科學家在新型晶體薄膜中觀察到創紀錄的電子遷移率

研究人員已經培育出三元四鎂的薄膜（如圖所示），這些薄膜表現出創紀錄的高電子遷移率。圖檔來源：由研究人員提供;由麻省理工學院新聞編輯

具有高電子遷移率的材料就像沒有交通的高速公路。任何流入材料的電子都會經曆通勤者的夢想，在沒有任何障礙或擁堵的情況下輕而易舉地通過，以減慢或分散它們。

材料的電子遷移率越高，其導電效率就越高，電子通過時損失或浪費的能量就越少。具有高電子遷移率的先進材料對于更高效和可持續的電子裝置至關重要，這些電子裝置可以以更少的功率完成更多的工作。

現在，麻省理工學院、陸軍研究實驗室和其他地方的實體學家在三元四氫螨薄膜中實作了創紀錄的電子遷移率水準，三元四氫矽是一類天然存在于金和石英深層熱液礦床中的礦物。

在這項研究中，科學家們生長了這種材料的純淨超薄膜，以最大限度地減少其晶體結構中的缺陷。他們發現，這種近乎完美的薄膜——比人類的頭發細得多——表現出同類産品中最高的電子遷移率。

該團隊能夠通過檢測電流通過時的量子振蕩來估計材料的電子遷移率。這些振蕩是材料中電子量子力學行為的特征。研究人員檢測到一種特殊的振蕩節奏，這是高電子遷移率的特征，比迄今為止同類的任何三元薄膜都要高。

“以前，人們在這些系統中的電子遷移率方面所取得的成就就像在建道路上的交通一樣 - 你被備份，你不能開車，塵土飛揚，而且一團糟，”麻省理工學院實體系的進階研究科學家Jagadeesh Moodera說。“在這種新優化的材料中，就像在沒有交通的情況下駕駛 Mass Pike。”

該團隊的研究結果發表在《今日材料實體學》雜志上，指出三元四菱鹽薄膜是一種很有前途的未來電子材料，例如可有效将廢熱轉化為電能的可穿戴熱電裝置。（四螨是引起商用熱電冷卻器冷卻效果的活性物質。

這種材料也可以作為自旋電子器件的基礎，自旋電子器件使用電子自旋處理資訊，使用的功率遠低于傳統的矽基器件。

該研究還使用量子振蕩作為測量材料電子性能的高效工具。

“我們正在将這種振蕩用作快速測試套件，”該研究的作者Hang Chi說，他是麻省理工學院的前研究科學家，現在在渥太華大學。“通過研究這種微妙的電子量子舞蹈，科學家們可以開始了解和識别下一代技術的新材料，這些技術将為我們的世界提供動力。

Chi 和 Moodera 的合著者包括前麻省理工學院林肯實驗室的 Patrick Taylor，以及陸軍研究實驗室的 Owen Vail 和 Harry Hier，以及俄亥俄州立大學的 Brandi Wooten 和 Joseph Heremans。

光束向下

“tetradymite”這個名字來源于希臘語“tetra”，意為“四”，而“dymite”則意為“雙胞胎”。這兩個術語都描述了礦物的晶體結構，它由菱面體晶體組成，這些晶體以四個為一組“孿生”，即它們具有相同的晶體結構，共享一個側面。

四氫螨由铋、碲銻、硫和硒的組合組成。在 1950 年代，科學家們發現四螨表現出半導體特性，可能是熱電應用的理想選擇：這種體晶形式的礦物能夠被動地将熱量轉化為電能。

然後，在 1990 年代，已故研究所教授米爾德裡德·德雷塞爾豪斯 （Mildred Dresselhaus） 提出，礦物的熱電特性可能會顯着增強，不是以整體形式，而是在其微觀的納米級表面内，其中電子的互相作用更加明顯。（赫裡曼斯當時碰巧在德雷塞爾豪斯的團隊工作。

“很明顯，當你觀察這些材料的時間足夠長，足夠近時，就會發生新的事情，”Chi說。“這種材料被确定為拓撲絕緣體，科學家可以在其表面看到非常有趣的現象。但要不斷發現新事物，我們必須掌握物質增長。

為了生長純晶體的薄膜，研究人員采用了分子束外延法，這是一種将分子束發射到基闆上的方法，通常在真空中，并精确控制溫度。

當分子沉積在基材上時，它們會凝結并緩慢堆積，一次一個原子層。通過控制沉積分子的時間和類型，科學家可以生長出精确配置的超薄晶體膜，幾乎沒有缺陷。

“通常，铋和碲可以互換它們的位置，這在晶體中産生缺陷，”合著者Taylor解釋說。“我們用來種植這些薄膜的系統來自麻省理工學院林肯實驗室，在那裡我們使用高純度材料将雜質減少到無法檢測到的極限。它是探索這項研究的完美工具。

自由流動

該團隊生長了三元四螨的薄膜，每層薄約100納米。然後，他們通過尋找Shubnikov-de Haas量子振蕩來測試薄膜的電子特性 - 實體學家Lev Shubnikov和Wander de Haas發現了這種現象，他們發現材料的電導率在低溫下暴露于強磁場時會振蕩。之是以發生這種效應，是因為材料的電子填充了随着磁場變化而變化的特定能級。

這種量子振蕩可以作為材料電子結構的特征，以及電子的行為和互相作用方式。對于麻省理工學院的團隊來說，最值得注意的是，振蕩可以決定材料的電子遷移率：如果存在振蕩，那一定意味着材料的電阻能夠改變，并且通過推斷，電子可以移動，并且很容易流動。

該團隊在他們的新薄膜中尋找量子振蕩的迹象，首先将它們暴露在超冷溫度和強磁場中，然後讓電流穿過薄膜并測量沿其路徑的電壓，因為他們上下調整磁場。

“事實證明，令我們非常高興和興奮的是，這種材料的電阻是振蕩的，”Chi說。“立即，這告訴你它具有非常高的電子遷移率。

具體來說，該團隊估計三元四氫矽薄膜表現出10,000厘米的電子遷移率2/V-s——迄今為止測量到的所有三元四螨膜中最高的遷移率。

該團隊懷疑，這部電影的創紀錄流動性與其低缺陷和雜質有關，他們能夠通過精确的生長政策将其降至最低。材料的缺陷越少，電子遇到的障礙就越少，它就越自由地流動。

“這表明，在正确控制這些複雜系統時，有可能更進一步，”Moodera說。“這告訴我們，我們正朝着正确的方向前進，我們有正确的系統可以繼續前進，不斷完善這種材料，甚至更薄的薄膜和接近耦合，用于未來的自旋電子學和可穿戴熱電裝置。

更多資訊：Patrick J. Taylor 等人，具有高遷移率的三元四元胺薄膜的磁輸運特性，今日材料實體學 （2024）。DOI： 10.1016/j.mtphys.2024.101486