Oamenii de știință de la Universitatea Stanford au descoperit un nou material, fosfura de niobiu, care depășește cuprul în ceea ce privește conductivitatea electrică atunci când este transformat sub forma unei pelicule subțiri. Această descoperire ar putea revoluționa eficiența și performanța dispozitivelor electronice, prin depășirea limitărilor impuse de circuitele electrice tradiționale la scară nanometrică.
Electronica la scară nanometrică
Pe măsură ce cipurile electronice devin tot mai mici și mai complexe, firele metalice ultrasubțiri care transmite semnalele electrice devin o strangulare (bottleneck) critică. Firele metalice tradiționale, cum sunt cele din cupru, își pierd eficiența în conducerea electricității pe măsură ce devin mai subțiri, fapt care determină dimensiunile, performanțele și eficiența energetică a electronicelor la scară nanometrică.
În cadrul unui studiu ale cărui rezultate au fost publicate în revista Science, cercetătorii de la Universitatea Stanford au demonstrat că fosfura de niobiu depășește cuprul în privința conductivității electrice atunci când este sub forma unei pelicule subțiri, cu grosimea de un singur atom. Aceste pelicule ultrasubțiri de fosfură de niobiu pot fi create la temperaturi scăzute, ceea le face compatibile cu procesele actuale de fabricare a cipurilor.
Materiale conductoare de ultimă generație
„Depășim strangularea fundamentală a materialelor tradiționale precum cuprul”, spune Asir Intisar Khan, care a obținut doctoratul la Universitatea Stanford. „Conductorii noștri de fosfură de niobiu arată că este posibilă transmiterea mai rapidă și mai eficientă a semnalelor prin fire ultrasubțiri. Aceasta ar putea îmbunătăți eficiența energetică a cipurilor viitoare […]”.
Fosfura de niobiu este un semimetal topologic, ceea ce înseamnă că întregul material poate conduce electricitatea, însă stratul său periferic are o conductivitate mai ridicată decât mijlocul său. Pe măsură ce pelicula de fosfură de niobiu devine tot mai subțire, regiunea sa mijlocie se micșorează, însă suprafața sa rămâne aceeași, permițându-i să contribuie mai mult la fluxul de electricitate, iar materialul ca întreg devine un conductor mai bun. Pe de altă parte, metalele tradiționale, cum este cuprul, conduc mai prost electricitatea dacă devin mai subțiri de circa 50 de nanometri.
Avantajele peliculei de fosfură de niobiu
Cercetătorii au descoperit că fosfura de niobiu devine un conductor mai bun decât cuprul atunci când este sub formă de pelicule mai subțiri de 5 nanometri, chiar și la temperatura camerei. La această dimensiune, firele de cupru ar avea dificultăți în transmiterea semnalelor electrice și ar pierde o parte însemnată a energiei sub formă de căldură.
„Electronicele de densitate înaltă au nevoie de conexiuni metalice foarte subțiri, iar dacă aceste metale nu conduc electricitatea bine, se pierde mult din energie și putere”, spune Eric Pop, autor senior al studiului. „Materialele mai bune ne-ar putea ajuta să pierdem mai puțină energie.”
Electronica viitorului și nanoelectronicele
Numeroși cercetători au căutat conductori mai buni pentru dispozitivele electronice la scară nanometrică, însă cei mai buni candidați de până acum aveau nevoie de structuri cristaline extrem de precise, care se formează doar la temperaturi foarte ridicate. Peliculele de fosfură de niobiu sunt primele exemple de materiale necristaline ce devin conductori mai buni pe măsură ce devin mai subțiri.
Deoarece aceste pelicule nu trebuie să fie cristaline, ele pot fi create la temperaturi scăzute – 400 de grade Celsius, suficient de puțin pentru a nu fi afectate cipurile de siliciu din computere.
Deși peliculele de fosfură de niobiu reprezintă un început promițător, ele nu vor înlocui peste noapte cuprul din toate cipurile de computer – cuprul este un conductor mai bun sub formă de fire sau pelicule mai groase. Însă fosfura de niobiu ar putea fi utilizată pentru conexiunile foarte subțiri și deschide drumul pentru crearea altor semimetale topologice.
De asemenea, cercetători caută modalități de a transforma peliculele de fosfură de niobiu în fire subțiri. Ei caută să stabilească eficiența materialului în aplicațiile din lumea reală.
Sursa: SciTechDaily