アメリカの研究者たちは、リチウム砒素化物から作られたナノワイヤを開発しました。この量子材料は、サイズが縮小する際に銅の代わりになり得る優れた導電性を持っています。電気的相互接続は、電子システムとトランジスタを接続する微小な回路やコネクタであり、これにより相互に通信が可能になります。これらの相互接続は、現代のチップの性能にとって非常に重要であり、通常は高い導電性を持つ銅で製造されます。しかし、チップがナノスケールに縮小するにつれて、銅はその性能を失い始め、抵抗が増加し、さらなる小型化が制限されます。この問題を解決するために、ニューヨークにあるコーネル大学の研究者たちは、トポロジカル量子材料であるリチウム砒素化物からなる単結晶ナノワイヤを開発しました。
銅とは異なり、この量子材料はサイズが縮小する際により優れた導電体になります。研究者たちは、これが将来のマイクロチップの性能とエネルギー効率を向上させる可能性があると考えています。
リチウム砒素化物ナノワイヤの優れた性能がマイクロチップ技術の進歩を促進
銅線を再考する。銅はその高い導電性から、マイクロプロセッサの相互接続回路に広く使用されています。実際、半導体業界は1990年代末にアルミニウムから銅に移行し、IBMが1997年にこの変化を最初に行いました。トランジスタが継続的に縮小する中で、この変化は必要となり、より多くの機能をチップに統合できるようになりました。しかし、銅は大きなサイズでは優れた導体ですが、これらの回路がナノスケールに縮小すると、その性能は低下します。これは、銅線が細くなるにつれて、電子がその表面との衝突頻度が増加し、抵抗が上昇し、効率が低下するためです。
コーネル大学の走査電子顕微鏡画像は、リチウム砒素化物のナノワイヤが依然として大きな原料と接続されていることを示しています。
この課題を克服するために、コーネルチームはリチウム砒素化物（NbAs）に目を向けました。これはトポロジカル半金属であり、その表面電子の挙動は従来の金属とは異なります。論文の上級著者であり、材料科学の教授であるジュディ・チャ博士は、「材料の表面を流れる電子の移動速度は非常に速く、体内の電子のように簡単に散乱されることはありません」と述べています。チャ博士は、銅線が小さくなるにつれて、電子がその表面との衝突が増え、異なる方向に散乱されることで導電性が低下すると説明しています。「これが、なぜそれが電気的に非常に抵抗を持つようになるのかです。」
内部を電子が通過することに依存する銅と比較して、NbAsは高速で移動する表面電子の恩恵を受けます。サイズが縮小するにつれて、表面効果が強まり、電気的性能が向上します。
熱機械ナノ成形技術がナノワイヤの生産を加速
超薄型ナノワイヤを製造するために、研究者たちは熱機械ナノ成形と呼ばれる製造技術を使用しました。このプロセスは、大きな材料サンプルを高温で多孔質アルミナ型に押し込むことから始まります。型を取り出した後、科学者たちは高品質の単結晶ナノワイヤを得ることができ、これらのナノワイヤをシリコンウエハに転送することができます。この方法により、チームは線径を10ナノメートル（nm）に正確に制御できるようになりました。チャ博士はこのプロセスをパスタ作りに例えています。「パスタマシンの前板を交換すれば、幅広のパスタや細いパスタを作ることができます。」彼女は、「私たちは原料を『生地』として扱い、異なる孔径の型を使用しています」と強調しました。
高度に均一なナノワイヤを生産できるだけでなく、この技術は材料研究を加速しました。研究室では以前は年間に1〜2つの材料システムしか研究できませんでしたが、熱機械ナノ成形を使用することで、現在は毎月新しい材料を研究できるようになりました。
チームはまた、この材料が室温で安定していることを発見しました。これは重要な利点であり、多くの量子材料は制御された実験室条件の外で脆くなったり酸化したりしやすいからです。チャ博士はプレスリリースで、「この研究の本当の意義は、研究者が最高品質の原料サンプルを必要とせず、最低温度や無音の環境に行かなくても、これらのタイプの量子力学的効果を観察できる可能性があることだと感じています」とまとめています。この研究は『サイエンス』誌に発表されました。