- 28,470
- 46
- 8 Ноя 2022
Квантовый материал проводит ток эффективнее по мере уменьшения, тогда как медные соединения начинают перегреваться.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1400/788;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Медь десятилетиями помогала производителям делать процессоры быстрее и компактнее, но дальнейшее уменьшение микросхем превратило надёжный металл в одно из главных препятствий для развития электроники. Учёные Корнеллского университета нашли необычного кандидата на замену. Нанопровода из арсенида ниобия проводят ток тем лучше, чем тоньше становятся.
Внутри современных чипов проходят крошечные медные линии, которые соединяют миллиарды транзисторов. При уменьшении таких проводников электроны всё чаще сталкиваются с поверхностью и границами кристаллических зёрен. Сопротивление растёт, передача сигналов замедляется, а процессор расходует больше энергии и сильнее нагревается.
Арсенид ниобия ведёт себя иначе. Материал относится к топологическим полуметаллам Вейля, внутри которых часть электронов движется вдоль поверхности. Поверхностные электроны реже рассеиваются и сохраняют высокую скорость даже при комнатной температуре. Чем тоньше становится проводник, тем заметнее вклад поверхности и тем ниже оказывается удельное сопротивление.
Исследователи изготовили монокристаллические нанопровода и измерили их свойства при комнатной температуре. Удельное сопротивление составило в среднем 9,7 микроом-сантиметра, что примерно в три-четыре раза ниже показателя массивного образца арсенида ниобия. Расчёты подтвердили, что улучшение связано с поверхностными каналами, по которым электроны могут двигаться значительно дольше без столкновений.
Для производства нанопроводов команда применила термомеханическое наноформование. Исходный материал поместили в пористую форму из оксида алюминия, нагрели и продавили через микроскопические отверстия. После удаления формы остались ровные монокристаллические проводники. Разработчики сравнивают процесс с машиной для пасты, где сменная насадка позволяет получать изделия разной толщины.
Метод даёт исследователям точный контроль над диаметром и позволяет создавать структуры размером около 10 нанометров. Раньше лаборатория успевала изучать один или два материала в год, а наноформование увеличило скорость примерно до одного материала в месяц. Такой подход помогает быстрее проверять десятки соединений, которые теоретически способны заменить медь.
Арсенид ниобия показал не только низкое сопротивление. Нанопровода выдерживают высокую плотность тока, хорошо отводят тепло, сохраняют свойства при комнатной температуре и не требуют экстремального охлаждения. Для квантовых материалов подобная устойчивость встречается редко, поскольку многие перспективные соединения быстро окисляются или работают только в тщательно контролируемых лабораторных условиях.
До появления арсенида ниобия в серийных процессорах пока далеко. Нанопровода диаметром около 40 нанометров ещё не превосходят лучшие медные соединения, которые используют современные производители чипов. Исследователи ожидают заметного преимущества при уменьшении диаметра до уровня менее 10 нанометров, когда ток преимущественно пойдёт вдоль поверхности материала.
Дополнительную проблему создаёт мышьяк в составе соединения. Токсичность усложнит производство и может помешать массовому внедрению. Авторы рассматривают арсенид ниобия прежде всего как доказательство работоспособности идеи. Результаты показывают, что топологические материалы способны решать практические задачи микроэлектроники, а не только демонстрировать необычные квантовые эффекты в лаборатории. Исследование опубликовано 16 июля в журнале Science.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1400/788;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Медь десятилетиями помогала производителям делать процессоры быстрее и компактнее, но дальнейшее уменьшение микросхем превратило надёжный металл в одно из главных препятствий для развития электроники. Учёные Корнеллского университета нашли необычного кандидата на замену. Нанопровода из арсенида ниобия проводят ток тем лучше, чем тоньше становятся.
Внутри современных чипов проходят крошечные медные линии, которые соединяют миллиарды транзисторов. При уменьшении таких проводников электроны всё чаще сталкиваются с поверхностью и границами кристаллических зёрен. Сопротивление растёт, передача сигналов замедляется, а процессор расходует больше энергии и сильнее нагревается.
Арсенид ниобия ведёт себя иначе. Материал относится к топологическим полуметаллам Вейля, внутри которых часть электронов движется вдоль поверхности. Поверхностные электроны реже рассеиваются и сохраняют высокую скорость даже при комнатной температуре. Чем тоньше становится проводник, тем заметнее вклад поверхности и тем ниже оказывается удельное сопротивление.
Исследователи изготовили монокристаллические нанопровода и измерили их свойства при комнатной температуре. Удельное сопротивление составило в среднем 9,7 микроом-сантиметра, что примерно в три-четыре раза ниже показателя массивного образца арсенида ниобия. Расчёты подтвердили, что улучшение связано с поверхностными каналами, по которым электроны могут двигаться значительно дольше без столкновений.
Для производства нанопроводов команда применила термомеханическое наноформование. Исходный материал поместили в пористую форму из оксида алюминия, нагрели и продавили через микроскопические отверстия. После удаления формы остались ровные монокристаллические проводники. Разработчики сравнивают процесс с машиной для пасты, где сменная насадка позволяет получать изделия разной толщины.
Метод даёт исследователям точный контроль над диаметром и позволяет создавать структуры размером около 10 нанометров. Раньше лаборатория успевала изучать один или два материала в год, а наноформование увеличило скорость примерно до одного материала в месяц. Такой подход помогает быстрее проверять десятки соединений, которые теоретически способны заменить медь.
Арсенид ниобия показал не только низкое сопротивление. Нанопровода выдерживают высокую плотность тока, хорошо отводят тепло, сохраняют свойства при комнатной температуре и не требуют экстремального охлаждения. Для квантовых материалов подобная устойчивость встречается редко, поскольку многие перспективные соединения быстро окисляются или работают только в тщательно контролируемых лабораторных условиях.
До появления арсенида ниобия в серийных процессорах пока далеко. Нанопровода диаметром около 40 нанометров ещё не превосходят лучшие медные соединения, которые используют современные производители чипов. Исследователи ожидают заметного преимущества при уменьшении диаметра до уровня менее 10 нанометров, когда ток преимущественно пойдёт вдоль поверхности материала.
Дополнительную проблему создаёт мышьяк в составе соединения. Токсичность усложнит производство и может помешать массовому внедрению. Авторы рассматривают арсенид ниобия прежде всего как доказательство работоспособности идеи. Результаты показывают, что топологические материалы способны решать практические задачи микроэлектроники, а не только демонстрировать необычные квантовые эффекты в лаборатории. Исследование опубликовано 16 июля в журнале Science.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
