- 研究人員開發鋰砷化物納米線，能取代銅提升晶片性能。
- 鋰砷化物在尺寸縮小時成為更佳電導體，改善能源效率。
- 熱機械納米成型技術可精確控制納米線直徑至10納米。
- 該材料在室温下穩定，無需特殊條件即可觀察量子效應。
美國的研究人員開發出由鋰砷化物製成的納米線，這種量子材料能夠取代銅，因為它在尺寸縮小時成為更佳的電導體。電氣互連是連接電子系統和晶體管的微小線路和連接器，允許它們之間進行通信。這些互連對於現代晶片的性能至關重要，通常使用銅製造，因其具有高導電性。然而，隨著晶片縮小到納米級別，銅開始失去其性能，這會增加電阻並限制進一步的小型化。為瞭解決這一問題，位於紐約的康奈爾大學的研究人員開發了由鋰砷化物構成的單晶納米線，這是一種拓撲量子材料。
與銅不同，這種量子材料在尺寸縮小時成為更佳的電導體。研究人員認為，這可能會提升未來微晶片的性能和能源效率。
鋰砷化物的優勢
重新構想銅線，銅因其高電導性而廣泛用於微型處理器的互連線路。事實上，半導體行業在 1990 年代末從鋁轉向銅，IBM 於 1997 年率先進行這一轉變。隨著晶體管持續縮小，這一變化變得必要，使得更多功能可以被集成到晶片上。然而，儘管銅在較大尺寸時是一種優秀的導體，但當這些線路縮小到納米級別時，其性能會下降。這是因為隨著銅線變得更細，電子與其表面的碰撞頻率增加，導致電阻上升和效率降低。
康奈爾大學的掃描電子顯微鏡圖像顯示，鋰砷化物的納米線仍然連接著大塊的原料。
為了克服這一挑戰，康奈爾團隊轉向鋰砷化物（NbAs），這是一種拓撲半金屬，其表面電子的行為與傳統金屬有所不同。論文的資深作者、材料科學教授 Judy Cha 博士表示：「流經材料表面的電子移動速度非常快，並且不會像體內的電子那樣容易散射。」Cha 表示，隨著銅線變小，電子與其表面的碰撞越來越多，導致電子以不同方向散射，從而降低導電性。「這就是為什麼它變得電氣上非常有阻力。」
與依賴於電子穿過其內部的銅相比，NbAs 受益於快速移動的表面電子。隨著尺寸縮小，表面效應變得更強，改善了電氣性能。
新製造技術的突破
為了製造超薄納米線，研究人員使用了一種稱為熱機械納米成型的製造技術。這一過程始於將大塊材料樣本在高温下壓入多孔鋁氧化物模具中。模具取出後，科學家們將獲得高品質的單晶納米線，這些納米線可以轉移到矽晶圓上。這種方法使團隊能夠將線徑精確控制至 10 納米（nm）。Cha 將該過程比喻為製作意大利麵。「如果您更換意大利麵機的前板，您可以製作寬麵或細麵。」她強調，「我們只是將原料視作‘麵團’，並使用不同孔徑的模具。」
除了能夠生產高度均勻的納米線，該技術還加速了材料研究。實驗室以前每年僅研究一至兩個材料系統，而使用熱機械納米成型後，現在每月可以研究一種新材料。
該團隊還發現，該材料在室温下保持穩定。這是一個重要的優勢，因為許多量子材料在受控的實驗室條件之外容易變脆或氧化。Cha 在新聞稿中總結道：「我感覺這項工作的真正意義在於，研究人員可能不需要最高品質的原始樣本，也不需要去到最低温度、無噪音的環境來觀察這些類型的量子力學效應。」該研究已發表在《科學》期刊上。
鋰砷化物納米線的潛力與挑戰
鋰砷化物納米線的開發代表著微晶片技術的一次重要進步。隨著晶片尺寸持續縮小，傳統銅線的性能下降已成為主要挑戰。鋰砷化物的優越導電性和在納米級別的表面效應，使其成為未來晶片設計的可行替代方案。此外，熱機械納米成型技術的創新不僅提升了生產效率，還使研究人員能夠更快探索新材料，這對於推動半導體技術的進一步發展至關重要。然而，如何在商業化過程中保持材料的穩定性和可重複性，仍然是未來研究的關鍵。