超越石墨烯？单层锡导电率可达100％

来自美国能源部SLAC国家加速实验室、斯坦福大学的理论物理学家们发现，单层锡原子可能会成为世界上第一种能在常温下(就计算机芯片而言)达到100%导电率的超级材料，远远胜过近年来的热门材料石墨烯。

研究人员把这种新材料叫做“Stanene”。这是将锡的拉丁语名称(stannum)和石墨烯(graphene)的词尾组合在一起而来的。石墨烯也是一种单层材料，但原子是碳，出色的电子性能使其有非常着广泛的应用。

领导这次实验的斯坦福、斯坦福材料与能源科学研究院(SLAC合作机构)物理学教授张守晟(音)说：“如果我们的预言能够得到全球多家实验室正在进行的试验的证实，Stanene或许可以提高未来计算机的速度，并降低能耗。”

过去十年间，张教授和他的同事计算和预测了这种叫做拓扑绝缘体(topological insulator)的特殊材料的电子性能，其导电性只存在于材料的边缘或表面，而不是内部。当拓扑绝缘体只有一层原子厚的时候，它的边缘导电性就会达到完美的100%。这种不寻常的性能来自材料内部电子和重原子核之间复杂的互动。

张教授表示：“拓扑绝缘体的秘密在于它本身的特性。它能使电子沿着一定的方向移动，而没有任何速度限制，就像在高速公路上一样。只要它们在高速公路上，也就是材料的边缘和表面，电子就可以没有限制地移动。”

2006年和2009年，张教授的研究小组预测，碲化汞和几种铋、锑、硒、碲的化合物应该是拓扑绝缘体，其他试验很快就证实了这一点，但这些材料在常温下都不是电的完美导体，商业应用很有限。

今年初，来自清华大学的访问学者徐勇(音)与张教授的研究团队合作，考察了单层纯锡的性能。

徐勇称：“我们知道，我们应该考察元素周期表右下角的那些元素。之前所有富电子的重元素拓扑绝缘体都在这里。”

他们的计算表明，单层锡在室温甚至室温以上都是拓扑绝缘体，而且如果在锡中加入氟原子，工作范围可以达到至少100℃。

张教授说，这种锡氟化合物的第一个应用，就是制作微处理器元件间的连线，让电子可以像汽车在高速公路上一样快速移动。在传统的导体中，汽车上下斜坡时会发生交通堵塞，但是Stanene制作的连线刻意大幅减少微处理器的能耗和发热。

当然，这并不容易，必须确保只使用单层的锡，并且在制作芯片的高温过程中要保证单层锡的完整。

张教授说：“最终，我们可以将Stanene用在更多的电路结构中，甚至是代替晶体管的核心元素硅。或许有一天，硅谷会改名叫锡谷。”

将氟原子(黄色)加入单层的锡原子(灰色)就会得到Stanene，边缘(蓝色和红色)的导电性近乎完美