Nanodrátky z arsenidu niobu jsou tím vodivější, čím jsou tenčí, ukázala studie Cornellu

Propojky, tenké vodivé cestičky, které v čipu spojují miliardy tranzistorů, se dnes vyrábějí z mědi kvůli její vysoké vodivosti. S dalším zmenšováním tranzistorů se ale musí zmenšovat i ony – a právě tehdy měď selhává. Tým z Cornellovy univerzity teď popsal materiál, který dělá přesný opak: se zmenšováním se stává vodivějším. Práce vyšla 16. července v časopise Science.

Proč měď v tenkých drátech ztrácí vodivost

Za vodivostí mědi stojí volný pohyb elektronů mezi srážkami s atomy mřížky. Tahle vzdálenost, takzvaná střední volná dráha, je u mědi kolem 40 nanometrů. Jakmile se drát zúží pod tuto hranici, elektrony začnou narážet i na jeho povrch, srážek přibude a vodivost prudce klesne. Inženýři proto zkoušejí i jiné kovy: kobalt má střední volnou dráhu kolem 10 nanometrů, ruthenium kolem 6 nanometrů, takže propojky z nich můžou být tenčí než měděné, než narazí na tentýž problém.

Elektrony, které tečou po povrchu

Cornellský tým vedený profesorkou materiálového inženýrství Judy Chaovou se místo toho posledních sedm let věnuje topologickým materiálům. Jde o látky, jejichž vodivé vlastnosti vyplývají z topologie jejich elektronové struktury – zjednodušeně řečeno mají kromě běžných elektronů uvnitř objemu materiálu i elektrony tekoucí po povrchu, které se hůř rozptylují. „Elektrony, které tečou po povrchu materiálu, se pohybují opravdu rychle a tak snadno se nerozptylují. To je důvod, proč měď trpí, protože měď má elektrony jenom v objemu,“ popsala Chaová v tiskové zprávě Cornell Chronicle. Konkrétní zkoumanou látkou je arsenid niobu, takzvaný Weylův semimetal – materiál vodivý jak v celém objemu, tak na povrchu, kde jeho vodivost nesou kvazičástice odvozené od teoretických Weylových fermionů.

Nanodrátky jako těstoviny

Dosavadní metody výroby nanodrátků – růst z par přes kapku kovu nebo napařování z plynné fáze – podle Chaové neumožňují dost přesně řídit tloušťku a tvar výsledného vlákna. Tým proto použil metodu zvanou termomechanické nanotvarování: materiál se slisuje do objemového polotovaru, ten se za vysoké teploty a tlaku několik hodin protlačuje pórovitou formou z oxidu hlinitého a forma se pak odleptá. „Když v kuchyňském stroji na těstoviny vyměníte přední destičku, uděláte fettuccine nebo vlasové nudle,“ přirovnala Chaová postup pro Cornell Chronicle. „My bereme objemový polotovar jako své těsto a používáme různé formy s různým průměrem pórů.“ Metoda podle ní zvládne řídit průměr drátu až na přibližně 10 nanometrů a je navíc rychlá – dřív skupina zkoumala jeden až dva materiálové systémy ročně, dnes jeden měsíčně.

Sedmdesát procent nižší odpor u čtyřiceti nanometrů

Vědci vyrobili jednokrystalové nanodrátky arsenidu niobu dlouhé 2 až 3 mikrometry a tenké až 40 nanometrů. U 40 nanometrů širokého drátu naměřili při pokojové teplotě odpor asi o 70 % nižší než u objemového monokrystalu téhož materiálu, a podle jejich analýzy za to může právě vodivost na povrchu. Tyhle 40nanometrové dráty už byly vodivější než stejně tlusté dráty z kobaltu nebo ruthenia, na nejmodernější 10nanometrové měděné propojky ale zatím nestačily. Podle výpočtů týmu by je měly předstihnout až dráty arsenidu niobu s průměrem kolem 12 nanometrů – tam by podíl povrchové vodivosti na celkovém vedení proudu měl převážit nad podílem z objemu materiálu. Dráty navíc zůstaly stabilní na vzduchu, snesly vysoký proud bez poškození a měly vysokou tepelnou vodivost, což by propojkám pomohlo se nepřehřívat.

Co brání nasazení v továrně

Chaová sama upozorňuje, že arsenid niobu nejspíš nebude prakticky nahrazovat měď – arsen je toxický. Podle IEEE Spectrum navíc použitá metoda výroby není slučitelná s procesy CMOS ani s běžnou výrobní linkou pro zadní části čipu (tzv. back-end-of-line). Podle Chaové je ale výsledek důkazem principu: topologické semimetaly nejsou jen hračka pro fyziky v laboratoři, ale reálně použitelný materiálový systém. Tým už dřív, v roce 2023, zkoumal příbuznou sloučeninu – monofosfid molybdenu, který byl stabilnější než měď, ale jeho vodivost se s tenčením nezlepšovala. Arsenid niobu je podle autorů první látka, která splňuje obě podmínky najednou. Pozornost průmyslu k tématu potvrzuje i to, že na červnovém sympoziu IEEE/JSAP VLSI v Honolulu představil Samsung výzkum fosfidu molybdenu a IBM výzkum monosilicidu kobaltu – jiných topologických materiálů pro tentýž účel.