來自斯坦福大學和韓國Ajou大學的科學家們在《Science》雜志上發(fā)表了一項開創(chuàng)性的研究成果。他們發(fā)現(xiàn)了一種新型的非晶態(tài)NbP半金屬薄膜，其電阻率隨著薄膜厚度的減小而顯著降低，這一現(xiàn)象與傳統(tǒng)金屬的電阻率隨厚度減小而增加的趨勢截然相反。這一發(fā)現(xiàn)為解決納米電子學中超薄導線電阻過高這一長期存在的瓶頸問題提供了全新的解決方案，有望推動未來高密度電子設備的發(fā)展。

通常情況下，金屬在變薄時導電性會變差。然而，磷化鈮（NbP）卻與眾不同。美國斯坦福大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，這種非晶態(tài)拓撲半金屬的超薄膜即使在非晶態(tài)下，其導電性也優(yōu)于銅。這一令人驚訝的結果可能會助力開發(fā)用于納米電子應用的超薄低電阻率導線。

非晶態(tài)半金屬磷化鈮作為納米級薄膜具有比塊體材料更大的表面電導率，可用于納米級電子器件。Khan等人在非晶態(tài)基質中生長了非晶態(tài)磷化鈮薄膜（一種作為晶體材料屬于拓撲半金屬的材料）。對于厚度為 1.5 納米的薄膜，這種材料的導電性是銅的兩倍多。

圖：NbP/Nb 薄膜堆疊結構及其室溫電阻率

研究團隊通過在400°C的低溫下采用磁控濺射技術制備了NbP薄膜，并利用高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）等先進手段對其微觀結構進行了表征。他們發(fā)現(xiàn)，當NbP薄膜厚度小于5納米時，其室溫電阻率僅為約34微歐姆·厘米，比相同厚度的傳統(tǒng)金屬（如銅）低約6倍，且遠低于其自身厚膜的電阻率（約60-70微歐姆·厘米）。通過溫度依賴的輸運測量和霍爾效應實驗，研究團隊證實了這種電阻率降低現(xiàn)象主要源于薄膜表面的高載流子密度和良好遷移率所主導的表面?zhèn)鲗C制。這一成果不僅為超薄低電阻率導線的制備提供了新的材料選擇，還為未來納米電子學的發(fā)展提供了重要的理論支持。

圖：超薄 NbP/Nb 異質結構的微觀結構細節(jié)

“隨著當今電子設備和芯片變得越來越小、越來越復雜，用于在這些芯片內(nèi)傳輸電信號的超薄金屬導線在縮小尺寸時可能會成為瓶頸，”研究負責人、斯坦福大學Eric Pop研究小組的訪問博士后學者兼前博士生Asir Intisar Khan解釋說。

他說，解決方案是制造具有更低電阻率的超薄導體，以實現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)和自旋電子器件中密集的邏輯和存儲操作所需的金屬互連?！暗碗娮杪蕦е码妷航岛?a target="_blank">信號延遲降低，最終有助于在系統(tǒng)層面減少功耗，”Khan說。

問題是，傳統(tǒng)金屬在制成薄膜時電阻率會增加。薄膜越薄，其導電性就越差。

拓撲半金屬與眾不同。與更知名的拓撲絕緣體類似，后者在邊緣態(tài)導電，而其內(nèi)部保持絕緣，這些材料即使在結構有些無序的情況下，也可以在其表面?zhèn)鲗Т罅?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/電流/" target="_blank">電流。關鍵在于，即使薄膜被變薄，它們?nèi)阅鼙３诌@種表面導電特性。

在新的研究中，Khan及其同事發(fā)現(xiàn)，磷化鈮（NbP）非晶態(tài)薄膜的有效電阻率隨著薄膜厚度的減小而顯著降低。事實上，最薄的薄膜（<5納米）在室溫下其電阻率低于類似厚度的傳統(tǒng)金屬（如銅）。

圖：NbP薄膜的霍爾測量和載流子密度

另一個優(yōu)勢是，這些薄膜可以在相對較低的溫度（約400°C）下制造并沉積在基底上。這使它們與現(xiàn)代半導體和芯片制造工藝（如工業(yè)后端工藝BEOL）兼容。因此，這種材料相對容易集成到最先進的納米電子學中。薄膜是非晶態(tài)這一事實也是一個重要的實際優(yōu)勢。

研究人員表示，他們現(xiàn)在將繼續(xù)對這種材料進行進一步測試?！拔覀冞€認為磷化鈮并非唯一具有這種特性的材料，因此還有更多的發(fā)現(xiàn)等待我們，”Pop說。

研究結果已發(fā)表在《Science》雜志上。

更多信息： Asir Intisar Khan et al. Surface conduction and reduced electrical resistivity in ultrathin noncrystalline NbP semimetal. Science 387,62-67(2025). DOI:10.1126/science.adq7096