В шесть раз эффективнее меди: полуметаллы становятся следующим технологическим прорывом
NewsMakerФосфид ниобия может заменить медь, обеспечивая лучшую производительность в электронике.
Почти два столетия медь была главным проводником в электронике — от кабелей и микросхем до компьютерных систем. Однако с развитием портативных устройств, которые становятся полноценными энергетическими центрами, становится очевидно, что медь достигла своих физических пределов.
Исследователи из Стэнфорда нашли альтернативу — ниобий фосфид (NbP), который оказался гораздо эффективнее меди в ультратонких слоях. Это открытие может изменить подход к созданию наномасштабной электроники.
Учёные всё чаще обращаются к полуметаллам — особому классу материалов, обладающих необычными электронными свойствами. Они могут повысить эффективность устройств, снизить потери энергии и улучшить характеристики технологий следующего поколения. В отличие от привычных металлов, полуметаллы вроде ниобия фосфида обладают уникальной электронной структурой. Это позволяет электронам свободно перемещаться, особенно в условиях, где традиционные проводники начинают давать сбои.
Исследования показали, что в ультратонком формате (менее двух нанометров) ниобий фосфид проводит электричество в шесть раз лучше меди. При толщине около 1,5 нанометра его сопротивление составляет примерно 34 микромикроома-сантиметра против примерно 100 у меди. Что особенно важно — эффективность NbP увеличивается по мере уменьшения толщины, тогда как у меди всё наоборот: чем тоньше, тем хуже.
«Лучшие материалы позволяют тратить меньше энергии на проводку и больше — на саму вычислительную задачу», — объясняет профессор Стэнфорда Эрик Поп. По его словам, у меди начинаются серьёзные проблемы уже при толщине ниже 50 нанометров — она плохо справляется с быстрыми электрическими сигналами, теряя энергию в виде тепла. NbP, напротив, остаётся эффективным даже в пятинанометровом слое благодаря своим топологическим свойствам — поверхность материала проводит ток лучше, чем его внутренние слои.
Докторант Акаш Рамдас, один из авторов работы, добавляет: «Теперь у нас есть целый класс материалов — топологических полуметаллов, — которые могут помочь сократить энергопотребление в электронике».
Ключевым преимуществом ниобия фосфида стала его совместимость с текущими технологиями. Он может наноситься при температуре всего 400°C — этого достаточно для формирования слоя, но недостаточно, чтобы повредить кремниевые чипы. А значит, его внедрение в производственные процессы не потребует полной переделки оборудования.
Стэнфордская команда уже изучает другие топологические полуметаллы, которые могут ещё сильнее повысить производительность и эффективность. По словам Попа, подобные прорывы в области не кристаллических материалов помогут справиться с энергетическими вызовами в современной и будущей электронике.
Правда, для коммерческого применения ещё предстоит преодолеть технические сложности, например, точно контролировать толщину исходного слоя ниобия. Любые отклонения могут ухудшить проводимость и качество конечного материала.
Но тренд ясен: по мере того как устройства становятся всё компактнее, быстрее и энергоэффективнее, такие материалы, как ниобий фосфид, могут стать новым стандартом. И в скором будущем именно они — а не медь — будут задавать правила игры в сфере высокопроизводительных вычислений.
Почти два столетия медь была главным проводником в электронике — от кабелей и микросхем до компьютерных систем. Однако с развитием портативных устройств, которые становятся полноценными энергетическими центрами, становится очевидно, что медь достигла своих физических пределов.
Исследователи из Стэнфорда нашли альтернативу — ниобий фосфид (NbP), который оказался гораздо эффективнее меди в ультратонких слоях. Это открытие может изменить подход к созданию наномасштабной электроники.
Учёные всё чаще обращаются к полуметаллам — особому классу материалов, обладающих необычными электронными свойствами. Они могут повысить эффективность устройств, снизить потери энергии и улучшить характеристики технологий следующего поколения. В отличие от привычных металлов, полуметаллы вроде ниобия фосфида обладают уникальной электронной структурой. Это позволяет электронам свободно перемещаться, особенно в условиях, где традиционные проводники начинают давать сбои.
Исследования показали, что в ультратонком формате (менее двух нанометров) ниобий фосфид проводит электричество в шесть раз лучше меди. При толщине около 1,5 нанометра его сопротивление составляет примерно 34 микромикроома-сантиметра против примерно 100 у меди. Что особенно важно — эффективность NbP увеличивается по мере уменьшения толщины, тогда как у меди всё наоборот: чем тоньше, тем хуже.
«Лучшие материалы позволяют тратить меньше энергии на проводку и больше — на саму вычислительную задачу», — объясняет профессор Стэнфорда Эрик Поп. По его словам, у меди начинаются серьёзные проблемы уже при толщине ниже 50 нанометров — она плохо справляется с быстрыми электрическими сигналами, теряя энергию в виде тепла. NbP, напротив, остаётся эффективным даже в пятинанометровом слое благодаря своим топологическим свойствам — поверхность материала проводит ток лучше, чем его внутренние слои.
Докторант Акаш Рамдас, один из авторов работы, добавляет: «Теперь у нас есть целый класс материалов — топологических полуметаллов, — которые могут помочь сократить энергопотребление в электронике».
Ключевым преимуществом ниобия фосфида стала его совместимость с текущими технологиями. Он может наноситься при температуре всего 400°C — этого достаточно для формирования слоя, но недостаточно, чтобы повредить кремниевые чипы. А значит, его внедрение в производственные процессы не потребует полной переделки оборудования.
Стэнфордская команда уже изучает другие топологические полуметаллы, которые могут ещё сильнее повысить производительность и эффективность. По словам Попа, подобные прорывы в области не кристаллических материалов помогут справиться с энергетическими вызовами в современной и будущей электронике.
Правда, для коммерческого применения ещё предстоит преодолеть технические сложности, например, точно контролировать толщину исходного слоя ниобия. Любые отклонения могут ухудшить проводимость и качество конечного материала.
Но тренд ясен: по мере того как устройства становятся всё компактнее, быстрее и энергоэффективнее, такие материалы, как ниобий фосфид, могут стать новым стандартом. И в скором будущем именно они — а не медь — будут задавать правила игры в сфере высокопроизводительных вычислений.