研究人員開發(fā)出了一種超級半導體材料，在室溫下，其導電性比硅等典型半導體材料高出3至10倍，它還具有超低電阻率。

特拉華大學機械工程師魏冰青（Bingqing Wei）和一個國際同事團隊發(fā)現(xiàn)了一種很有前途的新材料，他們說這種材料可以為超低功耗電子設備鋪平道路。

他們稱這種材料為超級半導體，這個術語基于電子學中兩個眾所周知的詞：超導體和半導體。超導體是自20世紀初以來已知的在超低溫下以零電阻導電的材料，被認為在-450至-123華氏度之間。半導體是同時具有導電和絕緣性能的材料，具體取決于溫度。

這種超級半導體材料由鈷和鋁制成，在室溫下，導電性比硅等典型半導體材料高出3至10倍，它還具有超低電阻率，這意味著它允許電流流過材料，幾乎沒有阻力來減慢電子速度。研究人員認為，這一發(fā)現(xiàn)有可能顯著降低功耗并提高電子設備的性能效率。

“這是固態(tài)導電材料中一個令人興奮的發(fā)現(xiàn)，”UD機械工程教授兼燃料電池和電池中心主任Wei說。

Wei解釋說，所有固體材料都表現(xiàn)出對導電的抵抗力，但有些比其他材料更多。例如，塑料被稱為絕緣體，因為它們不導電。銅，鋁，金和銀等金屬合金被認為擅長導電，而其他材料介于兩者之間。這些介于兩者之間的材料被稱為半導體 - 在室溫下傳導電流但在超低溫下表現(xiàn)得像絕緣材料的材料。

現(xiàn)代電子產(chǎn)品，如二極管，晶體管和計算機芯片，都是基于硅，一種典型的半導體材料。這些半導體依靠電子（負電荷）和空穴（正電荷）進行導電行為，但它們在傳導這些電荷載流子方面效率低下。這會產(chǎn)生高電阻，導致半導體工作時產(chǎn)生過多的熱量。

“當材料在納米級變得越來越小時，操作過程中消耗的大部分功率都會變成熱量。這種熱量必須轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)之外，否則設備將發(fā)生故障，“使用碳納米管等納米材料進行能量存儲的專家Wei說，主要是在電池中。

那么，鈷鋁超級半導體是如何解決這個問題的呢？

“由于該材料表現(xiàn)出低電阻，因此電流更有效地通過這種超級半導體材料，從而降低功耗并產(chǎn)生更少的熱量，”Wei說，并補充說這一發(fā)現(xiàn)為當前的硅基半導體提供了潛在的替代品。

研究人員正在努力利用這種材料來制造電氣元件，如二極管和晶體管，以控制現(xiàn)代電子產(chǎn)品中電流的流動方向。他們認為這些超級半導體在所謂的p-n結中特別有用，p-n結是控制半導體材料之間電流流向的重要接口。

例如，用于計算機芯片，Wei說，超級半導體可以大大降低功耗并延長我們電子產(chǎn)品的工作時間。隨著我們在生活中添加更多設備，這個想法可能會變得非常重要。

例如，如果您只考慮家庭或企業(yè)中的一臺個人計算機，那么似乎使用的電力或產(chǎn)生的熱量并不那么難以應對。筆記本電腦中的CPU芯片平均每小時使用約45瓦電量，略高于冰箱中的40瓦白熾燈泡。個人臺式計算機中的計算機芯片使用更多一點，大約125瓦，與客廳中的吊扇相同。

但是，當你將多個家庭和企業(yè)中的個人計算機與一些超級計算機結合起來時，從天氣預報到測試數(shù)學模型再到預測疾病路徑，你都可以看到這種熱效應是如何開始成倍增加的。與它們微不足道的個人計算機不同，今天的超級計算機通常包含100000個CPU芯片，消耗約12.5兆瓦的功率 - 相當于一個人口為10萬人的城鎮(zhèn)的功耗。

全世界有超過5億臺計算機。

“如果我們降低電子設備的功耗，你可以看到好處，”Wei說。“這只是考慮到計算機的使用，它沒有考慮其他設備，例如過去兩年在全球銷售的26億部智能手機。”

那么，該研究小組是如何弄清楚鈷和鋁是一個成功的組合的呢？

研究人員正在探索用于紅外探測器應用的鋁和碳納米管。他們知道，在小的貴金屬顆粒（例如，金，銀，鉑）上照射光會引起所謂的等離子體效應，其中材料上的電荷以一種導致電子積聚在顆粒表面上的方式分布。

通過使用一種稱為等離子體蝕刻的技術在自組裝的聚苯乙烯球體之間創(chuàng)造空間，研究小組能夠沉積一層10nm厚的鈷，然后在球體上沉積一層100nm的鋁。相比之下，人類的平均頭發(fā)厚度約為80000至100000nm。

這種分層過程只允許金屬停留在球體的頂部，因此，當暴露在光和室溫下時，它觸發(fā)了這種等離子體效應，并產(chǎn)生了足夠的能量，使鈷中的自由電子跳到鋁上。這使得鈷顆粒比鋁帶更多的正電荷，研究人員推測這是賦予該材料超半導體行為的原因。

據(jù)他們所知，這是超半導體行為的第一份報告。研究人員已經(jīng)向UD的經(jīng)濟創(chuàng)新和伙伴關系辦公室提交了一項關于其發(fā)現(xiàn)的臨時專利。

研究人員最近在《應用物理評論》上發(fā)表了他們關于超級半導體的研究結果。

該論文的第一作者、中國臺州大學制藥與材料工程學院教授李志剛于2018年成為UD的訪問學者。李志是材料超導行為方面的專家。其他合著者包括臺州大學的王宗鵬，劉彥平，陳繼根和王泰樂等。

審核編輯 ：李倩