斯坦福大学的研究人员发现了一种新材料 —— 磷化铌（niobium phosphide），当制成超薄膜时，它的导电性超过了铜。
这一突破将彻底改变未来电子产品的效率和性能，减轻纳米级电路中传统金属线的限制。
纳米电子学挑战
随着计算机芯片变得越来越小、越来越复杂，在芯片内部传输电信号的超薄金属线正成为一个关键的瓶颈。传统的金属线，比如铜线，会随着变细而失去导电效率，最终限制了纳米级电子产品的尺寸、性能和能源效率。
在1月3日发表在《科学》杂志上的一项研究中，斯坦福大学的科学家们证明，在仅几个原子厚的薄膜中使用磷化铌时，其导电性能优于铜。这些超薄的磷化铌薄膜也可以在低温下制造，使它们与当前的芯片制造工艺兼容。这一突破可能为未来更强大、更节能的电子产品铺平道路。
导体材料的突破
“我们正在突破铜等传统材料的基本瓶颈，”获得斯坦福大学博士学位的阿西尔·因蒂萨尔·汗（Asir Intisar Khan）说，他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，通过超薄导线发送更快、更有效的信号是可能的。这可以提高未来芯片的能源效率，当使用许多芯片时，即使是很小的收益也会累积起来，比如在今天存储和处理信息的大型数据中心。”
磷化铌是研究人员所说的拓扑半金属，这意味着整个材料可以导电，但它的外表面比中间更导电。当磷化铌薄膜变薄时，中间区域缩小，但其表面保持不变，使得表面对电流的贡献更大，并且整个材料成为更好的导体。另一方面，像铜这样的传统金属，一旦厚度小于50纳米，导电性能就会变差。
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磷化铌薄膜的优点
研究人员发现，在薄膜厚度低于5纳米时，磷化铌成为比铜更好的导体，即使在室温下也是如此。在这种尺寸下，铜线很难跟上快速的电信号，并且会因为发热而损失更多的能量。
“真正高密度的电子产品需要非常薄的金属连接，如果这些金属的导电性不好，它们就会损失大量的电力和能量，”工程学院的皮斯耶教授、电子工程教授、该论文的资深作者埃里克·波普（Eric Pop）说。“更好的材料可以帮助我们在小电线上花费更少的能量，在实际计算中花费更多的能量。”
未来电子应用的潜力
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，最好的候选材料都具有极其精确的晶体结构，这些结构需要在非常高的温度下形成。因蒂萨尔·汗和他的同事们制作的磷化铌薄膜是第一个非晶体材料随着变薄而成为更好导体的例子。
“人们一直认为，如果我们想要利用这些拓扑表面，我们需要非常难以沉积的漂亮的单晶薄膜，”斯坦福大学的博士生、论文的合著者阿卡什·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式。”
因为磷化铌薄膜不需要是单晶，它们可以在较低的温度下产生。研究人员将薄膜沉积在400摄氏度的温度下，这个温度低到足以避免损坏或破坏现有的硅计算机芯片。
“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，”人文与科学学院斯坦利·g·沃西基（Stanley G. Wojcicki）教授、应用物理学教授、论文的合著者尤里·铃木（Yuri Suzuki）说。“但如果你能使它们无定形或稍微无序，它们仍然能提供你需要的特性，那就为潜在的现实应用打开了大门。”
实现未来纳米电子学
虽然磷化铌薄膜是一个很有希望的开端，但波普和他的同事并不期望它们会突然取代所有计算机芯片中的铜 —— 在较厚的薄膜和电线中，铜仍然是更好的导体。但是磷化铌可以用于非常薄的连接，它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，看看它们是否能提高磷化铌的性能。
“为了让这类材料在未来的电子产品中被采用，我们需要它们成为更好的导体，”斯坦福大学的博士生、论文的合著者吴祥金（音）说。“为此，我们正在探索替代拓扑半金属。”
波普和他的团队还致力于将他们的磷化铌薄膜变成窄线，以进行额外的测试。他们想要确定这种材料在实际应用中的可靠性和有效性。
“我们把一些很酷的物理原理移植到应用电子领域，”波普说。“这种非晶体材料的突破可以帮助解决当前和未来电子产品中的电力和能源挑战。”
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