臺州學院李志剛Appl. Phys. Rev.: 雙金屬陣列中發現室溫超低功耗半導體特性

材料人編輯小單 1年前 (2022-05-30) 1424瀏覽

01 【背景介紹】

半導體由于存在電子（n型）和空穴（p型）兩種載流子，因此可以構筑各種功能器件，如p-n結、晶體管、CPU芯片等等。半導體器件的誕生，極大的改變了我們的生活方式，以至于我們想花更多的錢去追求更好的性能。然而，隨著半導體器件（尤其是芯片）性能的提升，功耗問題日益嚴重。如手機和電腦CPU的功耗墻等。半導體芯片的發熱問題，已經嚴重的制約了CPU性能的進一步提升。近年來，隨著大數據處理、5G（以及未來6G）通訊的出現，高性能半導體芯片需求日益旺盛。如何解決半導體高性能帶來的發熱問題，成為目前制約半導體芯片性能提升的關鍵瓶頸。

與半導體相比，金屬電阻率遠低于半導體。但金屬中無“空穴”（與電子相比數量太少，完全可以忽略），無法制備功能器件，如p-n結、晶體管和芯片等。一般來講，金屬中自由電子密度高達1022~1023/cm3，可以視為無窮多個。然而，當金屬顆粒尺寸僅有3-5 nm時，其內部電子數將不再被視為無窮多個。若此時金屬顆粒內部產生大量空穴，其導電性能將會如何變化？

光電效應是一個經典的量子效應，它可以使半導體中的電子通過吸收光子能量，而離開原來的位置，形成熱電子-空穴對。金屬顆粒的等離子共振是一種典型的光電效應，可以在金屬顆粒內部形成大量的熱電子-空穴對。而熱電子-空穴對的出現，將有望使傳統金屬的載流子輸運出現半導體特征。

02 【成果簡介】

近日，臺州學院李志剛教授團隊與美國特拉華大學魏秉慶教授合作，在雙金屬納米陣列中發現了室溫超低電阻率的半導體特性。通過對納米結構的優化設計，設計了一款可以利用室溫環境光來等離子共振激發熱電子-空穴對的雙金屬納米陣列，即Co/Al球殼陣列：Co為等離子共振層，球殼的平均厚度約為3-5 nm，沉積在直徑240 nm、150 nm聚苯乙烯膠體球上，為納米顆粒膜；Al為輸運層，球殼平均厚度約為50 nm，包裹在Co上面，形成球殼結構。所用膠體晶體模板為非密接六角結構模板，其為聚苯乙烯模板經過等離子刻蝕4-6分鐘之后所形成的非密接陣列，陣列中球鄰近球之間邊緣（edge-to-edge）的距離約為20 nm。

樣品的測試結果表明，雙金屬陣列在低溫下表現為金屬行為，其電阻率隨溫度變化情況與金屬薄膜類似。然而，接近室溫時（>230 K即>-43 ℃）,樣品輸運表現出半導體行為，甚至導電類型會從n型（電子導電）轉變為p型（空穴導電）。室溫時，雙金屬陣列電阻率可比其金屬態電阻率還要低一個數量級，達到~ 10-8 ohm*m，與傳統半導體電阻率相比，低3-10個數量級。為了與傳統半導體區別，將其命名為超級半導體。進一步研究表明，其半導體帶隙恰好等于雙金屬費米能級之差，且與等離子共振所吸收的熱紅外光能量相同。研究成果以題為“Plasmon-induced super-semiconductor at room temperature in nanostructured bimetallic arrays”發表Applied Physics Reviews上。本文第一作者為臺州學院李志剛教授，李志剛教授和特拉華大學魏秉慶教授為本文共同通訊作者。

03 【圖文解讀】

圖一、樣品微結構和阻溫特性

  • 基于240 nm膠體模板Co/Al雙金屬陣列表面形貌；
  • 樣品截面圖；
  • Co/Al樣品電阻隨溫度變化曲線；
  • Co/Al/Co/Al樣品電阻隨溫度變化曲線。

圖二、Co/Al/Co/Al樣品輸運性能。

  • 不同溫度下的霍爾曲線；
  • 不同溫度下的磁電阻曲線；
  • 不同溫度下載流子濃度變化；
  • 不同溫度下載流子遷移率變化。

圖三、 樣品的整流效應。

  • 不同溫度下的IV曲線；
  • R-/R+。R+和R-分別為正/負電場中的電阻值。

圖四、等離子共振誘導超級半導體特性。

  • 不同溫度下的電阻馳豫；
  • 理論（FDTD）計算的等離子共振光吸收；
  • 紅外測量的等離子共振光吸收；
  • 無光照有光照下電流比值。I0為無光照，Ix為光照時間x分鐘；
  • 不同溫度下的等離子共振光吸收峰；
  • 樣品光吸收帶隙。

圖五、樣品機理.

  • 樣品的態密度計算；
  • 界面處電荷分布；
  • 密度泛函理論計算模型；
  • 雙金屬中熱電子-空穴能級分布示意圖。

04【成果啟示】

雙金屬陣列展現出來的超低電阻率特性，有望將現有半導體器件功耗降低三個數量級以上。以一臺10萬片芯片的超級計算機為例，假設每片功耗均為125瓦，10萬片功耗將高達12.5兆瓦，相當于一個10萬人口的城市的用電量。若采用該技術，其功耗將降為原來的千分之一以內，僅相當于幾臺空調的耗電量。此外，隨著功耗的降低，芯片散熱將不再是問題，其計算速度還有望得到大幅度提升。

該論文被甑選為APR亮點論文，并被美國物理學聯合會《科學之光》（AIP Scilight）雜志以Super-semiconductors show ultra-low resistivity為題進行了專訪報道。

論文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0087808

Scilight 報道：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0011463

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