新材料为电子铺就“高速公路”大幅提升芯片速度

　　锡是人们比较熟悉的一种材料，在日常生活中极为常见，如锡纸、锡罐等。但就是这种普通材料，在经由科学家特殊处理之后，不但成了比肩石墨烯的梦幻材料，还有望打破计算机领域硅晶体一家独大的局面。据物理学家组织网11月22日报道，由美国斯坦福大学科学家领导的研究小组发现，一种由单层锡原子组成的复合材料，或许有望成为首个在计算机运行温度范围内导电效率达到100%的材料。相关论文发表在最近出版的《物理评论快报》上。

　　研究人员为这种新材料创造了一个新词——stanene，它由锡的拉丁文单词stannum和石墨烯的英文单词graphene组成。他们认为这种新型单层材料拥有卓越的电气性能，和石墨烯一样具有广泛的应用前景。

　　领导此项研究的斯坦福大学材料和能源科学研究所(SIMES)物理学家张首晟(音译)称，这种新材料能为电子铺就一条不限速的“高速公路”，让未来的计算机芯片速度更快、耗能更少。

　　十几年来，张首晟和他的同事一直在对“拓扑绝缘体”这种具有特殊电气性能的材料进行研究。与普通导体相比，拓扑绝缘体的特殊性在于：电流只会从其表面和边缘经过，而其内部则是完全绝缘的。当拓扑绝缘体只有一个原子厚时，其边缘的导电效率可达到100%。这种独特的现象由材料内部电子与重原子核之间复杂的相互作用产生。

　　张首晟说，拓扑绝缘体的神奇之处在于它天然地驱使电子沿着既定的路线前进，速度不会受到任何限制。电子进入了拓扑绝缘体就好像汽车驶入了不限速的高速公路一样。只要沿着高速公路(表面或者边缘)行驶，电子的运动就不会受到任何阻碍。

　　在2006年和2009年，张首晟的团队预测碲化汞与铋、锑、硒和碲的几种组合可以制成拓扑绝缘体，很快就被实验证明是正确的。但所有的这些材料都不是完美的电导体，导电率无法达到100%，因此限制了这些材料在商业上的应用。今年早些时候，清华大学访问学者徐勇(音译)与张首晟的团队进行合作，决定将纯净的单层锡作为新的实验对象。

　　徐勇说：“我们知道应该往化学元素周期表的右下部分找需要的元素。以前与拓扑绝缘体相关的重要元素几乎都出现在那里。”他们的计算表明，单层锡在室温以及比室温稍高的温度中应该是一种拓扑绝缘体，而在其中增加氟原子则可以将温度适应范围提升到至少100摄氏度。

　　张首晟说，这种由单层锡与氟制成的拓扑绝缘体有望首先在微处理器制造中获得应用。新材料可以作为导线连接处理器中的各个部分。这种升级就如同把砂石路换成了不限速的高速公路，对电子器件效率的提升而言，意义非凡。如同从高速公路驶入普通道路一样，在由新材料与传统导体的结合部的这些“匝道”上，依然会出现“堵车”的状况。但从总体来看，这种新材料制成的导线将显著降低处理器的功耗和发热量，让速度更快、核心更多、耗能更少的处理器成为现实。

　　张首晟说：“最终我们可以预见，由单层锡制成的电路结构将越来越多地在现实中获得应用，并逐步取代硅的核心地位。或许未来某一天，IT企业集中的地方将被人们称为锡谷而不是硅谷。”