光滑的三維石墨烯電子：為三鉍化物提供一個光明的未來

研究人員發現，三鉍化物（na3bi）可以製造是最高質量的石墨烯的電子替代光滑，同時保持石墨烯的高電子遷移率。

三鉍化物是拓撲狄拉克半金屬（TDS），被認為是一個三維等效的石墨烯，它顯示了相同的非常高的電子遷移率。在石墨烯中，如同在TDS中，電子以不變的速度運動，不依賴於它們的能量。這種高電子遷移率在快速開關電子學材料中是非常理想的。理論上，電子在石墨烯中的流動速度是硅的100倍。然而在實踐中，由於材料的二維性質，石墨烯顯著的電子流動性受到限制。

雖然石墨烯本身是非常純凈的，但作為單獨的材料，它太脆弱了，必須用另一種材料加以約束。由於石墨烯是原子薄，在基板能夠導致在石墨烯電子無序雜質。這種微觀的不均勻性被稱為「電荷水坑」，限制了電荷載流子的遷移率。在實踐中，這意味著石墨烯器件必須精心構建石墨烯片放在一個襯底材料，最大限度地減少這種電子障礙。六方氮化硼（h-BN）通常用於此目的。

但現在，在澳大利亞的海軍研究中心的研究人員發現，三鉍化物（na3bi）生長在他們的實驗室在莫納什大學為最高質量的石墨烯/ h-BN電子順利。「這是一個了不起的成就，這是第一次一個3D狄拉克材料已經在這樣一種方式來衡量的，」Edmonds博士說。」我們很高興能在這種材料中找到如此高度的電子平滑度。」

這一發現對於推動這一新型拓撲材料的研究具有重要意義，在電子領域有著廣泛的應用前景。知道的許多研究領域這將是不可能的，」Edmonds博士說。」石墨烯/h-BN相同的發現引發了2011相當的補充研究。」

自2004發現石墨烯中電子相對論（高遷移率）流動以來，已經有許多研究。在最近的研究中，類似的研究na3bi可以預期。na3bi提供了石墨烯的一些有趣的優點。以及參與的雙層石墨烯/ h-BN設備施工方法避免困難，na3bi可以在毫米級或更大的成長。目前，graphene-h-bn是只有幾微米。另一個顯著優點是使用na3bi為導電通道的新一代晶體管-一個建立在拓撲絕緣體的科學潛力。這項研究發表在2017年12月的《科學進步》上。

下一步 研製拓撲晶體管

「電子順利發現，TDS薄膜晶體管的開關拓撲的一個重要步驟，」米迦勒教授介紹到。「石墨烯是一個很好的導體，但不能切斷或控制。拓撲材料，如na3bi，可以切換從傳統拓撲絕緣體的絕緣體電壓或磁場的應用。」

拓撲絕緣體是一種新材料，其內部表現為電絕緣體，但沿其邊緣可攜帶電流。與傳統的電氣路徑不同，這種拓撲邊緣路徑可以攜帶幾乎零能量耗散的電流，這意味著拓撲晶體管可以在不燃燒能量的情況下轉換。

拓撲材料在去年的諾貝爾物理學獎中得到了認可。拓撲晶體管會像傳統晶體管那樣「開關」。一門應用將是一個潛在的拓撲絕緣體之間的na3bi通道開關邊緣路徑（開）和傳統的絕緣子（開）。

更大的圖景：計算中的能源使用

最主要的挑戰是計算和信息技術（IT）中日益增長的能源。每一次晶體管開關時，都會消耗少量的能量，萬億個晶體管每秒轉換數十億次，這能量疊加起來。在計算中燃燒的能源已經佔全球電力使用量的5%，而且每十年翻一番。

多年來，越來越多的計算效率，以及越來越緊湊的計算機晶元，在數量上越來越多地計算了能源需求，這與穆爾的Law有關。但是，隨著基本物理極限的臨近，穆爾定律正在終止，未來的效率有限。

「計算繼續成長，以跟上不斷變化的需求，我們需要更高效的電子產品，」米迦勒教授說，」我們需要一種新型晶體管，它在開關時能消耗更少的能量。這一發現可能是朝著改變計算世界的拓撲晶體管的方向邁出的一步。」

來源：產業互聯網

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