http://phys.org/news/2013-11-d-tin-super-material.html
Nov 21, 2013
根據一個由美國能源部 SLAC 國家加速器實驗室與史丹佛大學之研究者所領導的理論物理學家團隊表示，單層的錫（tin，Sn）原子很可能是世上第一種，在電腦晶片的運作溫度下，能以 100% 的效率導電的材料。研究者稱此新材料為 "stanene（錫烯？）"，結合了錫的拉丁名稱 stannum 與石墨烯（graphene，另一種單層的材料，其新奇的電子特性可望有廣泛的應用）的字尾。
"若我們的預測能以實驗來確認（目前全世界有幾個實驗室正在進行），那麼 stanene 將可增加未來世代的電腦晶片的速度並降低所需電力，" 這個團隊的領導者，張首晟（Shoucheng Zhang，史丹佛大學與 SIMES 的物理學教授。SIMES 則是 SLAC 的合作學術機構）表示。該團隊的研究最近發表在 Physical Review Letters 期刊上。
通往 Stanene 之路
過去十年來，張首晟等人都在計算與預測某類特殊材料 -- 稱為拓樸絕緣體（topological insulators）-- 的電氣特性，那只能在其外側邊緣或表面導電，內部則否。當拓樸絕緣體的厚度只有一個原子時，其邊緣的導電效率可達百分之百。這些不尋常的特性起因於材料中重原子的原子核與電子之間複雜的交互作用。
"拓樸絕緣體的魔法，完全源自其本質，它們迫使電子在既定車道（lanes）內移動，而沒有任何速限，如同德國的高速公路，" 張首晟表示。"一旦它們上了高速公路 -- 邊緣或表面 -- 電子將毫無阻礙的移動。"
在 2006 年與 2009 年，張首晟的小組預測，碲化汞（mercury telluride）以及鉍（bismuth）、銻（antimony）、硒（selenium）與碲的數種組合應當為拓樸絕緣體，而它們很快就在其他人所做實驗中被證實為真。但這些材料在室溫下，沒有一個是完美的導體，這限制了它們的商業化應用。
在今年（2013）初，訪問科學家 Yong Xu（音譯：徐勇，現在位於北京清華大學）與張首晟的團隊合作，來考慮單層純錫的特性。
"我知道我們應當瞧一瞧位於週期表右下角的元素，" Xu 表示。"先前所有的拓樸絕緣體都涉及位於此處、重且富含電子的元素。"
他們的計算指出，單層錫在室溫以上的溫度下將會是拓樸絕緣體，而且將氟（fluorine）原子加到錫當中，能將其運作範圍延伸到至少攝氏 100 度。
最終會是矽的替代品？
張首晟表示，stanene-fluorine 結合的第一個應用，將會是連結微處理器許多部份的接線，讓電子如同高速公路當中的汽車一樣，自由地流動。交通阻塞仍會在傳統導體的 on 與 off 斜坡（ramps）上發生，他說。不過 stanene 接線將大幅減少微處理器的功耗與發熱。
製造挑戰包括，確保只有單層的錫沈積，以及在晶片製造的高溫過程中使單層錫不會起作用。
"最終，我們能夠想像，stanene 為許多電路結構所用，包括取代電晶體核心中的矽，" 張首晟表示。"有一天，我們甚至能夠把這個地方叫做「錫谷」而非「矽谷」。"
※ 相關報導：
＊ Large-Gap Quantum Spin Hall Insulators in Tin Films
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.111.136804
Yong Xu, Binghai Yan, Hai-Jun Zhang, Jing Wang, Gang Xu,＊ 科學家發現新材料：Graphane（石墨烷）
Peizhe Tang, Wenhui Duan, and Shou-Cheng Zhang.
Phys. Rev. Lett. 111, 136804 (2013) [5 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.111.136804
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