Για σχεδόν δύο αιώνες, ο χαλκός ήταν το πρότυπο για την ηλεκτρική αγωγιμότητα, που χρησιμοποιείται στις καλωδιώσεις, τη μικροηλεκτρονική και την πληροφορική, αλλά καθώς οι ηλεκτρονικές συσκευές γίνονται φορητοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας, είναι σαφές ότι ο χαλκός φτάνει στα φυσικά του όρια.
Για το σκοπό αυτό, πρόσφατη έρευνα στο Πανεπιστήμιο του Stanford έδειξε ότι το φωσφίδιο του νιοβίου μπορεί να ξεπεράσει το χαλκό σε εξαιρετικά λεπτά υμένια, καθιστώντας το έναν πολλά υποσχόμενο υποψήφιο για ηλεκτρονικά συστήματα νανοκλίμακας.
Οι ερευνητές διερευνούν τα ημιμέταλλα ως πιθανή εναλλακτική λύση, επειδή τα υλικά αυτά διαθέτουν μοναδικές ηλεκτρονικές ιδιότητες που θα μπορούσαν να ενισχύσουν την αποδοτικότητα, να ελαχιστοποιήσουν τις απώλειες ενέργειας και να βελτιώσουν τις επιδόσεις στην τεχνολογία επόμενης γενιάς.
Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά μέταλλα, τα ημιμέταλλα, όπως το φωσφίδιο του νιοβίου, παρουσιάζουν χαρακτηριστικές δομές ζωνών και τοπολογικές ιδιότητες, επιτρέποντας τη βελτιωμένη μεταφορά ηλεκτρονίων.
Τα λεπτά υμένια φωσφιδίου του νιοβίου (NbP) παρουσιάζουν πολύ χαμηλότερη ειδική αντίσταση από τον χαλκό σε κλίμακα νανομέτρων. Καθώς το πάχος του υμενίου μειώνεται, η ειδική αντίσταση του NbP μειώνεται επίσης, φθάνοντας μόλις στο ένα έκτο της ειδικής αντίστασης του χαλκού σε παρόμοιο πάχος.
Στα περίπου 1.5 νανόμετρα, το NbP έχει ειδική αντίσταση περίπου 34 microohm-cm σε θερμοκρασία δωματίου, ξεπερνώντας σημαντικά την ειδική αντίσταση του χαλκού που είναι περίπου 100 microohm-cm σε παρόμοιες κλίμακες.
«Τα καλύτερα υλικά θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να ξοδεύουμε λιγότερη ενέργεια σε μικρά καλώδια και περισσότερη ενέργεια για να κάνουμε πραγματικά υπολογισμούς», δήλωσε ο Eric Pop, καθηγητής στη Σχολή Μηχανικών του Stanford.
Το πρόβλημα με τον χαλκό είναι ότι γίνεται λιγότερο αποτελεσματικός όσο λεπταίνει, ιδιαίτερα κάτω από τα 50 νανόμετρα, και δυσκολεύεται να διαχειριστεί γρήγορα ηλεκτρικά σήματα, με αποτέλεσμα να χάνει ενέργεια ως θερμότητα, ωστόσο η ομάδα του Stanford ανακάλυψε ότι το NbP, ακόμη και με πάχος μόλις πέντε νανόμετρα, άγει τον ηλεκτρισμό πιο αποτελεσματικά από τον χαλκό λόγω της τοπολογικής του φύσης, όπου η εξωτερική επιφάνεια του υλικού είναι πιο αγώγιμη από τον πυρήνα του.
«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», δήλωσε ο Akash Ramdas, διδακτορικός ερευνητής που συμμετείχε στη μελέτη.
Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα του φωσφιδίου του νιόβιου είναι η συμβατότητά του με τις υπάρχουσες τεχνολογίες ημιαγωγών, καθώς μπορεί να εναποτεθεί σε θερμοκρασία μόλις 400°C, μια θερμοκρασία αρκετά χαμηλή ώστε να μην καταστρέφει τα chips πυριτίου. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσε να ενσωματωθεί στις τρέχουσες διαδικασίες παραγωγής χωρίς να απαιτούνται ακριβοί επανασχεδιασμοί.
Η ομάδα του Stanford διερευνά τώρα άλλα τοπολογικά ημιμέταλλα που θα μπορούσαν να βελτιώσουν περαιτέρω την απόδοση και την αποδοτικότητα.
«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», εξήγησε ο Pop.
Ωστόσο, υπάρχουν προκλήσεις για να γίνει το NbP ένα βιώσιμο εμπορικό υλικό, όπως η διατήρηση των σωστών ανοχών στρώματος κατά τη διάρκεια της παραγωγής, καθώς οι διακυμάνσεις στο πάχος του αρχικού στρώματος Nb μπορούν να επηρεάσουν την ειδική αντίσταση και την ποιότητα του τελικού υμενίου NbP.
Καθώς αυξάνεται η ζήτηση για μικρότερες, ταχύτερες και πιο ενεργειακά αποδοτικές συσκευές, τα ημιμεταλλικά θα μπορούσαν να διαδραματίσουν κρίσιμο ρόλο στη διαμόρφωση του μέλλοντος της μικροηλεκτρονικής. Αν η έρευνα συνεχίσει να προχωρά, οι ημιμεταλλικοί αγωγοί πάχους νανομέτρων μπορεί σύντομα να αντικαταστήσουν το χαλκό στους υπολογιστές υψηλών επιδόσεων, θέτοντας ένα νέο πρότυπο για την ηλεκτρική αγωγιμότητα.
[via]
