ניוביום פוספיד יכול להוליך חשמל טוב יותר מנחושת בסרטים שעובים רק כמה אטומים; יתר על כן, ניתן ליצור ולהפקיד את הסרטים הללו בטמפרטורות נמוכות מספיק כדי להיות תואמות לייצור שבבי מחשב מודרני, על פי צוות מדענים בראשות אוניברסיטת סטנפורד.
סרט בעובי של כמה אטומים של ניוביום פוספיד לא גבישי מוליך טוב יותר דרך פני השטח כדי להפוך את החומר, בכללותו, למוליך טוב יותר. קרדיט תמונה: Il-Kwon Oh / Asir Khan.
"אנחנו שוברים צוואר בקבוק בסיסי של חומרים מסורתיים כמו נחושת", אמר ד"ר אסיר אינטיסר חאן מאוניברסיטת סטנפורד.
"מוליכי הניוביום פוספיד שלנו מראים שאפשר לשלוח אותות מהירים ויעילים יותר דרך חוטים דקים במיוחד."
"זה יכול לשפר את יעילות האנרגיה של שבבים עתידיים, ואפילו רווחים קטנים מצטברים כשמשתמשים בשבבים רבים, כמו במרכזי הנתונים האדירים המאחסנים ומעבדים מידע כיום."
ניוביום פוספיד הוא מה שהחוקרים מכנים חצי מתכת טופולוגית, כלומר כל החומר יכול להוליך חשמל, אבל המשטחים החיצוניים שלו מוליכים יותר מהאמצע.
ככל שסרט של ניוביום פוספיד נהיה דליל יותר, האזור האמצעי מתכווץ אך המשטחים שלו נשארים זהים, מה שמאפשר למשטחים לתרום חלק גדול יותר לזרימת החשמל ולחומר בכללותו להפוך למוליך טוב יותר.
מתכות מסורתיות כמו נחושת, לעומת זאת, הופכות גרועות יותר בהולכת חשמל ברגע שהן דקות יותר מ-50 ננומטר בערך.
החוקרים מצאו שניוביום פוספיד הפך למוליך טוב יותר מנחושת בעובי סרט מתחת ל-5 ננומטר, אפילו כאשר הוא פועל בטמפרטורת החדר.
בגודל זה, חוטי נחושת נאבקים לעמוד בקצב של אותות חשמליים מהירים ומאבדים הרבה יותר אנרגיה לחימום.
"אלקטרוניקה בצפיפות גבוהה באמת זקוקה לחיבורי מתכת דקים מאוד, ואם המתכות הללו אינן מוליכות טוב, הן מאבדות הרבה כוח ואנרגיה", אמר פרופסור אריק פופ מאוניברסיטת סטנפורד.
"חומרים טובים יותר יכולים לעזור לנו להוציא פחות אנרגיה בחוטים קטנים ויותר אנרגיה בחישוב".
חוקרים רבים עבדו כדי למצוא מוליכים טובים יותר עבור אלקטרוניקה בקנה מידה ננו, אך עד כה היו למועמדים הטובים ביותר מבנים גבישיים מדויקים ביותר, אשר צריכים להיווצר בטמפרטורות גבוהות מאוד.
סרטי הניוביום פוספיד שיוצרו על ידי הצוות הם הדוגמאות הראשונות לחומרים לא גבישיים שהופכים למוליכים טובים יותר ככל שהם נעשים דקים יותר.
"חשבו שאם אנחנו רוצים למנף את המשטחים הטופולוגיים האלה, אנחנו צריכים סרטים חד-גבישיים נחמדים שממש קשה להפקיד אותם", אמר אקאש רמדאס, דוקטורנט באוניברסיטת סטנפורד.
"עכשיו יש לנו סוג אחר של חומרים - חצי מתכת טופולוגית אלה - שיכולים לפעול כדרך להפחית את צריכת האנרגיה באלקטרוניקה."
מכיוון שסרטי הניוביום פוספיד אינם צריכים להיות גבישים בודדים, ניתן ליצור אותם בטמפרטורות נמוכות יותר.
המדענים הפקידו את הסרטים ב-400 מעלות צלזיוס (752 מעלות פרנהייט), טמפרטורה נמוכה מספיק כדי למנוע פגיעה או השמדה של שבבי מחשב קיימים מסיליקון.
"אם אתה צריך ליצור חוטים גבישיים מושלמים, זה לא יעבוד עבור ננו-אלקטרוניקה", אמר פרופסור יורי סוזוקי מאוניברסיטת סטנפורד.
"אבל אם אתה יכול להפוך אותם לאמורפיים או מעט לא מסודרים והם עדיין נותנים לך את המאפיינים שאתה צריך, זה פותח את הדלת ליישומים פוטנציאליים בעולם האמיתי."
המחברים עובדים גם על הפיכת סרטי הניוביום פוספיד שלהם לחוטים צרים לבדיקות נוספות.
הם רוצים לקבוע עד כמה החומר יכול להיות אמין ויעיל ביישומים בעולם האמיתי.
"לקחנו פיזיקה ממש מגניבה והעברנו אותה לעולם האלקטרוניקה היישומי", אמר פרופסור פופ.
"סוג זה של פריצת דרך בחומרים לא גבישיים יכולה לעזור להתמודד עם אתגרי כוח ואנרגיה באלקטרוניקה הנוכחית והעתידית כאחד."
העֲבוֹדָהפורסם בכתב העתמַדָע.
_____
אסיר אינטיסר חאןet al. 2025. הולכה פני השטח והתנגדות חשמלית מופחתת ב-NbP חצי מתכת דק לא-גבישי במיוחד.מַדָע387 (6729): 62-67; doi: 10.1126/science.adq7096
מאמר זה הוא גרסה של הודעה לעיתונות שסופקה על ידי אוניברסיטת סטנפורד.
