ไนโอเบียมฟอสไฟด์สามารถนำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดงในฟิล์มที่มีความหนาเพียงไม่กี่อะตอม ทีมนักวิทยาศาสตร์ที่นำโดยมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดกล่าวว่า นอกจากนี้ ฟิล์มเหล่านี้ยังสามารถสร้างและสะสมไว้ที่อุณหภูมิต่ำเพียงพอเพื่อให้เข้ากันได้กับการผลิตชิปคอมพิวเตอร์สมัยใหม่
ฟิล์มที่มีความหนาไม่กี่อะตอมของไนโอเบียมฟอสไฟด์ที่ไม่ใช่ผลึกจะนำไฟฟ้าได้ดีกว่าผ่านพื้นผิวเพื่อทำให้วัสดุโดยรวมเป็นตัวนำที่ดีกว่า เครดิตภาพ: อิล-ควอน โอ / อาซีร์ ข่าน
“เรากำลังทำลายคอขวดพื้นฐานของวัสดุแบบดั้งเดิม เช่น ทองแดง” ดร. อาซีร์ อินติซาร์ ข่าน แห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด กล่าว
“ตัวนำไนโอเบียมฟอสไฟด์ของเราแสดงให้เห็นว่าสามารถส่งสัญญาณได้เร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้นผ่านสายไฟที่บางเฉียบ”
“สิ่งนี้สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานของชิปในอนาคตได้ และแม้แต่กำไรเพียงเล็กน้อยก็รวมกันเมื่อมีการใช้ชิปจำนวนมาก เช่น ในศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่ที่จัดเก็บและประมวลผลข้อมูลในปัจจุบัน”
ไนโอเบียมฟอสไฟด์คือสิ่งที่นักวิจัยเรียกว่ากึ่งโลหะทอพอโลยี ซึ่งหมายความว่าวัสดุทั้งหมดสามารถนำไฟฟ้าได้ แต่พื้นผิวด้านนอกของมันเป็นสื่อกระแสไฟฟ้ามากกว่าตรงกลาง
เมื่อฟิล์มของไนโอเบียมฟอสไฟด์บางลง บริเวณตรงกลางจะหดตัว แต่พื้นผิวของมันยังคงเหมือนเดิม ทำให้พื้นผิวมีส่วนช่วยในการไหลของกระแสไฟฟ้าและวัสดุโดยรวมมากขึ้นเพื่อให้กลายเป็นตัวนำที่ดีขึ้น
ในทางกลับกัน โลหะแบบดั้งเดิม เช่น ทองแดง จะนำไฟฟ้าได้แย่กว่าเมื่อพวกมันบางกว่าประมาณ 50 นาโนเมตร
นักวิจัยพบว่าไนโอเบียมฟอสไฟด์กลายเป็นตัวนำได้ดีกว่าทองแดงที่ความหนาของฟิล์มต่ำกว่า 5 นาโนเมตร แม้ว่าจะทำงานที่อุณหภูมิห้องก็ตาม
ด้วยขนาดนี้ สายทองแดงจะต้องดิ้นรนเพื่อให้ทันกับสัญญาณไฟฟ้าที่ลุกลามอย่างรวดเร็ว และสูญเสียพลังงานความร้อนมากขึ้น
“อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความหนาแน่นสูงจริงๆ จำเป็นต้องมีการเชื่อมต่อด้วยโลหะที่บางมาก และหากโลหะเหล่านั้นนำไฟฟ้าได้ไม่ดี ก็จะสูญเสียพลังงานและพลังงานไปมาก” ศาสตราจารย์เอริก ป๊อป แห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด กล่าว
“วัสดุที่ดีกว่าสามารถช่วยให้เราใช้พลังงานน้อยลงในสายไฟขนาดเล็กและมีพลังงานมากขึ้นในการคำนวณ”
นักวิจัยหลายคนกำลังทำงานเพื่อค้นหาตัวนำที่ดีกว่าสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระดับนาโน แต่จนถึงขณะนี้ตัวเลือกที่ดีที่สุดมีโครงสร้างผลึกที่แม่นยำมาก ซึ่งจำเป็นต้องสร้างขึ้นที่อุณหภูมิสูงมาก
ฟิล์มไนโอเบียมฟอสไฟด์ที่ทีมงานสร้างขึ้นเป็นตัวอย่างแรกของวัสดุที่ไม่ใช่ผลึกซึ่งจะกลายเป็นตัวนำที่ดีกว่าเมื่อบางลง
“มีคนคิดว่าถ้าเราต้องการใช้ประโยชน์จากพื้นผิวทอพอโลยีเหล่านี้ เราต้องการฟิล์มผลึกเดี่ยวที่ดีซึ่งยากต่อการฝาก” Akash Ramdas นักศึกษาปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดกล่าว
"ตอนนี้เรามีวัสดุอีกประเภทหนึ่ง ได้แก่ กึ่งโลหะทอพอโลยีซึ่งอาจทำหน้าที่เป็นวิธีลดการใช้พลังงานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์"
เนื่องจากฟิล์มไนโอเบียมฟอสไฟด์ไม่จำเป็นต้องเป็นผลึกเดี่ยว จึงสามารถสร้างได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า
นักวิทยาศาสตร์ฝากฟิล์มไว้ที่อุณหภูมิ 400 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ต่ำพอที่จะหลีกเลี่ยงความเสียหายหรือทำลายชิปคอมพิวเตอร์ซิลิคอนที่มีอยู่
“ถ้าคุณจำเป็นต้องสร้างสายไฟที่เป็นผลึกที่สมบูรณ์แบบ นั่นใช้ไม่ได้กับนาโนอิเล็กทรอนิกส์” ศาสตราจารย์ยูริ ซูซูกิ แห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดกล่าว
“แต่หากคุณสามารถทำให้พวกมันไม่มีรูปร่างหรือผิดปกติเล็กน้อยได้ และพวกมันยังคงให้คุณสมบัติที่คุณต้องการ นั่นจะเป็นการเปิดประตูสู่การใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง”
ผู้เขียนกำลังดำเนินการเปลี่ยนฟิล์มไนโอเบียมฟอสไฟด์ให้เป็นสายไฟแคบเพื่อการทดสอบเพิ่มเติม
พวกเขาต้องการพิจารณาว่าวัสดุสามารถเชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพเพียงใดในการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง
“เราได้นำฟิสิกส์เจ๋งๆ มาถ่ายทอดสู่โลกอิเล็กทรอนิกส์ประยุกต์” ศาสตราจารย์ป๊อปกล่าว
“การพัฒนาวัสดุที่ไม่เป็นผลึกประเภทนี้สามารถช่วยจัดการกับความท้าทายด้านพลังงานและพลังงานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งในปัจจุบันและอนาคต”
ที่งานได้รับการตีพิมพ์ในวารสารศาสตร์-
-
อาซีร์ อินติซาร์ ข่านและคณะ- 2025. การนำพื้นผิวและความต้านทานไฟฟ้าที่ลดลงในเซมิโลหะ NbP ที่ไม่ใช่ผลึกบางเฉียบศาสตร์387 (6729): 62-67; ดอย: 10.1126/science.adq7096
บทความนี้เป็นเวอร์ชันหนึ่งของข่าวประชาสัมพันธ์ที่จัดทำโดยมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด
