随着晶片技术不断向更小、更复杂的方向发展，传输讯号的超细金属线成为关键瓶颈。传统铜导线在尺寸缩小至奈米级时，电阻大幅上升，导电率降低，导致电子元件的性能受限并增加能耗。近期，史丹佛大学的研究团队于 1 月 3 日在《科学》（Science）期刊发表研究，证实一种名为磷化铌（Niobium Phosphide, NbP）的材料，在只有几个原子厚度的薄膜，其导电性能超越铜，并且可在较低温度下制造，与现有晶片制造流程相容。这项突破有望推动更高效、更节能的电子产品发展。
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超薄磷化铌导电性能优于铜
研究显示，当金属线厚度降至 50 奈米以下时，铜等传统金属的导电性能会大幅下降，主要原因是电子在传输时与导线表面发生散射（scattering），导致能量以热量形式流失。然而，磷化铌属于拓朴半金属（topological semimetal），这类材料的电子结构具有独特的量子特性使整个材料都导电，使其表面导电能力极高，甚至高于内部。因此，当磷化铌薄膜变得极薄时，导电性能仍能保持优越，即使在室温下厚度低于 5 奈米时，其导电性仍胜过铜。
研究作者之一 Asir Intisar Khan 指出，突破传统铜导线的技术瓶颈，使用磷化铌作为超细金属线的导体，不仅能加快讯号传输速度，还能提升晶片能源效率。尤其对于大型数据中心而言，成千上万的晶片若能稍微提高效率，整体效能提升将极为可观，并能减少能源消耗。
低温制造优势与奈米电子应用潜力
现今的奈米电子技术对导体材料有极高要求，最佳候选材料通常需具备极为精确的晶体结构，但这类材料往往需要在极高温度下形成，难以与矽基晶片制程整合。然而，磷化铌拥有单晶晶体结构，且可在相对较低的 400°C 下沉积形成薄膜，足以避免损坏矽基晶片，使其成为极具潜力的奈米电子导体材料。此外，研究发现，即便磷化铌并非以最完美的晶体结构制造，其独特的量子特性仍能发挥作用，这进一步降低了制造门槛，为未来应用铺平道路。
未来发展与挑战
尽管磷化铌展现出卓越的导电性能与制程优势，但短期内仍无法完全取代铜，特别是在较厚的导线与金属线应用上，铜依然是最佳选择。然而，磷化铌的出现为超薄连接提供了新的可能性，并开启了探索其他拓朴半金属材料的契机。目前，研究团队正进一步研究类似材料，以期进一步提升磷化铌的导电性能与制程稳定性。
整体而言，磷化铌的发现与应用，为未来更高效、更节能的晶片技术提供了突破性解决方案，并可能为超细金属线的发展带来革命性变革。随着研究持续深入，磷化铌与其他拓朴半金属材料的潜力，将在未来电子产品与半导体产业中发挥越来越重要的作用。
参考文献:
- 磷化铌在超薄状态导电性优于铜，可能成为奈米电子新选择
- 史丹佛大学工程研究员发现新布线材料可取代铜，或许未来将改变晶片技术
- Stanford Engineering researchers find materials that conducts better than copper. Eureka. 2025/01/13.
- A new ultrathin conductor for nanoelectronics. Stanford Report. 2025/01/08.
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