Temui set konduktor ultrathin untuk mengganti tembaga dalam elektronik canggih

Peneliti Stanford telah menemukan bahan baru, Niobium phosphide, yang melampaui tembaga dalam konduktivitas listrik ketika dibuat menjadi film ultrathin.

Terobosan ini dapat merevolusi efisiensi dan kinerja elektronik masa depan dengan mengurangi keterbatasan yang ditimbulkan oleh kabel logam tradisional nano Sirkuit.

Tantangan elektronik skala nano

Ketika chip komputer menjadi semakin kecil dan lebih kompleks, kabel logam ultrathin yang mengirimkan sinyal listrik di dalamnya muncul sebagai hambatan kritis. Kabel logam tradisional, seperti tembaga, kehilangan efisiensinya dalam menghantarkan listrik karena mereka menjadi lebih tipis, pada akhirnya membatasi ukuran, kinerja, dan efisiensi energi elektronik skala nano.

Dalam penelitian yang diterbitkan pada 3 Januari di jurnal SainsPara ilmuwan Stanford menunjukkan bahwa niobium phosphide mengungguli tembaga dalam melakukan listrik ketika digunakan dalam film hanya beberapa atom tebal. Film -film ultrathin niobium fosfida ini juga dapat dibuat pada suhu rendah, membuatnya kompatibel dengan proses pembuatan chip saat ini. Terobosan ini dapat membuka jalan bagi elektronik yang lebih kuat dan hemat energi di masa depan.

Terobosan dalam bahan konduktor

“Kami memecahkan hambatan mendasar dari bahan -bahan tradisional seperti tembaga,” kata Asir Intisar Khan, yang menerima gelar doktor dari Stanford dan sekarang menjadi sarjana postdoctoral yang berkunjung dan penulis pertama di atas kertas. “Konduktor niobium fosfida kami menunjukkan bahwa dimungkinkan untuk mengirim sinyal yang lebih cepat dan lebih efisien melalui kabel ultrathin. Ini dapat meningkatkan efisiensi energi chip di masa depan, dan bahkan keuntungan kecil bertambah ketika banyak chip digunakan, seperti di pusat data besar yang menyimpan dan memproses informasi saat ini. ”

Niobium phosphide adalah apa yang oleh para peneliti menyebut semimetal topologi, yang berarti bahwa seluruh bahan dapat menghantarkan listrik, tetapi permukaan luarnya lebih konduktif daripada tengah. Ketika film Niobium phosphide semakin tipis, daerah tengah menyusut tetapi permukaannya tetap sama, memungkinkan permukaan untuk berkontribusi bagian yang lebih besar terhadap aliran listrik dan bahan secara keseluruhan untuk menjadi konduktor yang lebih baik. Logam tradisional seperti tembaga, di sisi lain, menjadi lebih buruk dalam menghantarkan listrik begitu mereka lebih tipis daripada sekitar 50 nanometer.

Keuntungan dari film niobium fosfida

Para peneliti menemukan bahwa niobium fosfida menjadi konduktor yang lebih baik daripada tembaga dengan ketebalan film di bawah 5 nanometer, bahkan ketika beroperasi pada suhu kamar. Pada ukuran ini, kabel tembaga berjuang untuk mengimbangi sinyal listrik cepat-api dan kehilangan lebih banyak energi untuk panas.

“Elektronik dengan kepadatan tinggi membutuhkan koneksi logam yang sangat tipis, dan jika logam-logam itu tidak melakukan dengan baik, mereka kehilangan banyak kekuatan dan energi,” kata Eric Pop, profesor Pease-Ye di School of Engineering, seorang profesor teknik listrik, dan penulis senior di atas kertas. “Bahan yang lebih baik dapat membantu kita menghabiskan lebih sedikit energi di kabel kecil dan lebih banyak energi yang benar -benar melakukan perhitungan.”

Potensi untuk aplikasi elektronik masa depan

Banyak peneliti telah bekerja untuk menemukan konduktor yang lebih baik untuk elektronik skala nano, tetapi sejauh ini kandidat terbaik memiliki struktur kristal yang sangat tepat, yang perlu dibentuk pada suhu yang sangat tinggi. Film-film niobium fosfida yang dibuat oleh Khan dan rekan-rekannya adalah contoh pertama bahan non-kristal yang menjadi konduktor yang lebih baik karena mereka menjadi lebih tipis.

