Καθώς οι επεξεργαστές των υπολογιστών συνεχίζουν να γίνονται όλο και μικρότεροι και πιο πολύπλοκοι, τα εξαιρετικά λεπτά μεταλλικά καλώδια που μεταφέρουν ηλεκτρικά σήματα μέσα σε αυτά τα chips έχουν γίνει ένας αδύναμος κρίκος. Τα τυπικά μεταλλικά σύρματα επιδεινώνονται στην αγωγιμότητα του ηλεκτρισμού όσο λεπτότερα γίνονται, περιορίζοντας τελικά το μέγεθος, την αποδοτικότητα και την απόδοση των ηλεκτρονικών συστημάτων νανοκλίμακας.
Σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε στις 3 Ιανουαρίου στο Science, οι ερευνητές του Stanford δείχνουν ότι το φωσφίδιο του νιόβιου μπορεί να άγει τον ηλεκτρισμό καλύτερα από τον χαλκό σε υμένια πάχους λίγων μόνο ατόμων. Επιπλέον, τα υμένια αυτά μπορούν να δημιουργηθούν και να εναποτεθούν σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες ώστε να είναι συμβατά με τη σύγχρονη κατασκευή επεξεργαστών υπολογιστών. Το έργο τους θα μπορούσε να βοηθήσει να γίνουν τα μελλοντικά ηλεκτρονικά συστήματα πιο ισχυρά και πιο ενεργειακά αποδοτικά.
«Σπάμε ένα θεμελιώδες εμπόδιο των παραδοσιακών υλικών όπως ο χαλκός», δήλωσε ο Asir Intisar Khan, πρώτος συγγραφέας της εργασίας. «Οι αγωγοί μας από φωσφίδιο του νιόβιου δείχνουν ότι είναι δυνατόν να στέλνουμε ταχύτερα, πιο αποτελεσματικά σήματα μέσω υπερλεπτών καλωδίων. Αυτό θα μπορούσε να βελτιώσει την ενεργειακή απόδοση των μελλοντικών chips, και ακόμη και τα μικρά κέρδη αθροίζονται όταν χρησιμοποιούνται πολλά chips, όπως στα τεράστια κέντρα δεδομένων που αποθηκεύουν και επεξεργάζονται πληροφορίες σήμερα».
Το φωσφίδιο του νιοβίου είναι αυτό που οι ερευνητές αποκαλούν τοπολογικό ημιμέταλλο, το οποίο σημαίνει ότι ολόκληρο το υλικό μπορεί να άγει τον ηλεκτρισμό, αλλά οι εξωτερικές του επιφάνειες είναι πιο αγώγιμες από τις εσωτερικές. Καθώς ένα φιλμ φωσφιδίου του νιοβίου γίνεται λεπτότερο, η μεσαία περιοχή συρρικνώνεται αλλά οι επιφάνειές του παραμένουν ίδιες, επιτρέποντας σε αυτές να συνεισφέρουν μεγαλύτερο μερίδιο στη ροή του ηλεκτρισμού και το υλικό στο σύνολό του να γίνει καλύτερος αγωγός. Τα παραδοσιακά μέταλλα, όπως ο χαλκός, από την άλλη πλευρά, γίνονται χειρότερα στην αγωγιμότητα του ηλεκτρισμού μόλις γίνουν λεπτότερα από περίπου 50 νανόμετρα.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το φωσφίδιο του νιόβιου έγινε καλύτερος αγωγός από τον χαλκό σε πάχος υμενίου κάτω από 5 νανόμετρα, ακόμη και όταν λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου. Σε αυτό το μέγεθος, τα χάλκινα καλώδια δυσκολεύονται να συμβαδίσουν με τα γρήγορα ηλεκτρικά σήματα και χάνουν πολύ περισσότερη ενέργεια σε θερμότητα.
«Τα ηλεκτρονικά συστήματα πραγματικά υψηλής πυκνότητας χρειάζονται πολύ λεπτές μεταλλικές συνδέσεις, και αν αυτά τα μέταλλα δεν είναι καλά αγώγιμα, χάνουν πολλή ενέργεια και ισχύ», δήλωσε ο Eric Pop, κύριος συγγραφέας της εργασίας. «Τα καλύτερα υλικά θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να ξοδεύουμε λιγότερη ενέργεια στα μικρά καλώδια και περισσότερη ενέργεια στην πραγματικότητα για να κάνουμε υπολογισμούς».
