Čím tenčí, tím lepší: Nový materiál vede elektřinu 10x lépe než měď a zrychlí čipy

Měď je klíčovým kovem pro moderní elektroniku, pohání datová centra, elektromobily a energetickou infrastrukturu. V srdci elektronických čipů tvoří propojovací vodiče, takzvané interkonekty, které přenášejí elektřinu mezi polovodičovými tranzistory.

Měď je klíčovým kovem pro moderní elektroniku, pohání datová centra, elektromobily a energetickou infrastrukturu. V srdci elektronických čipů tvoří propojovací vodiče, takzvané interkonekty, které přenášejí elektřinu mezi polovodičovými tranzistory. Současné čipy mohou obsahovat přes 100 kilometrů měděných interkonektů.

S neustálým zmenšováním měděných interkonektů však narážíme na limity. Tok elektronů je stále více omezován, protože se tyto elementární částice rozptylují na površích vodičů. Tento jev, známý jako „resistivity size effect“, nastává, když se poměr povrchové plochy k objemu výrazně zvětší, což zvyšuje odpor a zpožďuje signály. Rostoucí proudové hustoty navíc mohou poškodit interkonekty a snížit jejich spolehlivost, což představuje významnou překážku pro další vývoj rychlejší a efektivnější elektroniky.

Fyzici nyní představili slibnou náhradu mědi: nanomateriál vyrobený z kobaltu a křemíku. Tento semimetal, kobalt-silicid (CoSi), vykazuje fascinující vlastnost: čím je menší, tím lépe vede elektřinu. Díky kvantové mechanice se na jeho povrchu vytvářejí vysoce vodivé cesty s výrazně sníženým rozptylováním elektronů. Vědci vytvořili monokrystalické „nanovločky“ CoSi různých velikostí a prokázali jejich praktický potenciál nahradit měď.

Výzkumníci zjistili, že zmenšením tloušťky komponent CoSi z jednoho mikrometru na přibližně 20 nanometrů klesla rezistivita materiálu o celý řád. To znamená, že 20 nanometrů tlustá nanovločka CoSi je desetkrát méně odolná vůči toku elektřiny než měděný interkonekt stejné tloušťky při pokojové teplotě. Navíc proudová kapacita nanovloček CoSi je stokrát vyšší než u měděných interkonektů, což „výrazně překonává vlastnosti konvenčních kovů“.

Pro ověření praktické hodnoty CoSi provedli vědci dva testy. Nejprve pomocí konfigurace ground-signal-ground (GSG) změřili, jak dobře CoSi interkonekt přenáší signály bez zpoždění nebo ztráty energie. Tento radiofrekvenční test ukázal, že CoSi interkonekty dokážou přenášet signály s malými ztrátami až do 40 GHz, což jsou frekvenční pásma používaná například komunikačními systémy kosmických lodí. Druhý test ověřil kompatibilitu CoSi s technologií CMOS křemíkových čipů. Vědci nahradili část tradičních kovových interkonektů nanovločkou CoSi v křemíkovém kroužkovém oscilátoru. Oscilátor fungoval na stejné frekvenci, což potvrdilo „zanedbatelnou změnu celkového odporu propojovacího vodiče“.

Tyto studie jednoznačně prokazují, že CoSi je propojovací materiál s vysoce škálovatelným potenciálem. Další měření ukázala, že CoSi zůstává stabilní při vysokých proudových hustotách a vydrží teploty 450 stupňů Celsia po dobu 200 hodin. Celkově se tento materiál ukázal jako velmi slibná potenciální náhrada mědi, která ji překonává jak vodivostí, tak spolehlivostí v nanometrovém měřítku. Tento výzkum byl publikován v časopise Nature Materials.