一种用于小型电子设备的新材料可延长电池寿命

俄亥俄州立大学、陆军研究实验室和麻省理工学院的研究人员确定，这种材料的电子迁移率是同类薄膜中最好的——电子迁移率是电流通过的难易程度的指标。再加上低缺陷密度，可以减少对表面电子运动的干扰，这种材料就像一条小小的空旷高速公路，所有电子都可以轻松到达它们需要去的地方，不会看到交通堵塞。

“我们重新定义了这种高速公路上的汽车的功能——它就像一辆可以快速行驶而不会受到道路上其他物体阻碍的汽车，”该研究的第一作者、陆军研究实验室的物理学家帕特里克·泰勒(PatrickTaylor)说。

“未来的电子产品将使用这种技术，因为它的功耗很低，”泰勒说。“陆军对低功耗感兴趣，因为他们不想给士兵提供会耗电的东西。另一方面，商业部门正在研究这种技术，看看硅之后会发生什么，因为硅已经走到了它的尽头，必须有一些东西接替它。”

研究小组最近在《材料今日物理》上报告了这一研究成果。

论文共同第一作者布兰迪·伍顿(BrandiWooten)是俄亥俄州立大学材料科学与工程专业的应届博士毕业生，目前是机械与航空航天工程的研究技术员，他指出，对这些材料进行的详尽测试产生了另一个里程碑：研究人员能够检测到难以捉摸的振荡，证实原始薄膜几乎没有散射——与自然界中的薄膜不同。

“自然而言，这些材料在薄膜生长方面并不是最好的，但我们需要薄膜来制造设备，”伍顿说。“这篇论文非常好，表明我们可以将这些材料制成足够好的薄膜形式，以便放入设备中。这是让这些材料发挥更多作用的垫脚石。”

进一步的研究可能涉及利用并扩展薄膜的热电性能。伍顿在攻读博士学位期间曾在泰勒的实验室实习了两个夏天，她负责监督高度敏感的测试，以测量薄膜的热性能，该团队已开始根据她的发现开发新版本的薄膜。

虽然军事和商业应用还需要数年时间，但这些耗能极少的薄膜可以与目前为微型电子产品制造的超薄集成在一起。其潜在用途包括作为下一代计算机磁存储器的基本构件，或为机器人或无人机提供动力，甚至可作为可穿戴设备，让穿着重型装备和防弹背心的士兵保持凉爽。

这些厚度在90到150纳米之间的薄膜是三元辉锑矿的精制版，辉锑矿是一种由铋、碲和硫组成的矿物。大约二十年来，科学家一直致力于完善辉锑矿薄膜，因为它们有可能充当拓扑绝缘体：在这种材料中，电流在表面流动，而内部充当绝缘体，从而减少表面流的任何耗散。这种表面传导还具有自旋特性，这可能为使用极低功率的自旋电子器件打开大门。

为了实现这些特性，泰勒使用一种称为分子束外延(MBE)的技术构建了薄膜-从与辉锑矿相同的晶体结构开始，但用其他元素替换以得出两种具有不同导电机制的不同成分。

论文共同第一作者约瑟夫·赫尔曼斯(JosephHeremans)帮助指导了元素的选择，以制作出最佳薄膜。赫尔曼斯是俄亥俄州立大学机械和航空航天工程、材料科学与工程和物理学教授，他建议泰勒在合成材料时力求达到平衡——而这并不是MBE工艺制作的薄膜的典型特征。

“那是他的指路明灯，”泰勒说。“我们确实尝试过瞄准更平衡的条件，而且成功了——所以我们得到的材料具有异常高的流动性。”

伍顿表示，高电子迁移率是通过以一种降低天然辉锑矿内部带电荷的移动粒子浓度的方式生长薄膜而实现的。

“通过降低载流子浓度，我们可以在表面上利用这些非常强大和稳健的状态，”她说。“在拓扑绝缘体中，电流可以在表面上朝一个方向流动，但不能朝另一个方向流动。它不能反向散射，这就是它们更稳健的原因。”

这项工作代表着一项进步，我们不仅能够制造这些薄膜，还能在实验室中测试它们的特性——以前，为实验室研究而制造的材料要大得多。

泰勒说：“利用这种分子束外延技术，我们现在可以设想未来某一天可以装入电脑或手机中的东西。”