Da Computerchips immer kleiner und komplexer werden, sind die ultradünnen Metalldrähte, die die elektrischen Signale innerhalb dieser Chips übertragen, zu einem schwachen Glied geworden. Standard-Metalldrähte leiten Elektrizität immer schlechter, je dünner sie werden, was letztlich die Größe, Effizienz und Leistung von Elektronik im Nanomaßstab einschränkt.
In einer neuen Arbeit zeigen Stanford-Forscher, dass Niobium in Filmen, die nur wenige Atome dick sind, Strom besser leiten kann als Kupfer. Darüber hinaus können diese Filme bei ausreichend niedrigen Temperaturen hergestellt und abgeschieden werden, um mit der Herstellung moderner Computerchips kompatibel zu sein. Ihre Arbeit könnte dazu beitragen, die Elektronik der Zukunft leistungsfähiger und energieeffizienter zu machen.
„Wir durchbrechen einen grundlegenden Engpass herkömmlicher Materialien wie Kupfer“, sagte Asir Intisar Khan, der in Stanford promoviert hat und jetzt als Postdoktorand und Erstautor an der Arbeit beteiligt ist. „Unsere Niobium-Leiter zeigen, dass es möglich ist, schnellere und effizientere Signale durch ultradünne Drähte zu senden. Dies könnte die Energieeffizienz zukünftiger Chips verbessern, und selbst kleine Gewinne summieren sich, wenn viele Chips verwendet werden, wie in den riesigen Datenzentren, die heute Informationen speichern und verarbeiten.“
Eine neue Klasse von Leitern
Niobium wird von den Forschern als topologisches Halbmetall bezeichnet, was bedeutet, dass das gesamte Material Elektrizität leiten kann, die Außenflächen jedoch leitfähiger sind als die Mitte. Wenn eine Schicht aus Niobium dünner wird, schrumpft der mittlere Bereich, aber die Oberflächen bleiben gleich, so dass die Oberflächen einen größeren Anteil am Stromfluss haben und das Material als Ganzes ein besserer Leiter wird. Herkömmliche Metalle wie Kupfer hingegen leiten Strom schlechter, sobald sie dünner als etwa 50 nm sind.
Die Forscher fanden heraus, dass Niobium bei einer Schichtdicke von weniger als 5 nm ein besserer Leiter als Kupfer ist, selbst wenn es bei Raumtemperatur betrieben wird. Bei dieser Größe haben Kupferdrähte Schwierigkeiten, mit den schnellen elektrischen Signalen Schritt zu halten, und verlieren viel mehr Energie durch Wärme.
„Elektronik mit wirklich hoher Dichte benötigt sehr dünne Metallverbindungen, und wenn diese Metalle nicht gut leiten, geht viel Leistung und Energie verloren“, so Eric Pop, Pease-Ye-Professor an der School of Engineering, Professor für Elektrotechnik und Hauptautor der Studie. „Bessere Materialien könnten uns dabei helfen, weniger Energie in kleinen Drähten zu verbrauchen und mehr Energie für die eigentlichen Berechnungen zu verwenden.
Topologische Halbmetalle als effiziente Alternative
Viele Forscher haben nach besseren Leitern für die Elektronik im Nanomaßstab gesucht, aber bisher hatten die besten Kandidaten extrem präzise kristalline Strukturen, die bei sehr hohen Temperaturen gebildet werden müssen. Die von Khan und seinen Kollegen hergestellten Niobium-Filme sind die ersten Beispiele für nicht kristalline Materialien, die immer besser leiten, je dünner sie werden.
„Bisher dachte man, dass wir für die Nutzung dieser topologischen Oberflächen schöne einkristalline Schichten benötigen, die sehr schwer abzuscheiden sind“, so Akash Ramdas, Doktorand in Stanford und Mitautor der Arbeit. „Jetzt haben wir eine weitere Klasse von Materialien – diese topologischen Halbmetalle – die möglicherweise dazu beitragen könnten, den Energieverbrauch in der Elektronik zu senken.
Da die Niobiumfilme keine Einkristalle sein müssen, können sie bei niedrigeren Temperaturen hergestellt werden. Die Forscher haben die Filme bei 400 °C abgeschieden, einer Temperatur, die niedrig genug ist, um bestehende Silizium-Computerchips nicht zu beschädigen oder zu zerstören. „Wenn man perfekte kristalline Drähte herstellen muss, wird das für die Nanoelektronik nicht funktionieren“, sagte Yuri Suzuki, Stanley G. Wojcicki Professor an der Fakultät für Geistes- und Naturwissenschaften, Professor für angewandte Physik und Mitautor der Studie. „Aber wenn man sie amorph oder leicht ungeordnet machen kann und sie trotzdem die gewünschten Eigenschaften aufweisen, öffnet das die Tür zu potenziellen realen Anwendungen.
Zukünftige Nanoelektronik ermöglichen
Obwohl Niobiumfilme ein vielversprechender Anfang sind, erwarten Pop und seine Kollegen nicht, dass sie plötzlich Kupfer in allen Computerchips ersetzen werden – Kupfer ist in dickeren Filmen und Drähten immer noch ein besserer Leiter. Aber Niobium könnte für sehr dünne Verbindungen verwendet werden, und es ebnet den Weg für die Erforschung von Leitern aus anderen topologischen Halbmetallen. Die Forscher untersuchen bereits ähnliche Materialien, um zu sehen, ob sie die Leistung von Niobium verbessern können.
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„Damit diese Materialklasse in der zukünftigen Elektronik eingesetzt werden kann, müssen sie noch besser leiten“, sagt Xiangjin Wu, Doktorand in Stanford und Mitautor der Arbeit. „Zu diesem Zweck erforschen wir alternative topologische Halbmetalle“.
Pop und sein Team arbeiten auch daran, ihre Niobiumfilme für weitere Tests in schmale Drähte zu verwandeln. Sie wollen herausfinden, wie zuverlässig und effektiv das Material in realen Anwendungen sein könnte. „Wir haben eine wirklich coole Physik in die Welt der angewandten Elektronik portiert“, so Pop. „Diese Art von Durchbruch bei nichtkristallinen Materialien könnte dazu beitragen, die Herausforderungen im Bereich Leistung und Energie in der heutigen und zukünftigen Elektronik zu bewältigen.
