拓撲半金屬？未來的芯片需要比銅更好的材料

如果你需要將電子從這里移動到那里，你可以求助于銅。這種常見元素是一種極好的導(dǎo)體，很容易制成電線和電路板走線。但是，當(dāng)你變小時，情況就會發(fā)生變化：在納米尺度上真的非常小。相同的銅顯示出越來越大的電阻，這意味著更多的電信號會因熱量而損失。為更小、更密集的設(shè)備供電可能需要更多的能量，這與您想要的微型電子設(shè)備正好相反。

斯坦福大學(xué)的研究人員在 Eric Pop 實驗室由 Asir Intisar Khan 領(lǐng)導(dǎo)，一直在試驗一種按比例縮小到約 1.5 納米厚度的新型薄膜。他們發(fā)現(xiàn)，隨著這層薄膜變薄，其導(dǎo)電性會增加，這與銅的行為相反。

他們從藍寶石襯底開始，然后涂上鈮 （Nb） 種子層。他們用這個 Nb 層的不同厚度進行了實驗，從 4 nm 到 1.4 nm。該層有助于磷化鈮 （NbP） 的下一層在通過簡單的濺射工藝沉積時形成多晶膜。他們制造了 1.5 nm 到 80 nm 厚的 NbP 薄膜并對其進行了測試。雖然 NbP 層是非晶態(tài)的，但它也存在于非晶態(tài)基質(zhì)中。重要的是，這些晶體的形成與底層 Nb 種子層的厚度無關(guān)。

所得的 NbP 超薄膜具有非常低的電阻率，隨著薄膜變薄，電阻率會越來越低。NbP 層的厚度約為 1.5 nm，在室溫下的電阻率僅為約 34 微歐姆厘米，大約是較厚薄膜電阻率的六分之一。類似厚度的常規(guī)金屬（如銅）的電阻率約為 100 微歐姆厘米。

薄膜中的低電阻率

研究人員發(fā)現(xiàn)，薄膜的低電阻率是由于其表面比大部分材料更具導(dǎo)電性。這種行為就是物理學(xué)家所說的“拓撲半金屬”，它與銅等金屬的行為不同。隨著 NbP 薄膜變薄，中間的材料越來越少，它們的表面?zhèn)鲗?dǎo)的電流比例更大。

納米厚的磷化鈮薄膜在該芯片上的導(dǎo)電性優(yōu)于銅。阿西爾·汗/埃里克·波普

這種發(fā)展對于創(chuàng)建越來越小的數(shù)字電路非常重要。降低晶體管之間連接的電阻率意味著以熱量形式損失的能量更少，這反過來意味著 IC 將更加節(jié)能。

重要的是，這些薄膜可以在 400 攝氏度的相對較低的溫度下沉積，使其與現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝兼容。這與其他依賴于單晶材料的實驗性超薄導(dǎo)體形成鮮明對比，這些材料必須在更高的溫度下合成。

然而，商業(yè)化的障礙仍然存在。薄膜層的公差對性能至關(guān)重要。例如，晶種 Nb 層的厚度會影響所得薄膜的電阻率，因為它會影響 NbP 薄膜的質(zhì)量。

令人興奮的是，“NbP 可能只是顯示這種行為的一種新材料，”領(lǐng)導(dǎo)這項研究的斯坦福大學(xué)電氣工程教授 Eric Pop 說。已知還有一些其他材料表現(xiàn)出相同的表面?zhèn)鲗?dǎo)，但隨著層變薄，它們是否也表現(xiàn)出較低的電阻率還有待觀察。“他們必須仔細測試，”他說。“而且”計算進步可能會發(fā)現(xiàn)更多具有類似行為的材料”。