随着5G通信技术的发展，智能设备越发受到广泛关注，其中非线性电输运材料是智能设备发展的重要基础。我们知道，电导率和介电常数是描述材料与电磁波相互作用的本征物理量，如果通过施加偏置来控制它们的大小，将会为电路或器件的动态响应提供新的调控维度。因此，这种非线性电子材料作为信息接收、处理或反馈的单元将在智能设备及器件中发挥重要作用。由于电压控电子材料易于控制和器件集成化，它被认为是智能微电子系统应用中最有前途的非线性电子材料。然而，目前大多数非线性电子材料受限于电压依赖的不确定性或需要克服较大的偏置电压。因此，研发具有单调电响应的非线性电子材料是智能微电子器件领域的迫切需求。

图 1Bi₂Te₃非线性电子材料的应用示意图。

基于以上相关背景，我院侯志灵教授团队研究发现，拓扑绝缘体Bi₂Te₃纳米棒聚集体具有显著的非线性电输运行为。随着电压增加，电阻减小、电导率增大，在1V/mm电场变化范围内观察到电导率变化可以达到400%。与其他非线性电子材料相比，该材料的压控非线性电响应行为具有显著优势，它可以在施加很小的电场下获得更大的电导率变化。这种独特的电响应行为归因于拓扑绝缘体纳米线等效栅极电压所导致的费米能级的变化，与受时间反演对称性保护的狄拉克表面态有关。而且，这种独特的电输运特性，导致Bi₂Te₃纳米复合材料具有与传统材料明显不同的介电性能。随着直流偏置电压的增加，介电常数逐渐降低，在0-10 V范围内其最大变化达到800%。 因此，这种优异的电场调控的电输运特性，使拓扑绝缘体纳米材料在硅时代之后的下一代纳米电子器件中具有重要应用前景。

图2Bi₂Te₃纳米棒聚集体的非线性电输运特性

图3Bi₂Te₃纳米复合材料的介电性能

上述成果以“Fascinating electrical transport behavior of topological insulator Bi₂Te₃nanorods: Towards electrically responsive smart materials”为题发表在材料期刊Small，2022，202205624 (链接：https://doi.org/10.1002/smll.202205624 )。以上工作得到了国家自然科学基金的支持。