台州学院李志刚Appl. Phys. Rev.: 双金属阵列中发现室温超低功耗半导体特性

材料人编辑小单 2年前 (2022-05-30) 1728浏览

01 【背景介绍】

半导体由于存在电子（n型）和空穴（p型）两种载流子，因此可以构筑各种功能器件，如p-n结、晶体管、CPU芯片等等。半导体器件的诞生，极大的改变了我们的生活方式，以至于我们想花更多的钱去追求更好的性能。然而，随着半导体器件（尤其是芯片）性能的提升，功耗问题日益严重。如手机和电脑CPU的功耗墙等。半导体芯片的发热问题，已经严重的制约了CPU性能的进一步提升。近年来，随着大数据处理、5G（以及未来6G）通讯的出现，高性能半导体芯片需求日益旺盛。如何解决半导体高性能带来的发热问题，成为目前制约半导体芯片性能提升的关键瓶颈。

与半导体相比，金属电阻率远低于半导体。但金属中无“空穴”（与电子相比数量太少，完全可以忽略），无法制备功能器件，如p-n结、晶体管和芯片等。一般来讲，金属中自由电子密度高达1022~1023/cm3，可以视为无穷多个。然而，当金属颗粒尺寸仅有3-5 nm时，其内部电子数将不再被视为无穷多个。若此时金属颗粒内部产生大量空穴，其导电性能将会如何变化？

光电效应是一个经典的量子效应，它可以使半导体中的电子通过吸收光子能量，而离开原来的位置，形成热电子-空穴对。金属颗粒的等离子共振是一种典型的光电效应，可以在金属颗粒内部形成大量的热电子-空穴对。而热电子-空穴对的出现，将有望使传统金属的载流子输运出现半导体特征。

02 【成果简介】

近日，台州学院李志刚教授团队与美国特拉华大学魏秉庆教授合作，在双金属纳米阵列中发现了室温超低电阻率的半导体特性。通过对纳米结构的优化设计，设计了一款可以利用室温环境光来等离子共振激发热电子-空穴对的双金属纳米阵列，即Co/Al球壳阵列：Co为等离子共振层，球壳的平均厚度约为3-5 nm，沉积在直径240 nm、150 nm聚苯乙烯胶体球上，为纳米颗粒膜；Al为输运层，球壳平均厚度约为50 nm，包裹在Co上面，形成球壳结构。所用胶体晶体模板为非密接六角结构模板，其为聚苯乙烯模板经过等离子刻蚀4-6分钟之后所形成的非密接阵列，阵列中球邻近球之间边缘（edge-to-edge）的距离约为20 nm。

样品的测试结果表明，双金属阵列在低温下表现为金属行为，其电阻率随温度变化情况与金属薄膜类似。然而，接近室温时（>230 K即>-43 ℃）,样品输运表现出半导体行为，甚至导电类型会从n型（电子导电）转变为p型（空穴导电）。室温时，双金属阵列电阻率可比其金属态电阻率还要低一个数量级，达到~ 10-8 ohm*m，与传统半导体电阻率相比，低3-10个数量级。为了与传统半导体区别，将其命名为超级半导体。进一步研究表明，其半导体带隙恰好等于双金属费米能级之差，且与等离子共振所吸收的热红外光能量相同。研究成果以题为“Plasmon-induced super-semiconductor at room temperature in nanostructured bimetallic arrays”发表Applied Physics Reviews上。本文第一作者为台州学院李志刚教授，李志刚教授和特拉华大学魏秉庆教授为本文共同通讯作者。

03 【图文解读】

图一、样品微结构和阻温特性

  • 基于240 nm胶体模板Co/Al双金属阵列表面形貌；
  • 样品截面图；
  • Co/Al样品电阻随温度变化曲线；
  • Co/Al/Co/Al样品电阻随温度变化曲线。

图二、Co/Al/Co/Al样品输运性能。

  • 不同温度下的霍尔曲线；
  • 不同温度下的磁电阻曲线；
  • 不同温度下载流子浓度变化；
  • 不同温度下载流子迁移率变化。

图三、 样品的整流效应。

  • 不同温度下的IV曲线；
  • R-/R+。R+和R-分别为正/负电场中的电阻值。

图四、等离子共振诱导超级半导体特性。

  • 不同温度下的电阻驰豫；
  • 理论（FDTD）计算的等离子共振光吸收；
  • 红外测量的等离子共振光吸收；
  • 无光照有光照下电流比值。I0为无光照，Ix为光照时间x分钟；
  • 不同温度下的等离子共振光吸收峰；
  • 样品光吸收带隙。

图五、样品机理.

  • 样品的态密度计算；
  • 界面处电荷分布；
  • 密度泛函理论计算模型；
  • 双金属中热电子-空穴能级分布示意图。

04【成果启示】

双金属阵列展现出来的超低电阻率特性，有望将现有半导体器件功耗降低三个数量级以上。以一台10万片芯片的超级计算机为例，假设每片功耗均为125瓦，10万片功耗将高达12.5兆瓦，相当于一个10万人口的城市的用电量。若采用该技术，其功耗将降为原来的千分之一以内，仅相当于几台空调的耗电量。此外，随着功耗的降低，芯片散热将不再是问题，其计算速度还有望得到大幅度提升。

该论文被甑选为APR亮点论文，并被美国物理学联合会《科学之光》（AIP Scilight）杂志以Super-semiconductors show ultra-low resistivity为题进行了专访报道。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0087808

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

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