Ultradunne geleider overtreft koper voor energiezuinigere nano-elektronica

Naarmate computerchips steeds kleiner en complexer worden, zijn de ultradunne metalen draden die elektrische signalen binnen deze chips transporteren een zwakke schakel geworden. Standaard metaaldraden worden slechter in het geleiden van elektriciteit naarmate ze dunner worden, waardoor uiteindelijk de omvang, efficiëntie en prestaties van elektronica op nanoschaal worden beperkt.

In een papier gepubliceerd in Wetenschaplaten Stanford-onderzoekers zien dat niobiumfosfide elektriciteit beter kan geleiden dan koper in films die slechts een paar atomen dik zijn. Bovendien kunnen deze films bij voldoende lage temperaturen worden gemaakt en afgezet om compatibel te zijn met moderne computerchipfabricage. Hun werk zou ertoe kunnen bijdragen dat toekomstige elektronica krachtiger en energiezuiniger wordt.

“We doorbreken een fundamenteel knelpunt van traditionele materialen zoals koper”, zegt Asir Intisar Khan, die zijn doctoraat behaalde aan Stanford en nu een gastpostdoctoraal onderzoeker en eerste auteur op dit papier is.

“Onze niobiumfosfidegeleiders laten zien dat het mogelijk is om snellere, efficiëntere signalen door ultradunne draden te sturen. Dit zou de energie-efficiëntie van toekomstige chips kunnen verbeteren, en zelfs kleine winsten kunnen worden behaald als er veel chips worden gebruikt, zoals in de enorme datacenters die informatie opslaan en verwerken.”

Een nieuwe klasse dirigenten

Niobiumfosfide is wat onderzoekers een topologisch halfmetaal noemen, wat betekent dat het hele materiaal elektriciteit kan geleiden, maar dat de buitenoppervlakken geleider zijn dan het midden. Naarmate een film van niobiumfosfide dunner wordt, krimpt het middelste gebied, maar de oppervlakken blijven hetzelfde, waardoor de oppervlakken een groter aandeel kunnen leveren aan de elektriciteitsstroom en het materiaal als geheel een betere geleider wordt. Traditionele metalen zoals koper daarentegen worden slechter in het geleiden van elektriciteit zodra ze dunner zijn dan ongeveer 50 nanometer.

De onderzoekers ontdekten dat niobiumfosfide een betere geleider werd dan koper bij filmdikten van minder dan 5 nanometer, zelfs bij gebruik bij kamertemperatuur. Bij dit formaat hebben koperdraden moeite om snelle elektrische signalen bij te houden en verliezen ze veel meer energie aan hitte.

“Elektronische elektronica met een hoge dichtheid heeft hele dunne metaalverbindingen nodig, en als die metalen niet goed geleiden, verliezen ze veel kracht en energie”, zegt Eric Pop, de Pease-Ye-professor aan de School of Engineering, een professor in de psychologie. elektrotechniek en senior auteur op papier. “Betere materialen zouden ons kunnen helpen minder energie te besteden aan kleine draden en meer energie aan het daadwerkelijk doen van berekeningen.”

Veel onderzoekers hebben gewerkt aan het vinden van betere geleiders voor elektronica op nanoschaal, maar tot nu toe hebben de beste kandidaten extreem nauwkeurige kristallijne structuren gehad, die bij zeer hoge temperaturen moeten worden gevormd. De niobiumfosfidefilms gemaakt door Khan en zijn collega’s zijn de eerste voorbeelden van niet-kristallijne materialen die betere geleiders worden naarmate ze dunner worden.

“Er wordt gedacht dat als we deze topologische oppervlakken willen benutten, we mooie monokristallijne films nodig hebben die heel moeilijk te deponeren zijn”, zegt Akash Ramdas, een doctoraalstudent aan Stanford en co-auteur van het artikel. “Nu hebben we een andere klasse materialen – deze topologische halfmetalen – die mogelijk zouden kunnen fungeren als een manier om het energieverbruik in de elektronica te verminderen.”

Omdat de niobiumfosfidefilms geen enkele kristallen hoeven te zijn, kunnen ze bij lagere temperaturen worden gemaakt. De onderzoekers legden de films af bij 400°C, een temperatuur die laag genoeg is om beschadiging of vernietiging van bestaande siliciumcomputerchips te voorkomen.

“Als je perfecte kristallijne draden moet maken, gaat dat niet werken voor nano-elektronica”, zegt Yuri Suzuki, de Stanley G. Wojcicki-professor aan de School of Humanities and Sciences, hoogleraar toegepaste natuurkunde en co-auteur van het artikel. “Maar als je ze amorf of enigszins ongeordend kunt maken en ze je nog steeds de eigenschappen geven die je nodig hebt, dan opent dat de deur naar potentiële toepassingen in de echte wereld.”

Toekomstige nano-elektronica mogelijk maken

Hoewel niobiumfosfidefilms een veelbelovend begin zijn, verwachten Pop en zijn collega’s niet dat ze plotseling koper in alle computerchips zullen vervangen; koper is nog steeds een betere geleider in dikkere films en draden. Maar niobiumfosfide zou voor de allerdunste verbindingen kunnen worden gebruikt, en het maakt de weg vrij voor onderzoek naar geleiders gemaakt van andere topologische halfmetalen. De onderzoekers onderzoeken al soortgelijke materialen om te zien of ze de prestaties van niobiumfosfide kunnen verbeteren.

“Om deze klasse materialen in de toekomstige elektronica te kunnen gebruiken, hebben we ze nodig om nog betere geleiders te zijn”, zegt Xiangjin Wu, een doctoraalstudent aan Stanford en co-auteur van het artikel. “Daartoe onderzoeken we alternatieve topologische halfmetalen.”

Pop en zijn team werken er ook aan om hun niobiumfosfidefilms om te zetten in smalle draden voor aanvullende tests. Ze willen bepalen hoe betrouwbaar en effectief het materiaal zou kunnen zijn in toepassingen in de echte wereld.

“We hebben een aantal hele coole natuurkunde meegenomen naar de wereld van toegepaste elektronica”, zei Pop. “Dit soort doorbraak in niet-kristallijne materialen zou kunnen helpen bij het aanpakken van energie- en energie-uitdagingen in zowel de huidige als toekomstige elektronica.”