Шест пъти по-ефективни от медта: полуметалите се превръщат в следващия технологичен пробив

Ниобиевият фосфид може да замени медта, осигурявайки по-добра производителност в електрониката.

В продължение на почти два века медта е основният проводник в електрониката – от кабели и микрочипове до компютърни системи. С развитието на преносимите устройства, които се превръщат в пълноценни енергийни центрове, става ясно, че медта е достигнала физическите си предели.

Изследователи от Станфорд са открили алтернатива – ниобиев фосфид (NbP), който се оказва много по-ефективен от медта в ултратънките слоеве. Това откритие може да промени подхода към създаването на наноразмерна електроника.

Учените все по-често се обръщат към полуметалите – специален клас материали с необичайни електронни свойства. Те могат да повишат ефективността на устройствата, да намалят загубите на енергия и да подобрят работата на технологиите от следващо поколение. За разлика от конвенционалните метали, полуметалите като ниобиевия фосфид имат уникална електронна структура. Това позволява на електроните да се движат свободно, особено в среди, в които традиционните проводници започват да се провалят.

Проучванията показват, че в свръхтънък формат (по-малко от два нанометра) ниобиевият фосфид провежда електричеството шест пъти по-добре от медта. При дебелина от около 1,5 нанометра съпротивлението му е около 34 микроома на сантиметър спрямо около 100 за медта. Важното е, че ефективността на NbP се увеличава с намаляването на дебелината му, докато при медта е обратното: колкото по-тънка е тя, толкова по-лоша е нейната ефективност.

„По-добрите материали позволяват да се изразходва по-малко енергия за окабеляване и повече за самата изчислителна задача“, обяснява професорът от Станфорд Ерик Поп.

Според него медта започва да изпитва сериозни проблеми още при дебелини под 50 нанометра – тя не се справя добре с бързите електрически сигнали, като губи енергия под формата на топлина. NbP, от друга страна, остава ефективен дори при слой от пет нанометра благодарение на топологичните си свойства – повърхността на материала провежда ток по-добре от вътрешните му слоеве.

Докторантът Акаш Рамдас, един от авторите на статията, добавя:

„Сега разполагаме с цял клас нови материали – топологични полуметали – които могат да помогнат за намаляване на консумацията на енергия в електрониката.“

Ключово предимство на ниобиевия фосфид е неговата съвместимост с настоящите технологии. Той може да се нанася при температури от 400 °C – достатъчно, за да се образува слой, но не достатъчно, за да се повредят силициевите чипове. Това означава, че въвеждането му в производствените процеси няма да изисква пълно препроектиране на оборудването.

Екипът от Станфорд вече проучва други топологични полуметали, които биха могли да подобрят още повече производителността и ефективността. Според Поп подобни пробиви в областта на некристалните материали ще помогнат да се отговори на енергийните предизвикателства в настоящата и бъдещата електроника.

За постигането на комерсиално приложение обаче все още има технически предизвикателства, които трябва да бъдат преодолени, като например прецизното контролиране на дебелината на първоначалния ниобиев слой. Всяко отклонение може да компрометира проводимостта и качеството на крайния материал.

Но тенденцията е ясна: тъй като устройствата стават все по-малки, по-бързи и по-енергийно ефективни, материалите като ниобиевия фосфид могат да се превърнат в новия стандарт. И в близко бъдеще те, а не медта, ще определят правилата на играта в областта на високопроизводителните компютри.