科学家在新型晶体薄膜中观察到创纪录的电子迁移率

电子迁移率高的材料就像一条没有交通的高速公路。流入材料的任何电子都像通勤者一样轻松通过，没有任何障碍物或拥堵来减慢或分散它们的路径。

材料的电子迁移率越高，其电导率就越高，电子通过时损失或浪费的能量就越少。具有高电子迁移率的先进材料对于更高效、更可持续的电子设备至关重要，这些电子设备可以用更少的功率完成更多的工作。

现在，麻省理工学院、陆军研究实验室等机构的物理学家在三元辉锑矿薄膜中实现了创纪录的电子迁移率，辉锑矿是一种天然存在于金和石英深层热液矿床中的矿物。

在这项研究中，科学家们以最小化晶体结构缺陷的方式，生产出这种材料的纯净超薄薄膜。他们发现，这种近乎完美的薄膜——比人的头发丝薄得多——在同类薄膜中表现出最高的电子迁移率。

该团队通过检测电流通过时的量子振荡来估计材料的电子迁移率。这些振荡是材料中电子量子力学行为的特征。研究人员检测到了一种特殊的振荡节奏，这是高电子迁移率的特征——比迄今为止任何此类三元薄膜都要高。

麻省理工学院物理系高级研究员 Jagadeesh Moodera 表示：“之前，人们在这些系统中实现的电子迁移率就像在施工道路上的交通——堵车、无法驾驶、尘土飞扬、一片混乱。而使用这种新优化的材料，就像在没有交通的马萨诸塞州收费公路上行驶一样。”

研究团队的研究成果发表在《材料今日物理学》杂志上，指出三元辉锑矿薄膜是未来电子产品的有前途的材料，例如可穿戴的热电设备，可以有效地将废热转化为电能。(辉锑矿是导致商用热电冷却器产生冷却效果的活性材料。)

该材料还可以作为自旋电子设备的基础，自旋电子设备利用电子自旋来处理信息，其功耗比传统的硅基设备要低得多。

该研究还利用量子振荡作为测量材料电子性能的高效工具。

“我们正在利用这种振荡作为一种快速测试工具，”这项研究的作者、前麻省理工学院研究科学家、现就职于渥太华大学的 Hang Chi 说道。“通过研究这种微妙的电子量子舞蹈，科学家们可以开始理解和识别新材料，用于为我们的地球提供动力的下一代技术。”

Chi 和 Moodera 的合著者包括前麻省理工学院林肯实验室的 Patrick Taylor、陆军研究实验室的 Owen Vail 和 Harry Hier，以及俄亥俄州立大学的 Brandi Wooten 和 Joseph Heremans。

光束下落

“四方石英”这个名字源于希腊语“tetra”(四)和“dymite”(孪生)。这两个术语都描述了这种矿物的晶体结构，这种矿物由菱面体晶体组成，这些晶体以四个为一组“孪生”，即它们具有相同的晶体结构，共用一侧。

辉锑矿由铋、锑碲、硫和硒的组合组成。20 世纪 50 年代，科学家发现辉锑矿具有半导体特性，可能非常适合热电应用：这种矿物在其块状晶体形式下能够被动地将热量转化为电能。

随后，在 20 世纪 90 年代，已故的研究所教授米尔德里德·德雷塞尔豪斯 (Mildred Dresselhaus) 提出，这种矿物的热电性能可能会得到显著增强，但不是在其块体形式中，而是在其微观纳米级表面中，电子的相互作用更为明显。(赫尔曼斯当时恰好在德雷塞尔豪斯的团队中工作。)

“很明显，当你长时间、近距离地观察这种材料时，新事物就会出现，”Chi 说。“这种材料被认定为拓扑绝缘体，科学家可以在其表面看到非常有趣的现象。但要不断发现新事物，我们必须掌握材料生长。”

为了生长纯晶体薄膜，研究人员采用了分子束外延技术，即将分子束发射到基板上，通常在真空中，并精确控制温度。

当分子沉积在基底上时，它们会慢慢凝结并堆积起来，每次一个原子层。通过控制沉积分子的时间和类型，科学家可以以精确的结构生长出极薄的晶体膜，而且缺陷很少。

“通常情况下，铋和碲可以互换位置，从而在晶体中产生缺陷，”合著者泰勒解释说。“我们用来生长这些薄膜的系统是我从麻省理工学院林肯实验室带过来的，在那里我们使用高纯度材料将杂​​质降至不可检测的限度。它是探索这项研究的完美工具。”

自由流动

研究团队制作了三元辉锑矿薄膜，每层薄膜厚度约为 100 纳米。然后，他们通过寻找 Shubnikov-de Haas 量子振荡来测试薄膜的电子特性。Shubnikov-de Haas 量子振荡是物理学家 Lev Shubnikov 和 Wander de Haas 发现的一种现象，他们发现，当材料在低温下暴露于强磁场时，其电导率会发生振荡。之所以发生这种效应，是因为材料的电子填充了特定的能级，而这些能级会随着磁场的变化而变化。

这种量子振荡可以作为材料电子结构以及电子行为和相互作用方式的标志。对于麻省理工学院的研究团队来说，最值得注意的是，振荡可以决定材料的电子迁移率：如果存在振荡，则必须意味着材料的电阻能够改变，并且由此推断，电子可以移动，并且可以轻松流动。

研究小组在新薄膜中寻找量子振荡的迹象，首先将薄膜暴露在超低温和强磁场中，然后让电流通过薄膜，并测量电流沿路径的电压，同时调高和调低磁场。

“结果让我们非常高兴和兴奋，因为这种材料的电阻发生了振荡，”Chi 说道。“这立即说明这种材料的电子迁移率非常高。”

具体来说，研究小组估计，三元辉石英薄膜的电子迁移率为 10,000 cm 2 /Vs，这是迄今为止测得的三元辉石英薄膜中最高的迁移率。

研究团队怀疑，薄膜的记录迁移率与其低缺陷和杂质有关，他们能够通过精确的生长策略将缺陷和杂质降至最低。材料缺陷越少，电子遇到的障碍就越少，流动就越自由。

“这表明，只要正确控制这些复杂系统，就有可能向前迈出一大步，”穆德拉说。“这告诉我们，我们正朝着正确的方向前进，我们有正确的系统来进一步推进，继续完善这种材料，使其薄膜更薄，并实现近距离耦合，以用于未来的自旋电子学和可穿戴热电设备。”