量子限制解释了几纳米厚硅片电阻率的急剧上升

消费电子设备是由我们使用了60多年的材料制成的，主要是硅、锗和铜。为什么半导体电子在这段时间里变得越来越快

我认为这是由于小型化，或者在密集的集成电路（微芯片）中堆叠越来越多的晶体管的能力。有些人可能会说，随着薄膜的厚度接近10纳米左右，甚至更低，我们开始在小型化方面达到极限

这些近乎二维（2D）的材料可用于构建下一代电子产品。然而，随着硅等电子材料的小型化，它们的能源效率越来越低

如果你使硅膜的宽度小于约20至30纳米，电子将开始碰撞到膜的边缘，导致电阻率增加和能量耗散增加。几十年来，这种现象已经为人所知，Klaus Fuchs（也被称为“原子间谍”，他向苏联提供了有关曼哈顿计划的机密信息）和E.Helmut Sondheimer很久以前就提出了一种理论来描述这一现象

在《物理评论材料》发表的一篇论文中，我表明，随着厚度减小到10纳米以下，情况比Fuchs-Sondheimer理论预测的还要糟糕，因为一种新的效应开始了。这种新效应是由于电子的量子限制

通过量子限制，我指的是当量子粒子（如电子）在空间中的运动受到限制时，其能量会显著增加的现象。这种效应源于海森堡不确定性原理：粒子的位置越精确，其动量的不确定性就越大，从而导致更大的能量波动

最近，我开始通过一个通用的数学模型系统地研究量子限制对量子粒子（电子、声子）能量对现实生活中材料特性的影响

后者考虑到根据量子力学，电子同时是粒子和波，这意味着在薄片的小型化限制下，只允许与材料的受限空间兼容的波长

这一通用理论促使我和我的合作者提供了与超薄和近二维材料的实验数据一致的材料电子特性的无参数预测，这是以前不可能的

在硅超薄片中，当电子被压缩到更薄的空间中时，由于量子限制，它们的能量会增加。反过来，随着电子能量的增加，将价电子（与原子紧密结合）与自由移动的电子隔开的带隙也会变大。因此，带隙的增加导致导电可用自由电子浓度的降低，从而导致电阻率的增加

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我在本文中提出的一个新的数学理论表明，随着薄膜厚度的减小，电阻率的增加非常显著（随着薄膜厚度减小，电阻率呈指数增加），并且能够解释最近的实验数据，清楚地显示了当厚度减小到10nm以下时预测的指数增加

好消息是，我的理论还解释说，通过仔细调整硅纳米薄膜中的自由电子浓度，例如通过掺杂，可以缓解电阻率的急剧增加。这一发现可以通过提供接近原子水平的纳米芯片制造新方法，对下一代电子产品产生重大影响

这个故事是Science X Dialog的一部分，研究人员可以在其中报告他们发表的研究文章中的发现。访问此页面了解有关Science X Dialog以及如何参与的信息 More information: Alessio Zaccone, Thickness-dependent conductivity of nanometric semiconductor thin films, Physical Review Materials (2025). DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.9.046001

Bio:

Alessio Zaccone received his Ph.D. from the Department of Chemistry of ETH Zurich in 2010. From 2010 till 2014 he was an Oppenheimer Research Fellow at the Cavendish Laboratory, University of Cambridge.
After being on the faculty of Technical University Munich (2014–2015) and of University of Cambridge (2015–2018), he has been a full professor and chair of theoretical physics in the Department of Physics at the University of Milano. Awards include the ETH Silver Medal, the 2020 Gauss Professorship of the Göttingen Academy of Sciences, the Fellowship of Queens' College Cambridge, and an ERC Consolidator grant "Multimech."
Research interests range from the statistical physics of disordered systems (random packings, materials mechanics, granular packings, glasses and the glass transition, colloids, nonequilibrium thermodynamics) to solid-state physics and superconductivity.