Un chip modellato con dispositivi Hall bar di film ultrasottile di fosfuro di niobio.
Sviluppato un materiale ultrasottile che conduce l’elettricità meglio del rame e potrebbe consentire una nanoelettronica più efficiente dal punto di vista energetico
Man mano che i chip dei computer diventano sempre più piccoli e complessi, i fili metallici ultrasottili che trasportano i segnali elettrici al loro interno sono diventati un punto debole. I fili metallici standard peggiorano nella conduzione dell'elettricità man mano che diventano più sottili, limitando in ultima analisi le dimensioni, l'efficienza e le prestazioni dell'elettronica su scala nanometrica. In un articolo pubblicato su Science (1), i ricercatori di Stanford dimostrano che il fosfuro di niobio può condurre l'elettricità meglio del rame in pellicole spesse solo pochi atomi.
Inoltre, queste pellicole possono essere create e depositate a temperature sufficientemente basse da essere compatibili con la fabbricazione di chip per computer moderni. Il loro lavoro potrebbe contribuire a rendere l'elettronica del futuro più potente e più efficiente dal punto di vista energetico.
«Stiamo rompendo un collo di bottiglia fondamentale dei materiali tradizionali come il rame», ha affermato il dottor Asir Intisar Khan (2), che ha conseguito il dottorato a Stanford ed è ora studioso post-dottorato in visita e primo autore dell’articolo. «I nostri conduttori in fosfuro di niobio dimostrano che è possibile inviare segnali più veloci ed efficienti attraverso fili ultrasottili. Ciò potrebbe migliorare l’efficienza energetica dei futuri chip e anche piccoli guadagni si sommano quando vengono utilizzati molti chip, come negli enormi data center che oggi memorizzano ed elaborano le informazioni».
Una nuova classe di direttori d'orchestra
Il fosfuro di niobio è quello che i ricercatori chiamano un semimetallo topologico, il che significa che l'intero materiale può condurre elettricità, ma le sue superfici esterne sono più conduttive della parte centrale. Man mano che una pellicola di fosfuro di niobio si assottiglia, la regione centrale si restringe ma le sue superfici rimangono le stesse, consentendo alle superfici di contribuire in misura maggiore al flusso di elettricità e al materiale nel suo insieme di diventare un conduttore migliore. I metalli tradizionali come il rame, d’altro canto, peggiorano la loro capacità di condurre l’elettricità quando sono più sottili di circa 50 nanometri.
I ricercatori hanno scoperto che il fosfuro di niobio diventa un conduttore migliore del rame con spessori del film inferiori a 5 nanometri, anche quando funziona a temperatura ambiente. A queste dimensioni, i fili di rame faticano a tenere il passo con i segnali elettrici a fuoco rapido e perdono molta più energia per riscaldarsi.
«L'elettronica ad alta densità necessita di connessioni metalliche molto sottili e, se questi metalli non conducono bene, perdono molta potenza ed energia», ha affermato il dottor Eric Pop (3), professore Pease-Ye presso la School of Engineering, professore di ingegneria elettrica e autore senior dell'articolo. «Materiali migliori potrebbero aiutarci a spendere meno energia in piccoli cavi e più energia effettivamente facendo calcoli».
Molti ricercatori hanno lavorato con lo scopo di trovare conduttori migliori per l’elettronica su scala nanometrica, ma finora i migliori candidati avevano strutture cristalline estremamente precise, che devono essere formate a temperature molto elevate. Le pellicole di fosfuro di niobio realizzate da Khan e dai suoi colleghi sono i primi esempi di materiali non cristallini che si trasformano in conduttori migliori man mano che diventano più sottili.
«Si è pensato che se vogliamo sfruttare queste superfici topologiche, abbiamo bisogno di belle pellicole monocristalline che siano davvero difficili da depositare», ha detto Akash Ramdas, studente di dottorato a Stanford e coautore dell'articolo. «Ora disponiamo di un’altra classe di materiali – questi semimetalli topologici – che potrebbero potenzialmente agire come un modo per ridurre il consumo di energia nell’elettronica».
Poiché non è necessario che i film di fosfuro di niobio siano monocristallini, possono essere creati a temperature più basse. I ricercatori hanno depositato le pellicole a 400 gradi Celsius, una temperatura sufficientemente bassa da evitare di danneggiare o distruggere i chip di computer in silicio esistenti.
«Se devi realizzare fili cristallini perfetti, non funzionerà per la nanoelettronica», ha detto la dottoressa Yuri Suzuki (4), professoressa Stanley G. Wojcicki presso la School of Humanities and Sciences; professoressa di fisica applicata e coautrice dell'articolo. «Ma se riesci a renderli amorfi o leggermente disordinati e ti danno comunque le proprietà di cui hai bisogno, questo apre le porte a potenziali applicazioni nel mondo reale».
Abilitare la futura nanoelettronica
Anche se le pellicole di fosfuro di niobio rappresentano un inizio promettente, Pop e i suoi colleghi non si aspettano che sostituiscano improvvisamente il rame in tutti i chip dei computer: il rame è ancora un conduttore migliore nelle pellicole e nei fili più spessi. Ma il fosfuro di niobio potrebbe essere utilizzato per le connessioni più sottili e apre la strada alla ricerca su conduttori costituiti da altri semimetalli topologici. I ricercatori stanno già esaminando materiali simili per vedere se possono migliorare le prestazioni del fosfuro di niobio.
«Affinché questa classe di materiali possa essere adottata nell'elettronica del futuro, abbiamo bisogno che siano conduttori ancora migliori», ha affermato Xiangjin Wu, dottorando a Stanford e coautore dell'articolo. «A tal fine, stiamo esplorando semimetalli topologici alternativi».
Il professor Eric Pop e il suo team stanno anche lavorando per trasformare le loro pellicole di fosfuro di niobio in fili stretti per ulteriori test. Vogliono determinare quanto affidabile ed efficace potrebbe essere il materiale nelle applicazioni del mondo reale.
«Abbiamo preso della fisica davvero interessante e l'abbiamo portata nel mondo dell'elettronica applicata», ha detto Pop. «Questo tipo di innovazione nei materiali non cristallini potrebbe aiutare ad affrontare le sfide energetiche nell’elettronica attuale e futura».
Pop è anche professore, per gentile concessione, di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la Scuola di Ingegneria e di Fisica applicata presso la Scuola di Lettere e Scienze. È co-direttore della facoltà di Stanford SystemX e membro senior del Precourt Institute for Energy. Yuri Suzuki è anche professore, per gentile concessione, di scienza e ingegneria dei materiali presso la School of Engineering ed è il direttore della Stanford Nano Shared Facilities e membro della Stanford Bio-X. Altri coautori di questa ricerca a Stanford sono Krishna Saraswat, il professore Ricky/Nielsen della Facoltà di Ingegneria; Felipe H. da Jornada, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali; e la studentessa laureata Emily Lindgren. Altri coautori di questo lavoro provengono dalla Ajou University, dal Korea Electronics Technology Institute e dall'IBM T.J. Centro di ricerca Watson. Questo lavoro è stato finanziato dalla National Science Foundation, dal Precourt Institute for Energy, dalla SystemX Alliance, dalla Stanford Graduate Fellowship e dalla National Research Foundation of Korea.
Riferimenti:
(1) Surface conduction and reduced electrical resistivity in ultrathin noncrystalline NbP semimetal
(3) Eric Pop
(4) Yuri Suzuki
Descrizione foto: Un chip modellato con dispositivi Hall bar di film ultrasottile di fosfuro di niobio. - Credit: Asir Khan / Eric Pop.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: A new ultrathin conductor for nanoelectronics