Alfred Poor 4 小时前 3 分钟阅读

如果你需要将电子从一个地方移动到另一个地方，你会想到铜。这种常见的元素是优秀的导体，并且很容易被制成导线和电路板走线。但当尺寸变小，非常非常小，达到纳米级别时，情况就发生了变化。同样的铜表现出越来越大的电阻，这意味着更多的电信号会以热量的形式损失掉。为更小更密集的设备供电可能需要更多的能量，这与微型电子产品的需求背道而驰。

Stanford 的研究人员在 Eric Pop’s lab 中，由 Asir Intisar Khan 领导，一直在研究一种新型的薄膜，其厚度缩小到约 1.5 纳米。他们发现，随着这种薄膜变得越来越薄，其导电性反而会增加，这与铜的行为方式相反。

他们首先使用蓝宝石基板，然后涂上一层niobium (Nb) 籽晶层。他们试验了不同厚度的 Nb 层，从 4 纳米到 1.4 纳米不等。这一层有助于后续的 niobium phosphide (NbP) 层通过简单的溅射工艺形成polycrystalline 薄膜。他们制造了厚度从 1.5 纳米到 80 纳米的 NbP 薄膜，并对其进行了测试。虽然 NbP 层是非晶态的，但它也在非晶态基质中包含了nanocrystals。重要的是，无论底层的 Nb 籽晶层的厚度如何，这些晶体都会形成。

最终的 NbP 超薄薄膜具有非常低的电阻率，并且随着薄膜变薄，电阻率会变得更低。在约 1.5 纳米的厚度下，NbP 层在室温下的电阻率仅约为 34 微欧姆厘米，这大约是较厚版本的薄膜的六分之一。在类似厚度下，诸如铜之类的传统金属的电阻率约为 100 微欧姆厘米。

Thin Films 中的低电阻率

研究人员发现，薄膜的低电阻率是由于其表面比材料的体积更具导电性。物理学家将这种行为称为“topological semimetal”，这与铜等金属的行为方式不同。随着 NbP 薄膜变薄，中间的材料越来越少，其表面传导了更大比例的电力。

这种发展对于创建越来越小的数字电路非常重要。降低 transistors 之间连接的电阻率意味着更少的能量会以热量的形式损失掉，这反过来意味着 IC 将更加节能。

重要的是，这些薄膜可以在相对较低的 400 摄氏度的温度下沉积，使其与现有的半导体制造工艺兼容。这与其他依赖于必须在更高温度下合成的单晶材料的实验性超薄导体形成对比。

然而，商业化仍然存在障碍。薄膜层的容差对于性能至关重要。例如，Nb 籽晶层的厚度被证明会影响最终薄膜的电阻率，因为它会影响 NbP 薄膜的质量。

令人兴奋的是，“NbP 可能只是显示这种行为的新型材料之一，”electrical engineering 的 Stanford 教授 Eric Pop 说道，他领导了这项研究。已知还有一些其他材料表现出相同的表面传导，但它是否也表现出随着层变得更薄而电阻率更低还有待观察。“必须仔细测试它们，”他说。并且“计算的进步可能会发现更多具有相似行为的材料。”