中國科研人員找到大溫區恒定電阻率單一固體

　　中科院物理所研究員曹則賢喜歡用“玩”來形容自己的工作。就在最近，他和課題組的同事“玩”出了一個大名堂——他們找到了一類固體材料，其能在室溫至零下200多攝氏度的范圍內，保持電阻率幾乎恒定不變。

　　這在材料學領域算得上是一個爆炸性消息。稍微有些物理常識的人都知道，對已知的單一固體材料來說，不管它是由什么元素組成的，其電阻率都會隨著溫度變化而變化，而且變化幅度還相當大。

　　三種“高速路” 性質各不同

　　“根據‘能帶論’學說，固體內電子能擁有的能量呈帶狀分布，就像高速公路；分布其上的電子，則有點類似高速路上的車。”曹則賢解釋說，一般材料的導電過程，大致可用兩條分開一定距離的高速路來形容。

　　如果一條高速路塞滿了，旁邊的高速路是空的，但因為有隔離帶擋著，汽車開不過去，所以塞滿的高速路上車流幾乎為零。這對應的是絕緣體的狀況：一個能帶被電子占滿了，就無法產生電流。

　　如果隔離帶很窄、也不牢固，有些車竄到空的高速路上飛馳，原來那條路因為有了“空位”，車流能緩緩移動，這是半導體導電原理。

　　如果一條高速路只有部分是滿的，自然就可以有較快的車流，這種材料就是導體了。

　　另一方面，溫度對電流的影響，可以用司機的“脾氣”對車流的影響來比喻。對導體來說，司機“脾氣”越大，就會亂開車，發生碰撞的機會越大，車流會變小，也即電阻率越大。

　　相反，在半導體被占滿的高速路上，司機“脾氣”越急，敢竄到另一條路上的就越多，同時原來高速路上的“空位”也越多，車流會變大，相當于電阻率越小。

　　這讓曹則賢等人萌生了一個大膽的想法：如果兩條“高速公路”是部分重疊的，就會既因為有更多車道可用而造成車流增加，也會因碰撞機會增多而造成車流減小。如果兩種因素能互相補償，那在一定范圍內司機的“脾氣”就不會帶來車流的明顯改變。

　　就是說，也許能設計一種半導體，它的能帶結構能使電阻率在一定的溫度范圍內不變。

　　往“筐”里裝什么“杏”很重要

　　“美國有家公司做出了一種叫manganin的產品，可以實現恒定電阻率。”中科院物理所副研究員紀愛玲說，“不過這種產品屬于合金，是經鍛造后得到的不均勻結構，其工藝非常復雜，當然也是商業秘密。”

　　多年來，曹則賢等人則希望找到一種單一的固體材料，并最終給它貼上“大溫區內恒電阻率”的標簽。

　　曹則賢所在的課題組長期從事Cu₃N基薄膜材料的生長和物性研究。這是一種很有趣的半導體，它的單胞就像一個中空的立方體，原子都分布在立方體的棱和頂點上。它可用作光記錄材料，近年來也廣泛用作鋰離子電池的電極材料、堿性燃料電池的陰極催化材料及低阻磁隧穿結的阻攔層等。

　　“Cu₃N晶格單胞中心有空位，這就可能通過摻雜的方法在Cu₃N基材料中實現新奇的電學特性。”曹則賢說。

　　2006年，曹則賢、紀愛玲和浙江理工大學理學院院長李超榮等在這個小“筐”里放了些金屬鈀，結果得到了在-268℃～-28℃范圍內電阻率基本恒定的材料。

　　當時結果一出來，美國《應用物理快報》只用了19個小時就決定接收論文。審稿人評論說：“如果這一切是真的，那它在科學上的價值就不言而喻了。”

　　那么，往這個“筐”里裝點別的“杏”，又會怎樣？曹則賢等人盼望著更多的可能性。

　　“記仇”的科學家

　　其實2006年的那篇論文，科研人員先投給了《自然》雜志。編輯給出的意見是：“如果你們的恒電阻率溫區能涵蓋室溫，我們就可以考慮發表了。”這句話讓曹則賢記了7年。

　　“材料的恒電阻率溫區超越室溫到更高的溫度，這也是我們的夢想。試想一種材料如果有這種特性，將會擁有多少新奇的應用？”

　　最近，曹則賢的博士生魯年鵬和紀愛玲嘗試在Cu₃N中摻雜不同量的銅、銀、金元素。經過大量艱苦實驗，他們終于觀察到了大溫區內恒電阻率現象。其中，Cu₃NAg0.76在-218.15℃～26.85℃范圍內，電阻率幾乎沒有變化。

　　科研人員發現，當金屬摻雜量少時，材料是典型的半導體，它的載流子濃度和遷移率都隨溫度發生指數變化。可當摻雜量逐漸變大，材料發生了半導體到半金屬的轉變。

　　“正是這種轉變為恒定電阻率的實現提供了可能。”曹則賢告訴記者，金屬原子隨機占據Cu₃N單胞的中心位置，造成能隙變窄直至出現能帶重疊，這時載流子濃度和遷移率隨溫度的變化會發生相互補償，從而實現了較大溫區內恒定的電阻率。

　　近期，相關研究成果已在《自然》雜志子刊《科學報告》上發表。