史丹佛大學的研究人員發現了一種新材料–磷化鈮，在製成超薄薄膜後，其導電性能超過了銅。這項突破可以緩解傳統金屬線在奈米級電路中的限制，從而徹底改變未來電子產品的效率和性能。

帶有超薄磷化鈮薄膜霍爾條裝置的圖案化晶片。 圖片來源：Asir Khan / Eric Pop

隨著電腦晶片變得越來越小、越來越複雜，其中傳輸電訊號的超細金屬線正成為一個關鍵瓶頸。 傳統的金屬線（如銅線）隨著變細而失去導電效率，最終限制了奈米級電子裝置的尺寸、性能和能源效率。

1 月3 日，史丹佛大學的科學家在《科學》雜誌上發表了一項研究成果，證明在厚度僅為幾個原子的薄膜中使用磷化鈮時，其導電性能優於銅。 這些超薄磷化鈮薄膜還可以在低溫下製作，從而與目前的晶片製造流程相容。 這項突破可為未來更強大、更節能的電子產品鋪路。

阿西爾-因提薩-汗（Asir Intisar Khan）說：”我們正在突破銅等傳統材料的基本瓶頸，”他在斯坦福大學獲得博士學位，現在是一名訪問博士後學者，也是這篇論文的第一作者。 “我們的磷化鈮導體表明，透過超細導線發送更快、更有效率的訊號是可能的。 這可以提高未來晶片的能效，在使用許多晶片的情況下，例如在今天儲存和處理資訊的大型在資料中心中，即使很小的收益也會增加。

研究人員稱磷化鈮為拓樸半金屬，這意味著整塊材料都能導電，但其外層表面的導電性比中間更強。 當磷化鈮薄膜變薄時，中間區域會縮小，但其表面保持不變，從而使表面對電流的貢獻更大，整個材料成為更好的導體。 而銅等傳統金屬的厚度一旦超過50 奈米，導電性能就會變差。

僅幾個原子厚的非結晶磷化鈮薄膜能更好地通過表面導電，使材料整體成為更好的導體。 資料來源：Il-Kwon Oh / Asir Khan

研究人員發現，當薄膜厚度低於5 奈米時，即使在室溫下工作，磷化鈮也能成為比銅更好的導體。 在這種尺寸下，銅線很難跟上快速的電訊號，而且會因發熱而損失更多的能量。

“真正的高密度電子裝置需要非常薄的金屬連接，如果這些金屬導電性能不好，它們就會損失大量的功率和能量，”工程學院Pease-Ye 教授、電氣工程學教授、論文資深作者Eric Pop說。 “更好的材料可以幫助我們在小導線上花費更少的能量，而在實際進行計算時花費更多的能量。”

許多研究人員一直在努力為奈米級電子裝置尋找更好的導體，但迄今為止，最好的候選材料都具有極其精確的晶體結構，需要在非常高的溫度下才能形成。 汗和他的同事們製作的磷化鈮薄膜是非晶體材料的第一個例子，這種材料越薄導體越好。

「人們一直認為，如果我們想利用這些拓撲表面，就需要非常難以沉積的單晶薄膜，」史丹佛大學博士生、論文共同作者阿卡什-拉姆達斯（Akash Ramdas）說。 “現在我們有了另一類材料–這些拓樸半金屬–它們有可能成為減少電子產品能耗的一種方法。”

由於磷化鈮薄膜不需要是單晶體，因此可以在較低的溫度下製作。 研究人員在攝氏400 度下沉積薄膜，這個溫度低到足以避免損壞或破壞現有的矽電腦晶片。

人文與科學學院Stanley G. Wojcicki 教授、應用物理學教授兼論文合著者尤里-鈴木（Yuri Suzuki）說​​：”如果你必須製造出完美的晶體線，那對奈米電子學來說是行不通的。

儘管磷化鈮薄膜是一個充滿希望的開端，但波普和他的同事們並不指望它們會突然取代所有電腦晶片中的銅–在較厚的薄膜和導線中，銅仍然是一種更好的導體。 但磷化鈮可用於最薄的連接，並為研究其他拓樸半金屬導體鋪平了道路。 研究人員已經在研究類似的材料，觀察能否改善磷化鈮的性能。

“要想在未來的電子產品中採用這一類材料，我們需要它們成為更好的導體，”史丹佛大學博士生、論文共同作者吳嚮導進說。 “為此，我們正在探索其他拓撲半金屬材料。”

Pop 和他的團隊也正在努力將磷化鈮薄膜變成窄絲，以便進行更多測試。 他們希望確定這種材料在實際應用中的可靠性和有效性。

Pop 說：”我們採用了一些非常酷的物理學原理，並將其移植到了應用電子領域。非晶材料領域的這種突破有助於解決當前和未來電子領域的電力和能源挑戰。”

編譯自/ scitechdaily