“Telah dipikirkan bahwa jika kita ingin memanfaatkan permukaan topologi ini, kita membutuhkan film-film kristal tunggal yang bagus yang sangat sulit disimpan,” kata Akash Ramdas, seorang mahasiswa doktoral di Stanford dan rekan penulis di atas kertas. “Sekarang kami memiliki kelas bahan lain – semimetal topologi ini – yang berpotensi bertindak sebagai cara untuk mengurangi penggunaan energi dalam elektronik.”

Karena film niobium fosfida tidak perlu kristal tunggal, mereka dapat dibuat pada suhu yang lebih rendah. Para peneliti menyimpan film -film tersebut pada 400 derajat Celsiussuhu yang cukup rendah untuk menghindari merusak atau menghancurkan chip komputer silikon yang ada.

“Jika Anda harus membuat kabel kristal yang sempurna, itu tidak akan bekerja untuk nanoelectronics,” kata Yuri Suzuki, Profesor Stanley G. Wojcicki di Sekolah Humaniora dan Sains, seorang profesor fisika terapan dan rekan penulis di atas kertas. “Tetapi jika Anda dapat membuatnya amorf atau sedikit tidak teratur dan mereka masih memberi Anda sifat yang Anda butuhkan, yang membuka pintu bagi aplikasi dunia nyata yang potensial.”

Mengaktifkan Nanoelectronics di masa depan

Meskipun film niobium fosfida adalah awal yang menjanjikan, Pop dan rekan -rekannya tidak mengharapkan mereka tiba -tiba menggantikan tembaga di semua chip komputer – tembaga masih merupakan konduktor yang lebih baik dalam film dan kabel yang lebih tebal. Tetapi niobium fosfida dapat digunakan untuk koneksi yang paling tipis, dan membuka jalan bagi penelitian terhadap konduktor yang terbuat dari semimet topologi lainnya. Para peneliti sudah mencari bahan serupa untuk melihat apakah mereka dapat meningkatkan kinerja Niobium phosphide.

“Agar kelas materi ini dapat diadopsi dalam elektronik masa depan, kami membutuhkannya untuk menjadi konduktor yang lebih baik,” kata Xiangjin Wu, seorang mahasiswa doktoral di Stanford dan rekan penulis di atas kertas. “Untuk itu, kami sedang mengeksplorasi semimetal topologi alternatif.”

Pop dan timnya juga berupaya mengubah film niobium fosfida mereka menjadi kabel sempit untuk pengujian tambahan. Mereka ingin menentukan seberapa andal dan efektif materi tersebut dalam aplikasi dunia nyata.

“Kami telah mengambil beberapa fisika yang sangat keren dan mengangkutnya ke dunia elektronik yang diterapkan,” kata Pop. “Jenis terobosan dalam bahan non-kristal ini dapat membantu mengatasi tantangan daya dan energi baik dalam elektronik saat ini dan di masa depan.”

Referensi: “konduksi permukaan dan penurunan resistivitas listrik dalam semimetal NBP nonkristalin ultrathin” oleh Asir Intisar Khan, Akash Ramdas, Emily Lindgren, Hyun-Mi Kim, Byoungjun Won, Xiangjin Wu, Krishna Saraswat, Ching-Tzu Chen, Yuri, Krishna, Fel Saraswat, Ching-Tzu Chen, Yuri, Yuri, Yuri, Krishna, Ching-Tzu, Anda, Anda, Anda, Anda Chen, Anda, Anda, Ching-Tzu Chen, Anda, Da Jornada, Il-Kwon Oh dan Eric Pop, 2 Januari 2025, Sains.
Doi: 10.1126/science.adq7096

Pop juga Profesor, berdasarkan kesopanan, ilmu material dan teknik di Sekolah Teknik dan Fisika Terapan di Sekolah Humaniora dan Ilmu Pengetahuan. Dia adalah co-sutradara fakultas Stanford Systemx dan seorang senior Fellow dari Precourt Institute for Energy.

Suzuki juga Profesor, berdasarkan kesopanan, ilmu material dan teknik di School of Engineering dan merupakan direktur Fasilitas Bersama Stanford Nano dan anggota Stanford Bio-X.

Rekan penulis Stanford tambahan dari penelitian ini adalah Krishna Saraswat, profesor Ricky/Nielsen di School of Engineering; Felipe H. da Jornada, Asisten Profesor Ilmu dan Teknik Bahan; dan mahasiswa pascasarjana Emily Lindgren.

Rekan penulis lain dari karya ini berasal dari Ajou University, Korea Electronics Technology Institute, dan IBM TJ Watson Research Center.

Pekerjaan ini didanai oleh National Science Foundation, Institute for Energy Precourt, SystemX Alliance, Stanford Graduate Fellowship, dan National Research Foundation of Korea.