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斯坦福大学的研究人员发现了一种新材料--磷化铌，在制成超薄薄膜后，其导电性能超过了铜。这一突破可以缓解传统金属线在纳米级电路中的限制，从而彻底改变未来电子产品的效率和性能。
带有超薄磷化铌薄膜霍尔条装置的图案化芯片。 图片来源：Asir Khan / Eric Pop
随着计算机芯片变得越来越小、越来越复杂，其中传输电信号的超细金属线正成为一个关键瓶颈。 传统的金属线（如铜线）随着变细而失去导电效率，最终限制了纳米级电子器件的尺寸、性能和能效。
1 月 3 日，斯坦福大学的科学家们在《科学》杂志上发表了一项研究成果，证明在厚度仅为几个原子的薄膜中使用磷化铌时，其导电性能优于铜。 这些超薄磷化铌薄膜还可以在低温下制作，从而与当前的芯片制造工艺兼容。 这一突破可为未来更强大、更节能的电子产品铺平道路。
阿西尔-因提萨-汗（Asir Intisar Khan）说："我们正在突破铜等传统材料的基本瓶颈，"他在斯坦福大学获得博士学位，现在是一名访问博士后学者，也是这篇论文的第一作者。"我们的磷化铌导体表明，通过超细导线发送更快、更高效的信号是可能的。 这可以提高未来芯片的能效，在使用许多芯片的情况下，例如在今天存储和处理信息的大型数据中心中，即使很小的收益也会增加。"
研究人员称磷化铌为拓扑半金属，这意味着整块材料都能导电，但其外层表面的导电性比中间更强。 当磷化铌薄膜变薄时，中间区域会缩小，但其表面保持不变，从而使表面对电流的贡献更大，整个材料成为更好的导体。 而铜等传统金属的厚度一旦超过 50 纳米，导电性能就会变差。
仅几个原子厚的非结晶磷化铌薄膜能更好地通过表面导电，使材料整体成为更好的导体。 资料来源：Il-Kwon Oh / Asir Khan
研究人员发现，当薄膜厚度低于 5 纳米时，即使在室温下工作，磷化铌也能成为比铜更好的导体。 在这种尺寸下，铜线很难跟上快速的电信号，而且会因发热而损失更多的能量。
"真正的高密度电子器件需要非常薄的金属连接，如果这些金属导电性能不好，它们就会损失大量的功率和能量，"工程学院 Pease-Ye 教授、电气工程学教授、论文资深作者 Eric Pop 说。"更好的材料可以帮助我们在小导线上花费更少的能量，而在实际进行计算时花费更多的能量。"
许多研究人员一直在努力为纳米级电子器件寻找更好的导体，但迄今为止，最好的候选材料都具有极其精确的晶体结构，需要在非常高的温度下才能形成。 汗和他的同事们制作的磷化铌薄膜是非晶体材料的第一个例子，这种材料越薄导体越好。
"人们一直认为，如果我们想利用这些拓扑表面，就需要非常难以沉积的单晶薄膜，"斯坦福大学博士生、论文共同作者阿卡什-拉姆达斯（Akash Ramdas）说。"现在我们有了另一类材料--这些拓扑半金属--它们有可能成为减少电子产品能耗的一种方法。"
由于磷化铌薄膜不需要是单晶体，因此可以在较低的温度下制作。 研究人员在 400 摄氏度摄氏度下沉积薄膜，这个温度低到足以避免损坏或破坏现有的硅计算机芯片。
人文与科学学院 Stanley G. Wojcicki 教授、应用物理学教授兼论文合著者尤里-铃木（Yuri Suzuki）说："如果你必须制造出完美的晶体线，那对纳米电子学来说是行不通的。但是，如果你能让它们变成无定形或轻微无序，而且它们仍然能提供你所需要的特性，这就为潜在的现实世界应用打开了大门。"
尽管磷化铌薄膜是一个充满希望的开端，但波普和他的同事们并不指望它们会突然取代所有计算机芯片中的铜--在较厚的薄膜和导线中，铜仍然是一种更好的导体。 但磷化铌可用于最薄的连接，并为研究其他拓扑半金属导体铺平了道路。 研究人员已经在研究类似的材料，观察能否改进磷化铌的性能。
"要想在未来的电子产品中采用这一类材料，我们需要它们成为更好的导体，"斯坦福大学博士生、论文共同作者吴向进说。"为此，我们正在探索其他拓扑半金属材料。"
Pop 和他的团队还在努力将磷化铌薄膜变成窄丝，以便进行更多测试。 他们希望确定这种材料在实际应用中的可靠性和有效性。
Pop 说："我们采用了一些非常酷的物理学原理，并将其移植到了应用电子领域。非晶材料领域的这种突破有助于解决当前和未来电子领域的电力和能源挑战。"
编译自/scitechdaily
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