به گزارش ایسنا، محققان در ایالات متحده نانوسیمهایی از «نیوبیوم آرسنید»(niobium arsenide)، یک ماده کوانتومی که میتواند جایگزین مس شود، توسعه دادهاند که با نازکتر شدن، رسانای الکتریکی بهتری میشود.
اتصالات الکتریکی، سیمها و رابطهای کوچکی هستند که سیستمهای الکترونیکی و ترانزیستورها را به هم متصل میکنند و به آنها امکان برقراری ارتباط میدهند. آنها برای عملکرد تراشههای مدرن حیاتی هستند و معمولاً به دلیل رسانایی بالای مس از مس ساخته میشوند.
با این حال، مس با کوچک شدن تراشهها در مقیاس نانو، عملکرد خود را از دست میدهد. این امر مقاومت الکتریکی را افزایش میدهد و کوچکسازی بیشتر را محدود میکند.
محققان دانشگاه کرنل(Cornell) برای حل این مشکل، نانوسیمهای تک کریستالی از جنس «نیوبیوم آرسنید» را که یک ماده کوانتومی توپولوژیکی است، توسعه دادند.
این ماده کوانتومی برخلاف مس با کوچک شدن ابعادش، رسانای الکتریکی بهتری میشود. محققان معتقدند که این امر میتواند عملکرد و بهرهوری انرژی میکروتراشههای آینده را افزایش دهد.
مس به دلیل رسانایی الکتریکی بالا، به طور گسترده برای سیمهای پردازنده میکروسکوپی (اتصالات) استفاده میشود. در واقع، صنعت نیمهرساناها در اواخر دهه 1990 از آلومینیوم به مس تغییر رویه داد و شرکت IBM در سال 1997 در این گذار، پیشگام بود.
این تغییر با کوچکتر شدن ترانزیستورها ضروری شد و امکان قرار دادن ویژگیهای بیشتر روی تراشهها را فراهم کرد، اما در حالی که مس در اندازههای بزرگتر رسانای بسیار خوبی است، عملکرد آن با کوچک شدن این سیمها به مقیاس نانو کاهش مییابد.
این به این دلیل است که با نازکتر شدن سیمهای مسی، الکترونها بیشتر با سطوح آنها برخورد میکنند و مقاومت الکتریکی را افزایش داده و راندمان را کاهش میدهند.
محققان برای غلبه بر این چالش به «نیوبیوم آرسنید»(NbAs)، یک شبهفلز توپولوژیکی که الکترونهای سطحی آن رفتار متفاوتی نسبت به فلزات معمولی دارند، روی آورد.
جودی چا(Judy Cha)، استاد علوم مواد و نویسنده ارشد این مطالعه گفت: الکترونهایی که روی سطح ماده جریان دارند، بسیار سریع حرکت میکنند و به راحتی الکترونهای موجود در توده پراکنده نمیشوند.
وی گفت که با کوچکتر شدن سیمهای مسی، الکترونها به طور فزایندهای با سطوح آنها برخورد میکنند، در جهات مختلف پراکنده میشوند و رسانایی را کاهش میدهند. به همین دلیل است که از نظر الکتریکی بسیار مقاوم میشود.
برخلاف مس که به الکترونهایی که از درون آن عبور میکنند، متکی است، NbA از الکترونهای سطحی با حرکت سریع بهره میبرد. با نازکتر شدن، اثرات سطحی حتی قویتر میشوند و عملکرد الکتریکی را بهبود میبخشند.
یک ماده بهتر
محققان برای ایجاد سیمهای فوق نازک از یک تکنیک ساخت معروف به نانوقالبگیری ترمومکانیکی استفاده کردند. این فرآیند با یک نمونه فلهای از ماده که در دماهای بالا به یک قالب اکسید آلومینیوم متخلخل فشرده میشود، آغاز میشود.
دانشمندان پس از برداشتن قالب، نانوسیمهای تک کریستالی با کیفیت بالا را در اختیار دارند که میتوانند روی ویفرهای سیلیکونی منتقل شوند. این رویکرد به تیم اجازه داد تا قطر سیمها را تا 10 نانومتر به طور دقیق کنترل کنند.
چا این فرآیند را با آماده کردن پاستا مقایسه کرد. وی تأکید کرد: اگر صفحه جلویی دستگاه پاستاساز خود را عوض کنید، میتوانید فتوچینی درست کنید. ما فقط مواد اولیه فله را به عنوان خمیر در نظر میگیریم و از قالبهای مختلف با قطر منافذ مختلف استفاده میکنیم.
این تکنیک فراتر از تولید نانوسیمهای بسیار یکنواخت، تحقیقات مواد را سرعت میبخشد. آزمایشگاه پیش از این فقط یک یا دو سیستم ماده را در هر سال مطالعه میکرد. با نانوقالبگیری ترمومکانیکی، اکنون میتواند هر ماه یک ماده جدید را بررسی کند.
این تیم همچنین کشف کرد که ماده در دمای اتاق پایدار میماند. این یک مزیت مهم است، زیرا بسیاری از مواد کوانتومی در خارج از شرایط آزمایشگاهی با دقت کنترل شده شکننده یا مستعد اکسیداسیون هستند.
چا در یک بیانیه مطبوعاتی نتیجه گرفت: من احساس میکنم اهمیت واقعی کار همین است که ممکن است به نمونه اولیه با بالاترین کیفیت نیاز نباشد و برای دیدن این نوع اثرات مکانیکی کوانتومی نیازی به رفتن به محیطی با کمترین دما و بدون سر و صدا نیست.
این مطالعه در مجله Science منتشر شده است.
انتهای پیام
