多孔材料促进电子流动

通过在二维材料中制造孔洞阵列，科学家显著增强了电流的超弹道传输效应。

瑞士奶酪导体。计算机模拟显示了两种不同取向的孔洞阵列中的电子流动模式（箭头示意）。颜色代表电势（电压），电子从右侧低电势（蓝色）流向左侧高电势（黄色）。

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通常情况下，电阻的产生源于电子在材料中运动时与杂质、振动原子及材料边界的碰撞散射。但在某些条件下，电子能像普通流体般异常顺畅地流动，这种状态被称为超弹道传输。近日，研究团队通过在原子级薄层材料中制造孔洞阵列，成功实现了显著的该效应。这一突破有望帮助科学家更可控地利用超弹道效应，从而降低先进电子器件的功耗。

马德里康普顿斯大学的Elena Díaz指出，超弹道传输的关键特征在于电子以协调方式运动——它们避开材料边界，邻近电子沿相似轨迹行进，类似液体分子的集体流动行为。此前实验中，科学家已在石墨烯（单层碳材料）中观测到这种电子流体动力学行为，例如观察到类似真实流体涡旋的电子漩涡现象。但该效应若能被更显著、更易制备地呈现，将极大促进相关研究。

Díaz团队如今通过一种新方法，使这一导电机制更易实现。为增强电子间相互作用，需要引入非均匀运动（如反复强制改变电子轨迹）。研究人员选择在石墨烯片上制造规则排列的孔洞阵列（称为"反点阵"，因孔洞是"点"的缺失而得名）。这种结构迫使电子绕孔洞作曲线运动。"反点阵几何结构能有效弯曲电子流径，且相对容易制备。"Díaz解释道。

扫描电子显微镜图像展示了实验使用的孔洞图案（虽非石墨烯本身），包含直径100、200和300纳米的三个区域。实验中，带孔石墨烯层被夹在氮化硼层之间。

研究团队制备了具有三种不同孔径（100、200、300纳米）区域的器件。每个3×4微米的区域内，孔洞以间距等于直径的方式排列成方阵。他们将石墨烯夹在氮化硼层间，施加电压并测量不同温度下的电流响应。

流体动力学行为会导致电阻随温度升高而下降，与传统金属特性相反。研究团队在所有三种反点阵中都观测到这种趋势，其中100纳米孔径区域的电阻降幅最大。Díaz表示，这一远超以往实验的强流体动力学效应，将帮助科学家更精准地确定引发超弹道流动的物理条件（如温度与器件几何结构）。计算机模拟结果与实验数据高度吻合。

加州大学欧文分校理论物理学家Thomas Scaffidi对此成果印象深刻。他指出，电子流体行为"在小型器件中具有重要应用潜力——当电子以流体形式集体运动时，它们能更顺畅地通过微小孔径并绕过障碍物，从而降低接触电阻"。

未来，团队计划通过分析电流效应（除温度外），研究单层与双层石墨烯中超弹道行为的产生条件。随着电子器件散热问题日益严峻，Díaz强调超弹道效应至少在低温下能通过降低电阻减少产热。"从原理上说，电子流体动力学特性是未来二维电子器件极具前景的开发方向。"

参考文献

1.J. Estrada-Álvarez et al., “Superballistic conduction in hydrodynamic antidot graphene superlattices,” Phys. Rev. X 15, 011039 (2025).

2.M. L. Palm et al., “Observation of current whirlpools in graphene at room temperature,” Science 384, 465 (2024).

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