FUTURE | 远见 闵青云 选编
近日，Science在线发表了斯坦福大学Eric Pop和韩国亚洲大学Il-Kwon Oh课题组的研究论文，题目为「Surface conduction and reduced electrical resistivity in ultrathin noncrystalline NbP semimetal」。
从用于密集逻辑和存储器的金属互连到神经形态和自旋电子器件，超大规模纳米电子学需要具有低电阻的超薄导体。低电阻允许较低的电压降和较低的信号延迟，从而降低系统级的功耗。电阻与电阻率成正比，但由于电子表面散射，传统金属的电阻率在比电子平均自由程（室温下为几十纳米）更薄的薄膜或导线中会增加。例如，亚5 nm薄Cu或Ru薄膜的室温电阻率比体相薄膜（>100 nm）大一个数量级。超薄金属的高电阻率可能是密集逻辑和存储器能耗的关键因素，并可能最终限制未来数据驱动应用的性能。
在这种情况下，拓扑Weyl半金属NbP、NbAs、TaP和TaAs很有前景，因为它们可以在拓扑上免受无序散射的表面态内携带电流。多重费米子半金属CoSi、RhSi、AlPt和GaPd也被理论预测受益于表面传导和抑制散射。换句话说，随着这些半金属厚度的减小，表面对传导的贡献可能会导致有效电阻率降低；而在具有纳米级厚度的传统金属中，电子会经历更多的表面散射。
在此研究中，作者发现在400 °C的相对较低温度下沉积的磷化铌（NbP）半金属中，电阻率随着薄膜厚度的减小而异常降低。在厚度小于5 nm的薄膜中，室温电阻率（1.5 nm厚的NbP约为34 μohm·cm）比体相NbP薄膜的电阻率低六倍，也低于类似厚度的传统金属（通常约为100 μohm·cm）。NbP薄膜不是晶体的，而是在非晶基质中显示出局域纳米晶体、短程有序。研究分析表明，随着薄膜厚度的减小，通过表面沟道的传导以及高表面载流子密度和足够好的迁移率导致了较低的有效电阻率。这些结果与获得的基本见解可以使超薄、低电阻率的纳米电子学导线超越传统金属的限制。
图1 | NbP/Nb薄膜堆叠和室温电阻率。
图2 | 超薄NbP/Nb异质结的微观结构细节。
图3 | NbP/Nb和NbP的温度依赖输运。
图4 | NbP薄膜的霍尔测量和载流子密度。
论文链接：
Khan, A.I., Ramdas, A., Lindgren, E. et al. Surface conduction and reduced electrical resistivity in ultrathin noncrystalline NbP semimetal. Science, 2025, 387, 62–67.
https://doi.org/10.1126/science.adq7096
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