研究人員為奈米電子學打造超薄磷化鈮導體

史丹佛大學帶領的科學家團隊指出，在僅有幾個原子厚的薄膜中，磷化鈮的導電性比銅更佳；此外，這些薄膜能在足夠低的溫度下製造和沉積，可與現代電腦晶片製造工藝相容。

非晶態磷化鈮的幾個原子厚薄膜，其表面導電性更佳，使得整體材料成為更好的導體。（圖片出處：Il-Kwon Oh / Asir Khan）

史丹佛大學的阿西爾·因蒂薩爾·汗博士表示：「我們正在突破像銅這樣的傳統材料的基本瓶頸。」

「我們的磷化鈮導體證明，透過超細線路傳送更快、更高效的訊號是可行的。」

「這可能提高未來晶片的能源效率，而且在使用大量晶片時，即使是微小的進步累積起來也很可觀，就像如今儲存和處理資訊的大型資料中心那樣。」

研究人員稱磷化鈮為拓撲半金屬，這意味著整個材料都能導電，但其外表面比內部更具導電性。

隨著磷化鈮薄膜變得更薄，中間區域縮小，但表面保持不變，使得表面在電流傳導中貢獻更大份額，整個材料也因此成為更好的導體。

另一方面，像銅這樣的傳統金屬，一旦厚度小於約50奈米，導電效能就會變差。

研究人員發現，在低於5奈米的薄膜厚度下，即使在室溫下執行，磷化鈮的導電性也比銅更好。

在這個尺寸下，銅線難以跟上快速的電訊號，而且會因發熱損失更多能量。

史丹佛大學的埃裡克·波普教授表示：「真正的高密度電子產品需要非常薄的金屬連線線，如果這些金屬導電效能不佳，就會損失大量的功率和能量。」

「更好的材料可以幫助我們在細線路中消耗更少的能量，而將更多能量用於實際的運算。」

許多研究人員一直致力於為奈米級電子學尋找更好的導體，但到目前為止，最佳的候選材料都有極其精確的晶體結構，需要在非常高的溫度下形成。

該團隊製造的磷化鈮薄膜是首個非晶態材料的例子，它們越薄導電性越好。

史丹佛大學博士生阿卡什·拉姆達斯稱：「人們一直認為，如果要利用這些拓撲表面，就需要非常難以沉積的優質單晶薄膜。」

「現在我們有了另一類材料——這些拓撲半金屬——它們有可能成為降低電子產品能耗的途徑。」

由於磷化鈮薄膜不需要是單晶體，因此可以在較低溫度下製造。

科學家們在400攝氏度（752華氏度）的溫度下沉積薄膜，這個溫度足夠低，可避免損壞現有的矽基電腦晶片。

史丹佛大學的尤里·鈴木教授表示：「如果你必須製造完美的晶體線路，那對奈米電子學來說是行不通的。」

「但如果你能使其呈非晶態或稍有缺陷，卻仍能提供所需的效能，那就為潛在的實際應用開啟了大門。」

作者們也在努力將他們的磷化鈮薄膜製成細線，以進行更多測試。

他們想確定這種材料在實際應用中的可靠性和有效性。

波普教授稱：「我們將一些非常酷炫的物理原理應用到了應用電子領域。」

「非晶態材料的這類突破，有助於解決當前和未來電子產品中的功率和能源挑戰。」

此研究成果發表在《科學》期刊上。

阿西爾·因蒂薩爾·汗等人，2025年。超薄非晶態NbP半金屬中的表面傳導和降低的電阻率。《科學》387（6729）：62 - 67；doi: 10.1126/science.adq7096

本文是史丹佛大學釋出的新聞稿的一個版本。