■本報記者 丁佳
 
中科院物理所研究員曹則賢喜歡用“玩”來形容自己的工作。就在最近，他和課題組的同事“玩”出了一個大名堂——他們找到了一類固體材料，其能在室溫至零下200多攝氏度的范圍內(nèi)，保持電阻率幾乎恒定不變。
 
這在材料學領(lǐng)域算得上是一個爆炸性消息。稍微有些物理常識的人都知道，對已知的單一固體材料來說，不管它是由什么元素組成的，其電阻率都會隨著溫度變化而變化，而且變化幅度還相當大。
 
三種“高速路” 性質(zhì)各不同
 
“根據(jù)‘能帶論’學說，固體內(nèi)電子能擁有的能量呈帶狀分布，就像高速公路；分布其上的電子，則有點類似高速路上的車。”曹則賢解釋說，一般材料的導電過程，大致可用兩條分開一定距離的高速路來形容。
 
如果一條高速路塞滿了，旁邊的高速路是空的，但因為有隔離帶擋著，汽車開不過去，所以塞滿的高速路上車流幾乎為零。這對應(yīng)的是絕緣體的狀況：一個能帶被電子占滿了，就無法產(chǎn)生電流。
 
如果隔離帶很窄、也不牢固，有些車竄到空的高速路上飛馳，原來那條路因為有了“空位”，車流能緩緩移動，這是半導體導電原理。
 
如果一條高速路只有部分是滿的，自然就可以有較快的車流，這種材料就是導體了。
 
另一方面，溫度對電流的影響，可以用司機的“脾氣”對車流的影響來比喻。對導體來說，司機“脾氣”越大，就會亂開車，發(fā)生碰撞的機會越大，車流會變小，也即電阻率越大。
 
相反，在半導體被占滿的高速路上，司機“脾氣”越急，敢竄到另一條路上的就越多，同時原來高速路上的“空位”也越多，車流會變大，相當于電阻率越小。
 
這讓曹則賢等人萌生了一個大膽的想法：如果兩條“高速公路”是部分重疊的，就會既因為有更多車道可用而造成車流增加，也會因碰撞機會增多而造成車流減小。如果兩種因素能互相補償，那在一定范圍內(nèi)司機的“脾氣”就不會帶來車流的明顯改變。
 
就是說，也許能設(shè)計一種半導體，它的能帶結(jié)構(gòu)能使電阻率在一定的溫度范圍內(nèi)不變。
 
往“筐”里裝什么“杏”很重要
 
“美國有家公司做出了一種叫manganin的產(chǎn)品，可以實現(xiàn)恒定電阻率。”中科院物理所副研究員紀愛玲說，“不過這種產(chǎn)品屬于合金，是經(jīng)鍛造后得到的不均勻結(jié)構(gòu)，其工藝非常復雜，當然也是商業(yè)秘密。”
 
多年來，曹則賢等人則希望找到一種單一的固體材料，并最終給它貼上“大溫區(qū)內(nèi)恒電阻率”的標簽。
 
曹則賢所在的課題組長期從事Cu3N基薄膜材料的生長和物性研究。這是一種很有趣的半導體，它的單胞就像一個中空的立方體，原子都分布在立方體的棱和頂點上。它可用作光記錄材料，近年來也廣泛用作鋰離子電池的電極材料、堿性燃料電池的陰極催化材料及低阻磁隧穿結(jié)的阻攔層等。
 
“Cu3N晶格單胞中心有空位，這就可能通過摻雜的方法在Cu3N基材料中實現(xiàn)新奇的電學特性。”曹則賢說。
 
2006年，曹則賢、紀愛玲和浙江理工大學理學院院長李超榮等在這個小“筐”里放了些金屬鈀，結(jié)果得到了在-268℃～-28℃范圍內(nèi)電阻率基本恒定的材料。
 
當時結(jié)果一出來，美國《應(yīng)用物理快報》只用了19個小時就決定接收論文。審稿人評論說：“如果這一切是真的，那它在科學上的價值就不言而喻了。”
 
那么，往這個“筐”里裝點別的“杏”，又會怎樣？曹則賢等人盼望著更多的可能性。
 
“記仇”的科學家
 
其實2006年的那篇論文，科研人員先投給了《自然》雜志。編輯給出的意見是：“如果你們的恒電阻率溫區(qū)能涵蓋室溫，我們就可以考慮發(fā)表了。”這句話讓曹則賢記了7年。
 
“材料的恒電阻率溫區(qū)超越室溫到更高的溫度，這也是我們的夢想。試想一種材料如果有這種特性，將會擁有多少新奇的應(yīng)用？”
 
最近，曹則賢的博士生魯年鵬和紀愛玲嘗試在Cu3N中摻雜不同量的銅、銀、金元素。經(jīng)過大量艱苦實驗，他們終于觀察到了大溫區(qū)內(nèi)恒電阻率現(xiàn)象。其中，Cu3NAg0.76在-218.15℃～26.85℃范圍內(nèi)，電阻率幾乎沒有變化。
 
科研人員發(fā)現(xiàn)，當金屬摻雜量少時，材料是典型的半導體，它的載流子濃度和遷移率都隨溫度發(fā)生指數(shù)變化�？僧敁诫s量逐漸變大，材料發(fā)生了半導體到半金屬的轉(zhuǎn)變。
 
“正是這種轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣�電阻率的實現(xiàn)提供了可能。”曹則賢告訴記者，金屬原子隨機占據(jù)Cu3N單胞的中心位置，造成能隙變窄直至出現(xiàn)能帶重疊，這時載流子濃度和遷移率隨溫度的變化會發(fā)生相互補償，從而實現(xiàn)了較大溫區(qū)內(nèi)恒定的電阻率。