超薄导体超越铜，实现更节能的纳米电子学

随着计算机芯片不断变得更小、更复杂，在这些芯片内传输电信号的超薄金属线已经成为一个薄弱环节。标准金属线随着变薄而导电性变差，最终限制了纳米级电子产品的尺寸、效率和性能

在《科学》杂志发表的一篇论文中，斯坦福大学的研究人员表明，磷化铌在只有几个原子厚的薄膜中比铜导电性更好。此外，这些薄膜可以在足够低的温度下制备和沉积，以与现代计算机芯片制造兼容。他们的工作可能有助于使未来的电子产品更强大、更节能

“我们正在打破铜等传统材料的基本瓶颈，”Asir Intisar Khan说，他在斯坦福大学获得了博士学位，现在是该论文的访问博士后学者和第一作者

“我们的磷化铌导体表明，可以通过超薄电线发送更快、更高效的信号。这可以提高未来芯片的能源效率，当使用许多芯片时，即使是很小的增益，比如在今天存储和处理信息的大型数据中心。”

一类新的导体

磷化铌是研究人员所说的拓扑半金属，这意味着整个材料都可以导电，但其外表面比中间更导电。随着磷化铌薄膜变薄，中间区域会收缩，但其表面保持不变，使表面对电流的贡献更大，材料整体成为更好的导体。另一方面，铜等传统金属一旦薄于约50纳米，导电性就会变差

研究人员发现，即使在室温下工作，磷化铌在薄膜厚度低于5纳米时也比铜成为更好的导体。在这种尺寸下，铜线很难跟上快速的电信号，并且会损失更多的能量来加热

“真正的高密度电子产品需要非常薄的金属连接，如果这些金属导电不良，它们就会损失大量的功率和能量，”工程学院的Pease Ye教授、电气工程教授、该论文的资深作者Eric Pop说。“更好的材料可以帮助我们在小电线上消耗更少的能量，并在实际计算中消耗更多的能量。”

许多研究人员一直在努力为纳米级电子产品寻找更好的导体，但到目前为止，最好的候选材料具有极其精确的晶体结构，需要在非常高的温度下形成。Khan和他的同事们制作的磷化铌薄膜是非晶材料的第一个例子，这些材料随着厚度的减小而成为更好的导体

斯坦福大学博士生、该论文的合著者Akash Ramdas说：“人们认为，如果我们想利用这些拓扑表面，我们需要很难沉积的漂亮单晶薄膜。”。“现在我们有了另一类材料——这些拓扑半金属——它们可能成为减少电子产品能耗的一种方法。”

因为磷化铌薄膜不需要是单晶，所以可以在较低的温度下制造。研究人员将薄膜沉积在400°C的温度下，这个温度足够低，可以避免损坏或破坏现有的硅计算机芯片

人文与科学学院的Stanley G.Wojcicki教授、应用物理学教授、该论文的合著者Yuri Suzuki说：“如果你必须制造完美的晶体线，那对纳米电子学来说是行不通的。”。“但是，如果你能让它们变得无定形或稍微无序，并且它们仍然能给你提供所需的特性，那就为潜在的现实世界应用打开了大门。”

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实现未来的纳米电子学

尽管磷化铌薄膜是一个有前景的开始，但Pop和他的同事们并不认为它们会突然取代所有计算机芯片中的铜——铜在较厚的薄膜和电线中仍然是更好的导体。但磷化铌可用于最薄的连接，并为研究由其他拓扑半金属制成的导体铺平了道路。研究人员已经在研究类似的材料，看看它们是否可以提高磷化铌的性能

斯坦福大学博士生、该论文的合著者吴向进说：“为了使这类材料在未来的电子产品中得到应用，我们需要它们成为更好的导体。”。“为此，我们正在探索替代拓扑半金属。”

Pop和他的团队也在努力将磷化铌薄膜变成窄线，以进行额外的测试。他们想确定这种材料在现实应用中的可靠性和有效性

波普说：“我们采用了一些非常酷的物理学，并将其移植到应用电子领域。”。“非晶体材料的这种突破可能有助于解决当前和未来电子领域的电力和能源挑战。”