Ultra ince iletken, daha enerji verimli nanoelektronik için bakırı geride bırakıyor

[™ Admin]

Ultra ince iletken, daha enerji verimli nanoelektronik için bakırı geride bırakıyor

Bilgisayar çipleri küçülmeye ve daha karmaşık hale gelmeye devam ettikçe, bu çipler içinde elektrik sinyalleri taşıyan ultra ince metalik teller zayıf bir halka haline geldi. Standart metal teller inceldikçe elektriği iletmede daha da kötüleşiyor ve sonuçta nano ölçekli elektroniklerin boyutunu, verimliliğini ve performansını sınırlıyor.

Stanford araştırmacıları, Science dergisinde yayınlanan bir makalede, niyobyum fosfitin sadece birkaç atom kalınlığındaki filmlerde bakırdan daha iyi elektrik iletebileceğini gösteriyor. Dahası, bu filmler modern bilgisayar çipi üretimiyle uyumlu olacak kadar düşük sıcaklıklarda oluşturulabilir ve biriktirilebilir. Çalışmaları, gelecekteki elektroniklerin daha güçlü ve daha enerji verimli olmasına yardımcı olabilir.

Stanford'dan doktora derecesi alan ve şu anda konuk doktora sonrası araştırmacı ve makalenin ilk yazarı olan Asir Intisar Khan, "Bakır gibi geleneksel malzemelerin temel darboğazını kırıyoruz" dedi.

"Niyobyum fosfit iletkenlerimiz, ultra ince teller aracılığıyla daha hızlı, daha verimli sinyaller göndermenin mümkün olduğunu gösteriyor. Bu, gelecekteki yongaların enerji verimliliğini artırabilir ve günümüzde bilgileri depolayan ve işleyen devasa veri merkezlerinde olduğu gibi birçok yonga kullanıldığında küçük kazanımlar bile birikebilir."

Yeni bir iletken sınıfı

Niyobyum fosfit, araştırmacıların topolojik bir yarı metal olarak adlandırdığı şeydir; bu, tüm malzemenin elektriği iletebileceği ancak dış yüzeylerinin ortadakinden daha iletken olduğu anlamına gelir. Bir niyobyum fosfit filmi inceldikçe, orta bölge küçülür ancak yüzeyleri aynı kalır ve yüzeylerin elektrik akışına daha büyük bir pay katmasına ve malzemenin bir bütün olarak daha iyi bir iletken olmasına olanak tanır. Öte yandan bakır gibi geleneksel metaller, yaklaşık 50 nanometreden daha ince olduklarında elektriği iletmede daha kötü hale gelirler.

Araştırmacılar, niyobyum fosfitin, oda sıcaklığında çalışırken bile 5 nanometrenin altındaki film kalınlıklarında bakırdan daha iyi bir iletken haline geldiğini buldular. Bu boyutta, bakır teller hızlı elektrik sinyallerine ayak uydurmakta zorlanır ve ısıya çok daha fazla enerji kaybeder.

Mühendislik Fakültesi'ndeki Pease-Ye Profesörü, elektrik mühendisliği profesörü ve makalenin kıdemli yazarı Eric Pop, "Gerçekten yüksek yoğunluklu elektroniklerin çok ince metal bağlantılarına ihtiyacı vardır ve bu metaller iyi iletken değilse, çok fazla güç ve enerji kaybederler" dedi. "Daha iyi malzemeler, küçük tellerde daha az enerji harcamamıza ve hesaplama yaparken daha fazla enerji harcamamıza yardımcı olabilir."

Birçok araştırmacı nano ölçekli elektronikler için daha iyi iletkenler bulmak için çalışıyor, ancak şimdiye kadar en iyi adaylar, çok yüksek sıcaklıklarda oluşturulması gereken son derece hassas kristal yapılara sahipti. Khan ve meslektaşları tarafından yapılan niyobyum fosfit filmleri, inceldikçe daha iyi iletkenler haline gelen kristal olmayan malzemelerin ilk örnekleridir.

"Bu topolojik yüzeylerden yararlanmak istiyorsak, biriktirilmesi gerçekten zor olan güzel tek kristal filmlere ihtiyacımız olduğu düşünülüyor," diyor Stanford'da doktora öğrencisi ve makalenin ortak yazarı olan Akash Ramdas. "Şimdi, potansiyel olarak elektronikte enerji kullanımını azaltmanın bir yolu olarak hareket edebilecek başka bir malzeme sınıfımız var - bu topolojik yarı metaller."

Niyobyum fosfit filmlerinin tek kristal olması gerekmediği için daha düşük sıcaklıklarda oluşturulabilirler. Araştırmacılar filmleri, mevcut silikon bilgisayar çiplerine zarar vermemek veya onları yok etmemek için yeterince düşük bir sıcaklık olan 400°C'de biriktirdiler.

Beşeri Bilimler ve Fen Bilimleri Fakültesi'nde Stanley G. Wojcicki Profesörü, uygulamalı fizik profesörü ve makalenin ortak yazarı Yuri Suzuki, "Mükemmel kristal teller yapmak zorundaysanız, bu nanoelektronik için işe yaramayacaktır," diyor. "Ancak bunları amorf veya hafif düzensiz hale getirebilirseniz ve yine de ihtiyacınız olan özellikleri sağlarlarsa, bu gerçek dünyadaki olası uygulamalara kapı açar."

Geleceğin nanoelektroniklerini mümkün kılmak

Niyobyum fosfit filmleri umut verici bir başlangıç olsa da, Pop ve meslektaşları bunların aniden tüm bilgisayar çiplerinde bakırın yerini almasını beklemiyorlar; bakır daha kalın filmlerde ve tellerde hala daha iyi bir iletkendir. Ancak niyobyum fosfit en ince bağlantılar için kullanılabilir ve diğer topolojik yarı metallerden yapılmış iletkenler üzerine araştırmaların önünü açar. Araştırmacılar, niyobyum fosfitin performansını iyileştirip iyileştiremeyeceklerini görmek için benzer malzemeleri şimdiden araştırıyorlar.

Stanford'da doktora öğrencisi ve makalenin ortak yazarı olan Xiangjin Wu, "Bu malzeme sınıfının gelecekteki elektroniklerde benimsenmesi için, bunların daha da iyi iletkenler olması gerekiyor," dedi. "Bu amaçla, alternatif topolojik yarı metalleri araştırıyoruz."

Pop ve ekibi ayrıca niyobyum fosfit filmlerini ek testler için dar tellere dönüştürmek için çalışıyor. Malzemenin gerçek dünya uygulamalarında ne kadar güvenilir ve etkili olabileceğini belirlemek istiyorlar.

"Gerçekten harika bir fizik aldık ve bunu uygulamalı elektronik dünyasına taşıdık," dedi Pop. "Kristal olmayan malzemelerdeki bu tür bir atılım, hem mevcut hem de gelecekteki elektroniklerdeki güç ve enerji zorluklarının ele alınmasına yardımcı olabilir."

Kaynak: Phys