下一代電腦：新型佈線材料有望革新晶片技術

隨著科技飛速發展，我們設計和製造更小電子晶片的能力，讓世界有了日新月異的變化。這些微小的晶片，是電腦、手機以及迄今為止所有智慧裝置的核心。然而，技術進步也帶來了挑戰，其中之一就是隨著電子元件不斷微型化，產生的熱量越來越多。一個關鍵問題在於，如何在讓連線晶片上電晶體的導線變得更細的同時，還能保證釋放的熱量最少。

通常，這些互連線是用銅製成的。當我們把它們的厚度縮小到奈米等級時，電阻會迅速增加。這是因為沿著導線移動的電子，更容易與導線表面發生碰撞，這種現象稱為散射，會導致能量以廢熱的形式釋放。這意味著要維持相同的效能，就需要更多的電力。

史丹佛大學的一個研究團隊發表了一篇新論文，指出一種名為磷化鈮（NbP）的材料，在厚度小於5奈米時（目前晶片佈線的典型厚度約為10奈米至30奈米），導電性遠高於銅。這是因為磷化鈮具有獨特的量子特性。

磷化鈮屬於拓撲材料，這類材料因其原子結構而具有獨特的電子特性，也是2016年諾貝爾物理學獎的研究主題。它們表面的導電性極高，而且不受材料形狀或尺寸變化的影響（物理學家稱之為「拓撲保護表面態」）。換句話說，它很穩定，即使改變形狀也不容易破壞其導電特性。即使材料變薄、彎曲或有凸起，表面的特殊導電特性依然存在。

這一特性非常重要，因為在降低電氣互連線厚度的同時，還能讓電流順暢流動，是平衡製造成本、複雜性和能源效率的關鍵。這使得磷化鈮相較於其他材料具有顯著優勢。

史丹佛團隊的這一發現尤其引人注目之處在於，這些量子特性是在無序薄膜中觀察到的，也就是說，磷化鈮並不是以最精準的方式製造出來以最大化其導電效能的。這就好比製作巧克力棒，要做出我們習慣的有光澤的巧克力，控制融化巧克力的冷卻過程至關重要，這個過程稱為回火。任何嘗試過的人都知道，未回火的巧克力又暗沉又柔軟，還會影響口感。

回火和未回火巧克力的區別在於巧克力結構中單個晶體的大小（換句話說，就是有序程度）。未回火的巧克力含有多個相互無序排列的小晶體。要製作回火巧克力，製造商會以可控的方式冷卻它，還會加入一塊回火巧克力，以促進均勻晶體結構的生長。現在想像一下，如果能省去回火過程會有多有用。這不僅會提高生產效率，還能降低能耗。這基本上就是史丹佛團隊在他們的材料上所展示的。

從技術角度來說，磷化鈮沒有長程有序性。這意味著，雖然它可能含有一些與最佳版本相關的小晶體，但總體而言，這種材料被視為無序合金。儘管如此，對於超薄薄膜來說，它仍然是一種優秀的導體，這似乎要歸功於拓撲保護表面態這種奇特的量子現象。如果這種效應即使在無序材料中也能發生，將大大簡化製造過程，對成本也有積極影響。

這表明量子效應能夠顯著提高導電性，有望在不久的將來讓我們生產出更強大、更節能的電腦晶片。一個重要的問題是，是否有足夠的磷化鈮用於製造。雖然這不是我們的專業領域，但磷在地殼中的含量幾乎和碳一樣豐富，而鈮的含量約為銅的三分之一，與鈷和鎳大致相當。這表明供應應該是充足的，但專家們還需要權衡從礦石中提取這些元素的相對成本。

對於我們這些從事該領域研究的人來說，這一發現還引發了其他問題，比如其他拓撲材料，如磷化鉭和砷化鉭，是否也會有類似的表現？磷化鈮樣品具有這種特性的關鍵因素是什麼？這些問題將繼續引導科學家們尋找解決方案，以實現未來的低功耗計算技術。