來自斯坦福大學(xué)和韓國Ajou大學(xué)的科學(xué)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(xué)中超薄導(dǎo)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(shè)備的發(fā)展。

通常情況下，金屬在變薄時導(dǎo)電性會變差。然而，磷化鈮（NbP）卻與眾不同。美國斯坦福大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，這種非晶態(tài)拓?fù)浒虢饘俚某∧ぜ词乖诜蔷B(tài)下，其導(dǎo)電性也優(yōu)于銅。這一令人驚訝的結(jié)果可能會助力開發(fā)用于納米電子應(yīng)用的超薄低電阻率導(dǎo)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(dǎo)率，可用于納米級電子器件。Khan等人在非晶態(tài)基質(zhì)中生長了非晶態(tài)磷化鈮薄膜（一種作為晶體材料屬于拓?fù)浒虢饘俚牟牧希?。對于厚度?1.5 納米的薄膜，這種材料的導(dǎo)電性是銅的兩倍多。

圖：NbP/Nb 薄膜堆疊結(jié)構(gòu)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(shù)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(jìn)手段對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(yuǎn)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(yīng)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(dǎo)的表面?zhèn)鲗?dǎo)機制。這一成果不僅為超薄低電阻率導(dǎo)線的制備提供了新的材料選擇，還為未來納米電子學(xué)的發(fā)展提供了重要的理論支持。

圖：超薄 NbP/Nb 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

“隨著當(dāng)今電子設(shè)備和芯片變得越來越小、越來越復(fù)雜，用于在這些芯片內(nèi)傳輸電信號的超薄金屬導(dǎo)線在縮小尺寸時可能會成為瓶頸，”研究負(fù)責(zé)人、斯坦福大學(xué)Eric Pop研究小組的訪問博士后學(xué)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(dǎo)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。“低電阻率將導(dǎo)致電壓降和信號延遲降低，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(dǎo)電性就越差。

拓?fù)浒虢饘倥c眾不同。與更知名的拓?fù)浣^緣體類似，后者在邊緣態(tài)導(dǎo)電，而其內(nèi)部保持絕緣，這些材料即使在結(jié)構(gòu)有些無序的情況下，也可以在其表面?zhèn)鲗?dǎo)大量電流。關(guān)鍵在于，即使薄膜被變薄，它們?nèi)阅鼙３诌@種表面導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)的納米電子學(xué)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(jìn)行進(jìn)一步測試?！拔覀冞€認(rèn)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(jié)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