Khi chip máy tính ngày càng nhỏ hơn, phức tạp hơn, các dây kim loại siêu mỏng truyền tín hiệu điện bên trong những con chip đóng vai trò là nút thắt quan trọng. Dây kim loại truyền thống, như đồng, kém dẫn điện hơn khi chúng mỏng hơn, cuối cùng hạn chế kích thước, hiệu suất và hiệu quả năng lượng của thiết bị điện tử ở quy mô nano.
Trong nghiên cứu được công bố ngày 3/1/2025 trên tạp chí Science, các nhà khoa học tại Đại học Stanford chỉ ra rằng, niobium phosphide có hiệu suất dẫn điện tốt hơn đồng trong các màng chỉ dày vài nguyên tử.
Những màng niobium phosphide siêu mỏng này có thể được tạo ra ở nhiệt độ thấp, khiến chúng tương thích với quy trình sản xuất chip máy tính hiện tại. Bước đột phá này có thể mở đường cho việc chế tạo các thiết bị điện tử mạnh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn trong tương lai.
Niobium phosphide cho thấy khả năng truyền tín hiệu nhanh hơn, hiệu quả hơn thông qua các dây dẫn siêu mỏng. Điều này có thể cải thiện hiệu suất năng lượng của các chip trong tương lai và ngay cả lợi ích nhỏ cũng sẽ tăng lên khi sử dụng nhiều chip, chẳng hạn như trong các trung tâm dữ liệu lớn lưu trữ và xử lý thông tin hiện nay.
Niobium phosphide là thứ mà các nhà nghiên cứu gọi là bán kim loại topological, nghĩa là toàn bộ vật liệu có thể dẫn điện, nhưng bề mặt của nó dẫn điện tốt hơn phần giữa. Khi lớp niobium phosphide mỏng đi, vùng giữa co lại nhưng bề mặt của nó vẫn giữ nguyên, cho phép bề mặt tham gia nhiều hơn vào dòng điện và toàn bộ vật liệu trở thành vật dẫn điện tốt hơn. Trong khi kim loại truyền thống như đồng, kém dẫn điện hơn khi chúng mỏng hơn khoảng 50 nanomet.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng, niobium phosphide trở thành vật dẫn điện tốt hơn đồng ở độ dày màng dưới 5 nanomet, khi hoạt động ở nhiệt độ phòng. Ở kích thước này, dây đồng khó theo kịp các tín hiệu điện nhanh và mất nhiều năng lượng hơn do tỏa nhiệt.
Các thiết bị điện tử cần các kết nối kim loại rất mỏng, nếu những kim loại đó không dẫn điện tốt, chúng sẽ mất rất nhiều điện năng và năng lượng. Các vật liệu tốt hơn có thể giúp chúng ta tiêu tốn ít năng lượng hơn trong các dây dẫn nhỏ và nhiều năng lượng hơn khi thực hiện tính toán.
Nhiều nhà nghiên cứu đã và đang tìm kiếm chất dẫn điện tốt hơn cho thiết bị điện tử ở quy mô nano, nhưng cho đến nay, các ứng cử viên tốt nhất đều có cấu trúc tinh thể cực kỳ chính xác, cần được hình thành ở nhiệt độ rất cao. Các màng niobium phosphide là ví dụ đầu tiên về vật liệu không phải tinh thể, trở thành chất dẫn điện tốt hơn khi chúng mỏng hơn.
Vì màng niobium phosphide không cần phải là tinh thể đơn, nên chúng có thể được tạo ra ở nhiệt độ thấp hơn. Các nhà nghiên cứu đã lắng đọng các màng ở nhiệt độ 400 độ C, nhiệt độ đủ thấp để tránh làm hỏng hoặc phá hủy các chip máy tính silicon hiện có.
Mặc dù màng niobium phosphide là khởi đầu đầy hứa hẹn, nhưng các nhà nghiên cứu không mong đợi chúng đột nhiên thay thế đồng trong tất cả chip máy tính, đồng vẫn là chất dẫn điện tốt hơn trong các màng và dây dày hơn.
Nhưng niobium phosphide có thể được sử dụng cho các kết nối rất mỏng và mở đường cho nghiên cứu về các chất dẫn điện được làm từ các bán kim loại topological. Các nhà nghiên cứu đang tìm hiểu các vật liệu tương tự để xem có thể cải thiện hiệu suất của niobium phosphide hay không. Họ muốn xác định mức độ tin cậy và hiệu quả của vật liệu trong các ứng dụng thực tế.
Đột phá này trong vật liệu phi tinh thể có thể giúp giải quyết những thách thức về điện năng trong thiết bị điện tử cả hiện tại và tương lai.
