Новий надтонкий матеріал може замінити мідь у наноелектроніці майбутнього

Дослідники зі Стенфордського університету, за підтримки кількох грантів та дослідницької інфраструктури Національного наукового фонду США (NSF), зробили прорив у сфері наноелектроніки. Вони продемонстрували, що новорозроблений матеріал — ніобій фосфід — здатен проводити електрику краще за мідь у плівках товщиною лише в декілька атомів.

Особливо цінним відкриття робить той факт, що ці надтонкі плівки можна створювати й осаджувати при достатньо низьких температурах, що забезпечує сумісність із сучасними технологіями виробництва комп'ютерних чіпів. Це відкриває шлях до створення електроніки майбутнього, яка буде потужнішою та енергоефективнішою.

До цього часу найкращі кандидати на роль провідників, здатних перевершити мідь у наноелектроніці, мали лише точні кристалічні структури, що вимагало дуже високих температур для їхнього формування. Нові плівки з ніобій фосфіду стали першими прикладами некристалічних матеріалів, які покращують свою провідність при зменшенні товщини. Результати дослідження, очолюваного науковцями Стенфордського університету, було опубліковано в журналі Science.

«Ми долаємо фундаментальне обмеження традиційних матеріалів, таких як мідь», — пояснює Асір Інтісар Хан, постдокторант Стенфордського університету та співавтор наукової статті. «Наші провідники з ніобій фосфіду демонструють, що можливо передавати швидші та ефективніші сигнали через надтонкі дроти. Це може підвищити енергоефективність майбутніх чіпів, і навіть незначні покращення матимуть велике значення, коли використовується багато чіпів, наприклад, у масивних центрах обробки даних, які сьогодні зберігають та обробляють інформацію.»

Ніобій фосфід належить до категорії матеріалів, які дослідники називають топологічними напівметалами. Це означає, що матеріал може проводити електрику, але його зовнішні поверхні мають вищу провідність, ніж внутрішній матеріал. Чим тоншою стає плівка з ніобій фосфіду, тим меншим стає її внутрішній об'єм, тоді як поверхні залишаються незмінними. Це дозволяє більш провідним зовнішнім поверхням робити більший внесок в електричний струм і створювати кращий провідниковий матеріал.

Для порівняння, традиційні провідникові метали, такі як мідь, погіршують свою електропровідність при товщині менше приблизно 50 нанометрів.

«Електроніка з дуже високою щільністю потребує дуже тонких металевих з'єднань, і якщо ці метали не проводять добре, вони втрачають багато енергії», — зазначає Ерік Поп, ще один член дослідницької групи Стенфорда, яка створила матеріал. «Кращі матеріали можуть допомогти нам витрачати менше енергії у малих провідниках і більше енергії безпосередньо на обчислення.»

Плівки з ніобій фосфіду відкривають новий горизонт для провідників у наноелектроніці. Однак дослідники не очікують, що вони раптово замінять мідь у всіх комп'ютерних чіпах — мідь продовжує бути кращим провідником у товстіших плівках і дротах. Тим не менш, ніобій фосфід може бути використаний для найтонших з'єднань і відкриває двері для дослідження інших топологічних напівметалів як провідників, які могли б перевершити показники ніобій фосфіду.

«Раніше вважалося, що для використання цих топологічних поверхонь нам потрібні гарні монокристалічні плівки, які дуже важко осаджувати», — говорить аспірант і співавтор статті Акаш Рамдас. «Тепер у нас є інший клас матеріалів — ці топологічні напівметали — які потенційно можуть сприяти зменшенню споживання енергії в електроніці.»

Відкриття підкреслює важливість фундаментальних досліджень матеріалів та їхній потенціал для вирішення практичних інженерних проблем. Вчені продовжують досліджувати властивості ніобій фосфіду та інших подібних матеріалів, щоб краще зрозуміти їхні унікальні характеристики та розширити можливості застосування в наноелектроніці майбутнього.