После полупроводников: полуметаллы могут стать следующим прорывом в поисках замены меди.

В течение почти двух веков медь была стандартом для электропроводности, используемым в проводке, микроэлектронике и вычислительной технике. Но по мере того как электронные устройства превращаются в портативные электростанции, становится ясно, что медь достигает своих физических пределов.

Недавние исследования в Стэнфордском университете показали, что ниобий фосфид может превосходить медь в ультратонких пленках, что делает его перспективным кандидатом для наноэлектроники. Исследователи изучают полуметаллы как потенциальную альтернативу, поскольку эти материалы обладают уникальными электронными свойствами, которые могут повысить эффективность, минимизировать потери энергии и улучшить производительность в технологиях следующего поколения.

В отличие от традиционных металлов, полуметаллы, такие как ниобий фосфид (NbP), демонстрируют характерные структуры зон и топологические свойства, что позволяет улучшить транспорт электронов. Тонкие пленки ниобия фосфида демонстрируют гораздо меньшую удельное сопротивление, чем медь на нанометровых масштабах. По мере уменьшения толщины пленки удельное сопротивление NbP также уменьшается, достигая одной шестой от удельного сопротивления меди при аналогичной толщине. При толщине около 1,5 нанометров NbP имеет удельное сопротивление около 34 микроом-сантиметров при комнатной температуре, что значительно превосходит удельное сопротивление меди (около 100 микроом-сантиметров) при аналогичных масштабах.

«Лучшие материалы могут помочь нам тратить меньше энергии в тонких проводах и больше энергии, фактически, выполнять вычисления», - сказал Эрик Поп (Eric Pop), профессор Школы инженерии Стэнфордского университета. Проблема с медью заключается в том, что она становится менее эффективной при уменьшении толщины, особенно ниже 50 нанометров, и испытывает трудности в обработке быстрых электрических сигналов, что приводит к потере энергии в виде тепла. Тем не менее команда Стэнфорда обнаружила, что NbP, даже при толщине всего 5 нанометров, проводит электричество более эффективно, чем медь, благодаря своей топологической природе, где поверхность материала более проводящая, чем его ядро.

«Такой прорыв в некристаллических материалах может помочь решить проблемы мощности и энергии как в текущей, так и в будущей электронике», - пояснил Поп.

Однако есть трудности в превращении NbP в жизнеспособный коммерческий материал, такие как поддержание правильных допусков на слой во время производства, поскольку изменения толщины начального слоя Nb могут повлиять на удельное сопротивление и качество пленки NbP. По мере того как спрос на более компактные, быстрые и энергоэффективные устройства растет, полуметаллы могут сыграть решающую роль в формировании будущего микроэлектроники. Если исследования продолжат развиваться, нанотонкие полуметаллические проводники могут вскоре заменить медь в высокопроизводительных вычислительных системах, установив новый стандарт для электропроводности.