芯片需要新材料

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如果你需要将电子从一处移动到另一处，那么就需要用到铜。这种常见元素是一种极好的导体，很容易制成电线和电路板走线。但当电子变小时，情况就变了:纳米级的电子非常非常小。同样的铜显示出越来越大的电阻，这意味着更多的电信号会因热量而损失。为更小、更密集的设备供电可能需要更多的能量，这与你对微型电子产品的要求正好相反。

斯坦福大学的研究人员在埃里克·波普实验室的阿西尔·因蒂萨尔·汗的带领下，一直在试验一种厚度缩小到约 1.5 纳米的新型薄膜。他们发现，随着薄膜变薄，其导电性会增加，这与铜的行为正好相反。

他们从蓝宝石基板开始，然后涂上一层铌 种子层。他们尝试了不同厚度的 Nb 层，从 4 纳米到 1.4 纳米。当通过简单的溅射工艺沉积时，该层有助于下一层磷化铌 (NbP) 形成多晶膜。他们制作了厚度从 1.5 纳米到 80 纳米的 NbP 膜并对其进行了测试。虽然 NbP 层是无定形的，但它也在该无定形基质内包含纳米晶体。重要的是，无论底层 Nb 种子层的厚度如何，这些晶体都会形成。

由此产生的 NbP 超薄膜具有非常低的电阻率，并且随着薄膜变薄，电阻率会降低。厚度约为 1.5 纳米的 NbP 层在室温下的电阻率仅为约 34 微欧姆厘米，约为较厚薄膜电阻率的六分之一。类似厚度的铜等传统金属的电阻率约为 100 微欧姆厘米。

如果你需要将电子从一处移动到另一处，那么就需要用到铜。这种常见元素是一种极好的导体，很容易制成电线和电路板走线。但当电子变小时，情况就变了:纳米级的电子非常非常小。同样的铜显示出越来越大的电阻，这意味着更多的电信号会因热量而损失。为更小、更密集的设备供电可能需要更多的能量，这与你对微型电子产品的要求正好相反。

斯坦福大学的研究人员在埃里克·波普实验室的阿西尔·因蒂萨尔·汗的带领下，一直在试验一种厚度缩小到约 1.5 纳米的新型薄膜。他们发现，随着薄膜变薄，其导电性会增加，这与铜的行为正好相反。

他们从蓝宝石基板开始，然后涂上一层铌 种子层。他们尝试了不同厚度的 Nb 层，从 4 纳米到 1.4 纳米。当通过简单的溅射工艺沉积时，该层有助于下一层磷化铌 (NbP) 形成多晶膜。他们制作了厚度从 1.5 纳米到 80 纳米的 NbP 膜并对其进行了测试。虽然 NbP 层是无定形的，但它也在该无定形基质内包含纳米晶体。重要的是，无论底层 Nb 种子层的厚度如何，这些晶体都会形成。

由此产生的 NbP 超薄膜具有非常低的电阻率，并且随着薄膜变薄，电阻率会降低。厚度约为 1.5 纳米的 NbP 层在室温下的电阻率仅为约 34 微欧姆厘米，约为较厚薄膜电阻率的六分之一。类似厚度的铜等传统金属的电阻率约为 100 微欧姆厘米。

薄膜的低电阻率

研究人员发现，薄膜电阻率低的原因是其表面比材料本体更具导电性。物理学家将这种行为称为“拓扑 半金属”，与铜等金属的行为不同。随着 NbP 薄膜变薄，中间的材料越来越少，其表面传导的电能比例也越来越大。

这一进展对于制造越来越小的数字电路至关重要。降低晶体管连接处的电阻率意味着更少的能量以热量的形式流失，这反过来意味着集成电路将更加节能。

重要的是，这些薄膜可以在 400 摄氏度的相对低温下沉积，使其与现有的半导体制造工艺兼容。这与其他实验性超薄导体形成鲜明对比，这些导体依赖于必须在高得多的温度下合成的单晶材料。

然而，商业化的障碍仍然存在。薄膜层的公差对性能至关重要。例如，种子 Nb 层的厚度会影响所得薄膜的电阻率，因为它会影响 NbP 薄膜的质量。

令人兴奋的是，“NbP 可能只是表现出这种行为的一种新材料”，领导这项研究的斯坦福大学电气工程教授Eric Pop说。已知还有一些其他材料表现出同样的表面导电性，但它们是否也会随着层变薄而表现出较低的电阻率仍有待观察。“必须仔细测试它们，”他说。而且“计算的进步可能会发现更多具有类似行为的材料。”

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