须与另一种材料结合。由于石墨烯原子薄，衬底中的杂质能够导致石墨烯内部的电子无序。

这种被称为“电荷坑”的微观不均匀性限制了载流子的移动性。

在实践中，这意味着基于石墨烯的设备必须精心构造，将石墨烯薄片铺在基底材料上，以最大限度地减少这种电子无序。六方氮化硼(h-BN)通常用于此目的。

但现在，澳大利亚FLEET研究中心的研究人员发现，铋三钠(Na_3.Bi)在莫纳什大学的实验室中生长，其电子光滑程度与最高质量的石墨烯/h-BN一样。

首席研究员马克·埃德蒙兹博士说，这是一项重大成就。埃德蒙兹博士说:“这是第一次用这种方法测量三维狄拉克材料。”“我们很高兴在这种材料中发现了如此高的电子平滑度。”

这一发现对于推进这种新型拓扑材料的研究至关重要，它可能在电子领域有广泛的应用。埃德蒙兹博士说:“不可能知道这会打开多少个研究领域。”“在石墨烯/h-BN中同样的发现引发了2011年大量的补充研究。”

具有钠的电子光滑性_3.Bi现在展示了一系列其他研究的可能性。自2004年石墨烯被发现以来，已经有许多关于相对论性(高迁移率)电子流的研究。随着这项最新的研究，类似的研究进入Na_3.Bi是可以预期的。

Na_3.与石墨烯相比，Bi提供了许多有趣的优势。

在避免双层石墨烯/h-BN器件所涉及的困难的构建方法的同时，Na_3.铋可以在毫米或更大的尺度上生长。目前，石墨烯-h- bn仅限于几微米。

另一个重要的优势是使用钠的潜力_3.Bi作为新一代晶体管中的导电通道——一个建立在拓扑绝缘体科学基础上的晶体管。

这项研究发表在科学的进步2017年12月。

下一步&拓扑晶体管

“TDS电子光滑薄膜的发现是迈向可切换拓扑晶体管的重要一步，”FLEET主任Michael Fuhrer教授说。

Fuhrer教授表示:“石墨烯是一种极好的导体，但它无法被‘关闭’或控制。”拓雷竞技苹果版扑材料，如Na_3.Bi，可以通过施加电压或磁场从传统绝缘子切换到拓扑绝缘子。

拓扑绝缘体是一种新型材料，在其内部表现为电绝缘体，但可以沿其边缘携带电流。与传统的电路径不同，这种拓扑边缘路径可以携带能量耗散接近零的电流，这意味着拓扑晶体管可以在不消耗能量的情况下切换。

雷竞技苹果版拓扑材料获得了去年的诺贝尔物理学奖。

拓扑晶体管会像传统晶体管一样“开关”。栅极电位的应用会改变Na的边缘路径_3.作为拓扑绝缘体('开')和传统绝缘体('关')之间的Bi通道。

更大的图景:计算中的能源使用
最主要的挑战是计算和信息技术(IT)中使用的能源越来越多。

晶体管每切换一次，就会消耗少量的能量，而随着数万亿个晶体管每秒切换数十亿次，这些能量就会累积起来。计算所消耗的能量已经占到全球用电量的5%，而且每十年就翻一番。

多年来，越来越高效、越来越紧凑的计算机芯片控制着指数级增长的计算所需要的能量——这一效应与摩尔定律有关。但随着基本物理极限的接近，摩尔定律正在终结，未来的效率也有限。

Michael Fuhrer教授表示:“为了让计算继续增长，跟上不断变化的需求，我们需要更高效的电子产品。”“我们需要一种新型晶体管，在开关时消耗更少的能量。”

“这一发现可能是朝着改变计算世界的拓扑晶体管方向迈出的一步。”

关于舰队
FLEET是澳大利亚政府资助的研究中心:澳大利亚研究理事会未来低能耗电子技术卓越中心。

FLEET是来自7所澳大利亚大学和13个澳大利亚和国际科学组织的近100名研究人员的合作，其中包括论文合著者Shaffique Adam和其他人所在的新加坡国立大学。

FLEET是高度跨学科的，澳大利亚的顶尖研究人员在他们的领域专注于实现超低耗散传导的三种途径:

• 雷竞技苹果版
• 激子超流体
• Light-transformed材料

这项研究处于当前物理学的前沿，以原子薄(二维)材料和纳米器件制造科学为基础。

资源
•dota2雷竞技赞助 |@FLEETCentre|YouTube

联系人
•Mark Edmonds博士， DECRA研究员，mark.edmonds@monash.edu
•Michael Fuhrer教授， FLEET局长，michael.fuhrer@monash.edu

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