W toku badań wyszło na jaw, że nanodruty z arsenku niobu (NbAs) nie tylko zachowują wysoką przewodność elektryczną po zmniejszeniu do rozmiarów nanometrowych, ale dodatkowo przewodzą prąd lepiej, gdy stają się cieńsze. Jak to w ogóle możliwe?
Czytaj też: NASA bawi się na orbicie na całego. Naukowcy tworzą tam piąty stan skupienia materii
Połączenia elektryczne, nazywane interkonektami, odpowiadają za przesyłanie sygnałów pomiędzy miliardami tranzystorów znajdujących się we współczesnych układach scalonych. Choć same tranzystory są coraz mniejsze i bardziej wydajne, miniaturyzacja przewodzących ścieżek zaczyna stanowić poważne wyzwanie. W przypadku miedzi zmniejszenie średnicy przewodników powoduje wzrost oporu elektrycznego, ponieważ elektrony coraz częściej zderzają się z powierzchnią materiału, tracąc energię i spowalniając przepływ prądu.
Zespół kierowany przez Judy Cha postawił na zupełnie inne rozwiązanie. Badacze wykorzystali arsenek niobu, należący do grupy półmetali topologicznych. Materiały tego typu wyróżniają się obecnością elektronów przemieszczających się zarówno wewnątrz struktury, jak i po jej powierzchni. Właśnie te elektrony powierzchniowe poruszają się wyjątkowo szybko i są znacznie mniej podatne na rozpraszanie, dzięki czemu materiał zachowuje doskonałe właściwości przewodzące nawet przy bardzo małych wymiarach.
Jak podkreślają autorzy badań, im mniejszy staje się nanodrut z arsenku niobu, tym większy wpływ mają korzystne właściwości powierzchniowe, co prowadzi do poprawy przewodności elektrycznej. Jest to odwrotność zachowania miedzi, która wraz z miniaturyzacją stopniowo traci swoje zalety.
Sukces zapewne w ogóle nie miałby miejsca, gdyby nie opracowanie nowej metody produkcji nanodrutów. Naukowcy zastosowali technikę nanomodelowania termomechanicznego, polegającą na wtłaczaniu materiału do porowatej formy z tlenku glinu w wysokiej temperaturze. Po usunięciu formy powstają wysokiej jakości monokrystaliczne nanodruty o precyzyjnie kontrolowanej średnicy sięgającej około 10 nanometrów. Według członków zespołu metoda przypomina wyciskanie makaronu przez matrycę o odpowiednim kształcie, a jednocześnie pozwala znacznie szybciej testować nowe materiały niż dotychczas stosowane techniki.
Czytaj też: Termika wchodzi w erę logiki. Materiał zaczął kierować ciepłem
Arsenek niobu sprawdził się fenomenalnie, ponieważ z jednej strony okazał się bardzo dobrym przewodnikiem, a z drugiej – materiałem wyjątkowo stabilnym. W przeciwieństwie do wielu innych materiałów kwantowych zachowuje swoje właściwości w temperaturze pokojowej i nie wymaga ekstremalnie niskich temperatur ani idealnych warunków laboratoryjnych, aby wykazywać pożądane efekty. Sam arsenek niobu prawdopodobnie nie trafi jednak bezpośrednio do komercyjnych układów scalonych, ponieważ związki arsenu są toksyczne. Odkrycie ma przede wszystkim charakter demonstracyjny i pokazuje, że półmetale topologiczne mogą stać się realną alternatywą dla miedzi w przyszłych generacjach mikroprocesorów.
Źródło: Science
