可以弯曲由10纳米厚的硫化铋(一种称为拓扑绝缘体的奇异材料)制成的微电路阵列,该微电路可以绝缘云母基板,而不会损害其电性能。
一支扎根于SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的国际科学家团队已经证明,即使经过1000次深度弯曲,像纸一样折叠和折痕,超薄的奇异材料仍可以保持透明和高导电性。
结果可能将这类称为拓扑绝缘体的特殊材料开放到其最初的实际应用中:用于太阳能电池,传感器和光通信设备的柔性透明电极。
SLAC和斯坦福大学材料与能源科学研究所(SIMES)的沈志勋表示:“好的导体也很难兼具透明性和耐用性。”
该团队在一个短视频中展示了其拓扑绝缘子的功能:
中国北京大学的沉,刘忠范和彭海林以及英国牛津大学的陈玉林领导的研究人员上周在《自然化学》上发表了他们的研究结果。直到最近,Peng和Chen还是Stanford和SIMES的研究生和博士后研究人员。在被任命为当前大学的教授之后,他们继续与沉的研究团队进行合作。
超薄硒化铋
研究人员制造并测试了一种化合物的样品,其中铋和硒的薄片(每个薄片只有一个原子厚)交替形成五层单元。单元之间的结合较弱,使整体材料可以弯曲,同时保持其耐用性。而且,作为一种拓扑绝缘体(一种新的量子物质状态),该材料仅在其表面上导电,而其内部保持绝缘,这是一种出乎意料的特性,对于基础研究和实际应用而言,其潜力未知。
由于表面原子在硒化铋的结构中占主导地位,因此它是一种非常好的电导体-和金一样好。但是,与金不同,硒化铋对红外光是透明的,我们将其称为热。撞击地球的太阳能大约有一半是以红外线的形式出现的,但当今很少有太阳能电池能够收集到。大多数电池表面上的透明电极要么太脆弱,要么不透明或导电不足。这种新材料可以解决这个问题,并使细胞收获更多的太阳光谱。
商业未来
研究人员的实验还表明,硒化铋在潮湿环境中或暴露于制造中常见的氧气处理下不会明显降解。
Chen说:“除了获得科学上的成功之外,这种演示还应提醒工程师和公司,拓扑绝缘子在商业上也很重要。”
彭补充说:“红外线脉冲通过光纤网络传送电话和数据,因此硒化铋可能在通信设备中有用。这种材料还可以改善科研设备和航空航天系统中常见的红外传感器。”
Peng和他的同事制作了硒化铋样品,并在中国进行了挠曲,导电性和透明性测试。研究人员证实,这些样品是斯坦福同步加速器辐射光源位于SLAC的5-4光束线的拓扑绝缘体。
理论家于2004年首次提出了拓扑绝缘体,两年后,实验家们在非常低的温度下使用碲化汞,提出了第一个例子。在理论的指导下,Chen,Shen和他的同事在2009年证明,便宜,更丰富,更易于处理的碲化铋和类似的含锑和硒的化合物在室温下是拓扑绝缘体。同样在2009年,Peng,Shen和他的同事在硒化铋纳米带中发现了重要的导电行为。
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