Πολλοί ερευνητές εργάζονται για να βρουν καλύτερους αγωγούς για ηλεκτρονικά συστήματα σε νανοκλίμακα, αλλά μέχρι στιγμής οι καλύτεροι υποψήφιοι έχουν εξαιρετικά ακριβείς κρυσταλλικές δομές, οι οποίες πρέπει να σχηματίζονται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Τα υμένια φωσφιδίου του νιόβιου που κατασκευάστηκαν από τον Khan και τους συναδέλφους του είναι τα πρώτα παραδείγματα μη κρυσταλλικών υλικών που γίνονται καλύτεροι αγωγοί όσο λεπταίνουν.
«Έχει θεωρηθεί ότι αν θέλουμε να αξιοποιήσουμε αυτές τις τοπολογικές επιφάνειες, χρειαζόμαστε ωραία μονοκρυσταλλικά υμένια που είναι πολύ δύσκολο να εναποτεθούν», δήλωσε ο Akash Ramdas, διδακτορικός φοιτητής στο Stanford και συν-συγγραφέας της εργασίας. «Τώρα έχουμε μια άλλη κατηγορία υλικών – αυτά τα τοπολογικά ημιμέταλλα – που θα μπορούσαν ενδεχομένως να λειτουργήσουν ως ένας τρόπος για τη μείωση της χρήσης ενέργειας στα ηλεκτρονικά».
Επειδή τα υμένια φωσφιδίου του νιόβιου δεν χρειάζεται να είναι μονοκρύσταλλοι, μπορούν να δημιουργηθούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Οι ερευνητές εναπόθεσαν τα υμένια στους 400 βαθμούς Κελσίου, μια θερμοκρασία αρκετά χαμηλή ώστε να αποφευχθεί η βλάβη ή η καταστροφή των υφιστάμενων chips υπολογιστών πυριτίου.
«Αν πρέπει να φτιάξετε τέλεια κρυσταλλικά σύρματα, αυτό δεν πρόκειται να λειτουργήσει για τη νανοηλεκτρονική», δήλωσε ο Yuri Suzuki, καθηγητής Stanley G. Wojcicki στη Σχολή Ανθρωπιστικών Επιστημών και Επιστημών, καθηγητής εφαρμοσμένης φυσικής και συν-συγγραφέας της δημοσίευσης. «Αλλά αν μπορείτε να τα κάνετε άμορφα ή ελαφρώς άτακτα και εξακολουθούν να σας δίνουν τις ιδιότητες που χρειάζεστε, αυτό ανοίγει την πόρτα σε πιθανές εφαρμογές στον πραγματικό κόσμο».
Αν και τα υμένια φωσφιδίου του νιοβίου αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη αρχή, ο Pop και οι συνάδελφοί του δεν αναμένουν ότι θα αντικαταστήσουν ξαφνικά το χαλκό σε όλα τα chips υπολογιστών – ο χαλκός εξακολουθεί να είναι καλύτερος αγωγός σε παχύτερα υμένια και καλώδια. Αλλά το φωσφίδιο του νιόβιου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τις πιο λεπτές συνδέσεις και ανοίγει το δρόμο για την έρευνα σε αγωγούς από άλλα τοπολογικά ημιμέταλλα. Οι ερευνητές εξετάζουν ήδη παρόμοια υλικά για να δουν αν μπορούν να βελτιώσουν τις επιδόσεις του φωσφιδίου του νιόβιου.
«Για να υιοθετηθεί αυτή η κατηγορία υλικών στα μελλοντικά ηλεκτρονικά, πρέπει να γίνουν ακόμη καλύτεροι αγωγοί», δήλωσε ο Xiangjin Wu, διδακτορικός φοιτητής στο Stanford και συν-συγγραφέας της εργασίας. «Για το σκοπό αυτό, διερευνούμε εναλλακτικά τοπολογικά ημιμέταλλα».
Ο Pop και η ομάδα του εργάζονται επίσης για να μετατρέψουν τα υμένια φωσφιδίου του νιοβίου τους σε στενά σύρματα για πρόσθετες δοκιμές. Θέλουν να προσδιορίσουν πόσο αξιόπιστο και αποτελεσματικό θα μπορούσε να είναι το υλικό σε πραγματικές εφαρμογές.
«Πήραμε κάποια πολύ καλή Φυσική και τη μεταφέραμε στον κόσμο της Εφαρμοσμένης Ηλεκτρονικής», δήλωσε ο Pop. «Αυτού του είδους η επανάσταση στα μη κρυσταλλικά υλικά θα μπορούσε να βοηθήσει στην αντιμετώπιση των προκλήσεων ισχύος και ενέργειας τόσο στα σημερινά όσο και στα μελλοντικά ηλεκτρονικά συστήματα».
[via]
