Varš ir būtisks materiāls datu centru, elektroautomobiļu un enerģētikas infrastruktūras attīstībā, tāpēc pieprasījums pēc tā ir augsts. Tas tiek plaši izmantots arī mikroshēmās, kur vara savienojumi jeb interconnects pārvada elektrību starp pusvadītāju tranzistoriem — elektronisko mikroshēmu pamatelementiem.
Mūsdienu augstas veiktspējas mikroshēmā kopējais vara savienojumu garums var pārsniegt 100 kilometrus. Taču, šiem vadiem kļūstot arvien plānākiem, elektronu plūsmu apgrūtina daļiņu pastiprināta sadursme ar vadu virsmām.
Plānāks materiāls ar mazāku pretestību
Šo parādību dēvē par pretestības izmēra efektu. Kad virsmas laukums kļūst daudz lielāks attiecībā pret materiāla tilpumu, elektronu kustība tiek traucēta, palielinās pretestība un rodas signāla aizkave. Lielāks strāvas blīvums var arī bojāt savienojumus un mazināt to uzticamību.
Pētījumā, kas publicēts žurnālā Nature Materials, fiziķi izgatavoja dažāda izmēra vienkristāla kobalta silīda (CoSi) nanoplāksnītes. Šis pusmetāliskais materiāls ir neparasts: kvantu mehānikas ietekmē, samazinot tā izmēru, uz virsmas veidojas labi vadoši ceļi, kuros elektroni tiek izkliedēti mazāk.
Pētnieki samazināja CoSi detaļu biezumu no viena mikrometra — miljonās daļas metra — līdz aptuveni 20 nanometriem. Šādā mērogā materiāla elektriskā pretestība samazinājās par kārtu. Tas nozīmē, ka 20 nanometru bieza CoSi nanoplāksnīte istabas temperatūrā elektrības plūsmai pretojas desmitreiz mazāk nekā tāda paša biezuma vara savienojums.
CoSi nanoplāksnīšu strāvas nestspēja bija arī 100 reižu lielāka nekā vara savienojumiem. Pēc pētnieku teiktā, šie rādītāji būtiski pārsniedz tradicionālo metālu iespējas un varētu palīdzēt pārvarēt arvien lielāku mikroshēmu savienojumu veiktspējas ierobežojumu.
Pārbaudes mikroshēmās un augstās frekvencēs
Lai novērtētu materiāla praktisko pielietojumu, pētnieki veica divus testus. Pirmajā, izmantojot zemējuma–signāla–zemējuma konfigurāciju, tika pārbaudīts, cik labi CoSi savienojums pārraida signālus bez būtiskas aizkaves vai enerģijas zuduma. Radiofrekvenču tests parādīja, ka signālus ar nelieliem zudumiem iespējams pārraidīt līdz 40 gigahercu frekvencei — joslai, ko, piemēram, izmanto kosmosa kuģu sakaru sistēmas.
Otrajā pārbaudē pētnieki novērtēja CoSi savietojamību ar CMOS silīcija mikroshēmu tehnoloģiju. Daļu tradicionālo metāla savienojumu viņi aizstāja ar CoSi nanoplāksnīti silīcija gredzena oscilatorā. Ierīce darbojās tajā pašā frekvencē, un kopējās savienojuma stieples pretestības izmaiņas bija nenozīmīgas.
Papildu mērījumi liecināja, ka CoSi saglabā stabilitāti pie augsta strāvas blīvuma un 200 stundas iztur 450 grādu pēc Celsija temperatūru. Pētnieki secina, ka radiofrekvenču un mikroshēmas līmeņa testi apliecina materiāla mērogošanas potenciālu un padara kobalta silīdu par daudzsološu vara alternatīvu nākotnes mikroshēmu savienojumiem.
Tehnoloģijas
Zinātne
Zinātne