Ο χαλκός είναι ένα μέταλλο ιδιαίτερα περιζήτητο —και ιδιαίτερα κλεμμένο—, καθώς στηρίζει την εξάπλωση των data centers, των ηλεκτρικών οχημάτων και των ενεργειακών υποδομών.
Ο χαλκός χρησιμοποιείται επίσης στα interconnects, τα καλώδια που μεταφέρουν ηλεκτρισμό ανάμεσα στα τρανζίστορ των ημιαγωγών, τα βασικά δομικά στοιχεία των ηλεκτρονικών τσιπ.
Είναι χαρακτηριστικό ότι ένα σύγχρονο chip μπορεί να περιέχει πάνω από 100 χιλιόμετρα χάλκινων interconnects.
Όμως ο χαλκός ίσως να μην επαρκεί πια.
Καθώς τα interconnects συνεχίζουν να μικραίνουν, εμποδίζουν τη ροή των ηλεκτρονίων, επειδή αυτά σκεδάζονται ολοένα και περισσότερο από τις επιφάνειες των καλωδίων.
Αυτό ονομάζεται φαινόμενο μεγέθους της ειδικής αντίστασης. Εμφανίζεται όταν η επιφάνεια γίνεται πολύ μεγαλύτερη σε σχέση με τον όγκο και η μικροσκοπική αυτή «αναστάτωση» αυξάνει την αντίσταση και τις καθυστερήσεις στο σήμα. Την ίδια ώρα, οι αυξανόμενες πυκνότητες ρεύματος μπορούν επίσης να προκαλέσουν φθορές στα interconnects και να μειώσουν την αξιοπιστία τους.
Τώρα, όμως, φυσικοί έδειξαν την υπεροχή ενός αντιδιαισθητικού υποκατάστατου του χαλκού: ενός νανοϋλικού από κοβάλτιο και πυρίτιο.
Όπως είχε δείξει και παλαιότερη έρευνα, τα ημιμεταλλικά υλικά cobalt silicide (CoSi) παρουσιάζουν ένα ενδιαφέρον χαρακτηριστικό.
Όσο μικραίνουν, η ηλεκτρική τους ειδική αντίσταση μειώνεται, επειδή η κβαντική μηχανική δημιουργεί ιδιαίτερα αγώγιμες επιφανειακές διαδρομές με λιγότερη σκέδαση ηλεκτρονίων.
Σύμφωνα με τα ευρήματα που δημοσιεύτηκαν στο Nature Materials, οι ερευνητές δημιούργησαν μονοκρυσταλλικά CoSi «nanoflakes» διαφόρων μεγεθών και έδειξαν την πρακτική τους δυνατότητα να αντικαταστήσουν τον χαλκό.
Αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει να ξεπεραστεί ένα ολοένα μεγαλύτερο εμπόδιο, καθώς τα interconnects καταλαμβάνουν σημαντικό όγκο και κόστος στα ολοκληρωμένα κυκλώματα.
Και ακόμη κι όταν τα τρανζίστορ γίνονται ταχύτερα, η συνολική απόδοσή τους περιορίζεται από τη δυσκολία στη ροή του ρεύματος μέσα από ολοένα και μικρότερα interconnects.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι, καθώς το πάχος των στοιχείων CoSi μειωνόταν από ένα μικρόμετρο —ένα εκατομμυριοστό του μέτρου, ή 0.00004 της ίντσας— σε περίπου 20 νανόμετρα —20 δισεκατομμυριοστά του μέτρου—, η ειδική αντίσταση του CoSi μειωνόταν κατά μία τάξη μεγέθους.
Έτσι, ένα CoSi nanoflake πάχους 20 nm είναι δέκα φορές λιγότερο αντιστατικό στη ροή του ηλεκτρισμού από ένα χάλκινο interconnect ίδιου πάχους σε θερμοκρασία δωματίου.
Η ικανότητα του CoSi να μεταφέρει ρεύμα είναι επίσης 100 φορές μεγαλύτερη από εκείνη των χάλκινων interconnects, κάτι που «υπερβαίνει σημαντικά εκείνη των συμβατικών μετάλλων», αναφέρουν οι ερευνητές.
Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν το CoSi εξαιρετικά υποσχόμενη εναλλακτική στον χαλκό. Όμως μπορεί πραγματικά να πάρει τη θέση του στα interconnects;
Για να το διαπιστώσουν, οι ερευνητές πραγματοποίησαν δύο δοκιμές που έδειξαν την πρακτική αξία του CoSi.
Πρώτα, χρησιμοποίησαν μια διάταξη ground-signal-ground (GSG) για να μετρήσουν πόσο καλά ένα interconnect από CoSi μπορεί να μεταδίδει σήματα χωρίς καθυστέρηση ή απώλεια ενέργειας.
Η δοκιμή ραδιοσυχνοτήτων έδειξε ότι τα interconnects από CoSi μπορούν να μεταδίδουν σήματα με μικρές απώλειες έως τα 40 GHz — συχνότητες που χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, στα συστήματα επικοινωνίας διαστημικών σκαφών.
Η δεύτερη δοκιμή, πιο κοντά σε πραγματικές εφαρμογές, εξέτασε τη συμβατότητα των interconnects από CoSi με την τεχνολογία CMOS των chip σιλικόνης, την κλασική πλατφόρμα για ηλεκτρονικά τσιπ.
Οι ερευνητές αντικατέστησαν μέρος των παραδοσιακών μεταλλικών interconnects με ένα CoSi nanoflake σε έναν δακτυλιοειδή ταλαντωτή πυριτίου. Η συσκευή αυτή μεταφέρει ένα ηλεκτρικό σήμα ανάμεσα σε περιττό αριθμό λογικών πυλών σε βρόχο.
Έτσι, ο ταλαντωτής μπόρεσε να λειτουργήσει στην ίδια συχνότητα όταν χρησιμοποιήθηκε CoSi, κάτι που οδήγησε σε «αμελητέα μεταβολή στη συνολική αντίσταση του καλωδίου interconnect», σημειώνουν οι ερευνητές.
Συνολικά, οι δοκιμές «ραδιοσυχνοτήτων και on-chip αποδεικνύουν ξεκάθαρα ότι το CoSi είναι ένα υλικό interconnect με ιδιαίτερα μεγάλη δυνατότητα κλιμάκωσης», προσθέτουν.
Το υλικό αντέχει επίσης σημαντική καταπόνηση, καθώς άλλες μετρήσεις έδειξαν ότι το CoSi μπορεί να παραμείνει σταθερό σε υψηλές πυκνότητες ρεύματος και να αντέξει θερμοκρασίες 450 βαθμών Κελσίου για 200 ώρες.
Συνολικά, το υλικό αυτό αποδείχθηκε μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική του χαλκού.
«Αυτές οι μελέτες δείχνουν ότι το CoSi αποτελεί ανώτερη εναλλακτική στα χάλκινα interconnects, ξεπερνώντας τα τόσο ως προς την αγωγιμότητα όσο και ως προς την αξιοπιστία σε νανοκλίμακα», καταλήγουν οι ερευνητές.
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Nature Materials.
Το άρθρο ελέγχθηκε από τον Peter Dockrill και επιμελήθηκε από τον Peter Dockrill. Παρότι δίνουμε μεγάλη σημασία στη διαδικασία μας, είμαστε άνθρωποι. Αν εντοπίσετε κάποιο λάθος, ενημερώστε μας.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
