یزد پرس

با کوچک‌تر و پیچیده‌تر شدن تراشه‌های کامپیوتری، سیم‌های فلزی فوق‌نازکی که وظیفه انتقال سیگنال‌های الکتریکی درون آن‌ها را دارند، به یک گلوگاه بحرانی تبدیل شده‌اند. سیم‌های فلزی سنتی مانند مس، با نازک‌تر شدن، بازدهی خود را در هدایت الکتریسیته از دست می‌دهند، که این مسئله اندازه، عملکرد و بازده انرژی الکترونیک در مقیاس نانو را محدود می‌کند.

در پژوهشی که در تاریخ ۳ ژانویه در مجله Science منتشر شد، دانشمندان دانشگاه استنفورد نشان دادند که نیوبیوم فسفید در رسانایی الکتریسیته در فیلم‌هایی که تنها چند اتم ضخامت دارند، عملکرد بهتری نسبت به مس دارد. این فیلم‌های فوق‌نازک نیوبیوم فسفید همچنین می‌توانند در دماهای پایین ایجاد شوند، که این امر آن‌ها را با فرآیندهای کنونی تولید تراشه سازگار می‌کند. این پیشرفت می‌تواند راه را برای تولید الکترونیک قدرتمندتر و با بازده انرژی بالاتر در آینده هموار کند.

شکستن محدودیت‌های سنتی

آصیر اینتیسار خان، که مدرک دکترای خود را از استنفورد دریافت کرده و اکنون پژوهشگر پسادکترا در این دانشگاه است، گفت: «ما در حال شکستن یک گلوگاه اساسی مواد سنتی مانند مس هستیم. رساناهای نیوبیوم فسفید ما نشان می‌دهند که می‌توان سیگنال‌ها را با سرعت و بازدهی بیشتری از طریق سیم‌های فوق‌نازک ارسال کرد. این موضوع می‌تواند بازده انرژی تراشه‌های آینده را بهبود بخشد و حتی دستاوردهای کوچک می‌توانند در مراکز داده عظیمی که امروز اطلاعات را ذخیره و پردازش می‌کنند، تاثیر زیادی داشته باشند.»

نیوبیوم فسفید: یک نیمه‌فلز توپولوژیک

نیوبیوم فسفید نوعی ماده به نام نیمه‌فلز توپولوژیک است. این مواد به گونه‌ای هستند که کل ماده می‌تواند الکتریسیته را هدایت کند، اما سطح خارجی آن‌ها از میانۀ ماده رساناتر است. وقتی فیلم نیوبیوم فسفید نازک‌تر می‌شود، منطقه میانی کوچک‌تر می‌شود اما سطح‌های آن ثابت می‌مانند، که این امر باعث می‌شود جریان الکتریسیته عمدتاً از سطح عبور کند و ماده به عنوان یک کل، رساناتر شود.

از سوی دیگر، فلزات سنتی مانند مس زمانی که ضخامت آن‌ها به کمتر از ۵۰ نانومتر می‌رسد، کارایی خود را در رسانایی الکتریسیته از دست می‌دهند.

مزایای فیلم‌های نیوبیوم فسفید

پژوهشگران دریافتند که نیوبیوم فسفید در ضخامت‌های کمتر از ۵ نانومتر، حتی در دمای اتاق، رسانایی بهتری نسبت به مس دارد. در این اندازه، سیم‌های مسی در انتقال سریع سیگنال‌های الکتریکی دچار مشکل می‌شوند و انرژی بیشتری به صورت گرما هدر می‌دهند.

اریک پاپ، استاد دانشکده مهندسی استنفورد و نویسنده ارشد این پژوهش، گفت: «الکترونیک‌های با چگالی بسیار بالا به اتصالات فلزی بسیار نازک نیاز دارند، و اگر این فلزات به خوبی هدایت نکنند، مقدار زیادی انرژی هدر می‌رود. مواد بهتر می‌توانند کمک کنند که انرژی کمتری در سیم‌های کوچک مصرف شود و انرژی بیشتری برای انجام محاسبات باقی بماند.»

پتانسیل برای کاربردهای آینده

پژوهشگران بسیاری در حال کار برای یافتن رساناهای بهتر برای الکترونیک نانو هستند، اما تاکنون بهترین گزینه‌ها نیاز به ساختارهای بلوری بسیار دقیق داشتند که باید در دماهای بسیار بالا تشکیل شوند. فیلم‌های نیوبیوم فسفید ساخته‌شده توسط خان و همکارانش، اولین نمونه از موادی هستند که بدون نیاز به بلورهای تک‌کریستالی و در حالت غیر بلوری یا کمی بی‌نظم، عملکرد بهتری دارند.

آکاش رامداس، دانشجوی دکترا در استنفورد و یکی از نویسندگان مقاله، گفت: «تا کنون تصور می‌شد که اگر بخواهیم از این سطوح توپولوژیک استفاده کنیم، نیاز به فیلم‌های تک‌کریستالی باکیفیت داریم که ایجاد آن‌ها بسیار دشوار است. اکنون ما کلاس جدیدی از مواد داریم – این نیمه‌فلزهای توپولوژیک – که می‌توانند راهی برای کاهش مصرف انرژی در الکترونیک باشند.»

سازگاری با فرآیندهای کنونی تولید تراشه

از آنجا که فیلم‌های نیوبیوم فسفید نیازی به ساختارهای بلوری کامل ندارند، می‌توان آن‌ها را در دماهای پایین تولید کرد. پژوهشگران این فیلم‌ها را در دمای ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد رسوب دادند، دمایی که به اندازه‌ای پایین است که به تراشه‌های سیلیکونی موجود آسیبی وارد نکند.

یوری سوزوکی، استاد فیزیک کاربردی در استنفورد و یکی از نویسندگان مقاله، افزود: «اگر مجبور باشید سیم‌های بلوری کامل بسازید، برای نانوالکترونیک جواب نمی‌دهد. اما اگر بتوانید آن‌ها را در حالت غیر بلوری یا کمی بی‌نظم تولید کنید و همچنان ویژگی‌های مورد نیاز را به دست آورید، این در را برای کاربردهای واقعی باز می‌کند.»