科学家在新型晶体薄膜中观察到创纪录的电子迁移率

研究人员已经培育出三元四镁的薄膜（如图所示），这些薄膜表现出创纪录的高电子迁移率。图片来源：由研究人员提供;由麻省理工学院新闻编辑

具有高电子迁移率的材料就像没有交通的高速公路。任何流入材料的电子都会经历通勤者的梦想，在没有任何障碍或拥堵的情况下轻而易举地通过，以减慢或分散它们。

材料的电子迁移率越高，其导电效率就越高，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和可持续的电子设备至关重要，这些电子设备可以以更少的功率完成更多的工作。

现在，麻省理工学院、陆军研究实验室和其他地方的物理学家在三元四氢螨薄膜中实现了创纪录的电子迁移率水平，三元四氢硅是一类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，科学家们生长了这种材料的纯净超薄膜，以最大限度地减少其晶体结构中的缺陷。他们发现，这种近乎完美的薄膜——比人类的头发细得多——表现出同类产品中最高的电子迁移率。

该团队能够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，比迄今为止同类的任何三元薄膜都要高。

“以前，人们在这些系统中的电子迁移率方面所取得的成就就像在建道路上的交通一样 - 你被备份，你不能开车，尘土飞扬，而且一团糟，”麻省理工学院物理系的高级研究科学家Jagadeesh Moodera说。“在这种新优化的材料中，就像在没有交通的情况下驾驶 Mass Pike。”

该团队的研究结果发表在《今日材料物理学》杂志上，指出三元四菱盐薄膜是一种很有前途的未来电子材料，例如可有效将废热转化为电能的可穿戴热电设备。（四螨是引起商用热电冷却器冷却效果的活性物质。

这种材料也可以作为自旋电子器件的基础，自旋电子器件使用电子自旋处理信息，使用的功率远低于传统的硅基器件。

该研究还使用量子振荡作为测量材料电子性能的高效工具。

“我们正在将这种振荡用作快速测试套件，”该研究的作者Hang Chi说，他是麻省理工学院的前研究科学家，现在在渥太华大学。“通过研究这种微妙的电子量子舞蹈，科学家们可以开始了解和识别下一代技术的新材料，这些技术将为我们的世界提供动力。

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

光束向下

“tetradymite”这个名字来源于希腊语“tetra”，意为“四”，而“dymite”则意为“双胞胎”。这两个术语都描述了矿物的晶体结构，它由菱面体晶体组成，这些晶体以四个为一组“孪生”，即它们具有相同的晶体结构，共享一个侧面。

四氢螨由铋、碲锑、硫和硒的组合组成。在 1950 年代，科学家们发现四螨表现出半导体特性，可能是热电应用的理想选择：这种体晶形式的矿物能够被动地将热量转化为电能。

然后，在 1990 年代，已故研究所教授米尔德里德·德雷塞尔豪斯 （Mildred Dresselhaus） 提出，矿物的热电特性可能会显着增强，不是以整体形式，而是在其微观的纳米级表面内，其中电子的相互作用更加明显。（赫里曼斯当时碰巧在德雷塞尔豪斯的团队工作。

“很明显，当你观察这些材料的时间足够长，足够近时，就会发生新的事情，”Chi说。“这种材料被确定为拓扑绝缘体，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，我们必须掌握物质增长。

为了生长纯晶体的薄膜，研究人员采用了分子束外延法，这是一种将分子束发射到基板上的方法，通常在真空中，并精确控制温度。

当分子沉积在基材上时，它们会凝结并缓慢堆积，一次一个原子层。通过控制沉积分子的时间和类型，科学家可以生长出精确配置的超薄晶体膜，几乎没有缺陷。

“通常，铋和碲可以互换它们的位置，这在晶体中产生缺陷，”合著者Taylor解释说。“我们用来种植这些薄膜的系统来自麻省理工学院林肯实验室，在那里我们使用高纯度材料将杂质减少到无法检测到的极限。它是探索这项研究的完美工具。

自由流动

该团队生长了三元四螨的薄膜，每层薄约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 - 物理学家Lev Shubnikov和Wander de Haas发现了这种现象，他们发现材料的电导率在低温下暴露于强磁场时会振荡。之所以发生这种效应，是因为材料的电子填充了随着磁场变化而变化的特定能级。

这种量子振荡可以作为材料电子结构的特征，以及电子的行为和相互作用方式。对于麻省理工学院的团队来说，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，那一定意味着材料的电阻能够改变，并且通过推断，电子可以移动，并且很容易流动。

该团队在他们的新薄膜中寻找量子振荡的迹象，首先将它们暴露在超冷温度和强磁场中，然后让电流穿过薄膜并测量沿其路径的电压，因为他们上下调整磁场。

“事实证明，令我们非常高兴和兴奋的是，这种材料的电阻是振荡的，”Chi说。“立即，这告诉你它具有非常高的电子迁移率。

具体来说，该团队估计三元四氢硅薄膜表现出10,000厘米的电子迁移率2/V-s——迄今为止测量到的所有三元四螨膜中最高的迁移率。

该团队怀疑，这部电影的创纪录流动性与其低缺陷和杂质有关，他们能够通过精确的生长策略将其降至最低。材料的缺陷越少，电子遇到的障碍就越少，它就越自由地流动。

“这表明，在正确控制这些复杂系统时，有可能更进一步，”Moodera说。“这告诉我们，我们正朝着正确的方向前进，我们有正确的系统可以继续前进，不断完善这种材料，甚至更薄的薄膜和接近耦合，用于未来的自旋电子学和可穿戴热电设备。

更多信息：Patrick J. Taylor 等人，具有高迁移率的三元四元胺薄膜的磁输运特性，今日材料物理学 （2024）。DOI： 10.1016/j.mtphys.2024.101486