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“玩”出来的大名堂 |
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中国科研人员找到大温区恒定电阻率单一固体 |
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■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。
《中国科学报》 (2013-11-25 第4版 综合)
