斯坦福大学，Science！
米测MeLab
2025-01-07
编辑总结
无定形半金属磷化铌在纳米尺度薄膜中具有比块体材料更高的表面导电性，可能在纳米电子学中具有应用前景。本研究将无定形磷化铌薄膜（该材料在晶态下是拓扑绝缘体）生长为嵌入无定形基质中的纳米晶。对于厚度为1.5纳米的薄膜，这种材料的导电性是铜的两倍以上。——Phil Szuromi
研究背景
常规金属如铜的电阻率已知会随着薄膜厚度的减小而增加，这主要是由于电子与表面的散射作用，限制了金属在纳米尺度电子器件中的性能。有鉴于此，斯坦福大学Eric Po教授课题组以及亚洲大学Il-Kwon Oh教授合作在《Science》上发表题为“Surface conduction and reduced electrical resistivity in ultrathin noncrystalline NbP semimetal”的最新论文。本文发现，在相对较低的400°C温度下沉积的磷化铌（NbP）半金属薄膜，随着薄膜厚度的减小，其电阻率表现出异常的降低。在小于5纳米的薄膜中，室温电阻率（1.5纳米厚的NbP约为34微欧·厘米）比块体NbP薄膜的电阻率低多达六倍，并且低于相同厚度的常规金属（通常约为100微欧·厘米）。这些NbP薄膜并非晶体结构，而是在无定形基质中展示局部的纳米晶短程有序。分析表明，较低的有效电阻率是由表面通道导电以及高表面载流子密度和良好的迁移率所导致的，特别是随着薄膜厚度的减少。上述结果及其获得的基本理论见解，可能为超薄低电阻率线材在纳米电子学中应用提供突破，超越常规金属的局限性。
研究亮点
- 实验首次研究了非晶NbP半金属薄膜的电阻率特性，得到了超薄薄膜在亚5纳米厚度下表现出显著降低的电阻率。与常规金属相比，这些非晶NbP薄膜的电阻率在室温下表现出比块体材料低六倍以上的性能，且其表面导电性比例较高。
- 实验通过沉积非晶NbP薄膜并分析其微观结构和输运特性，得到了基于表面态导电的低电阻率机制。NbP薄膜在超薄厚度（如1.5纳米）下，表面通道的导电性显著增强，从而有效降低了薄膜的电阻率。相较于常规金属薄膜（如铜或铑），这些NbP薄膜展现出较低的电阻率，表明其具有潜力作为纳米电子学中的低电阻材料。
- 实验通过温度依赖性输运特性和霍尔效应测量，进一步确认了NbP薄膜中载流子密度与迁移率的变化。温度变化影响薄膜的电导性，且随着厚度减小，NbP薄膜表现出比块体材料更优的电导性能，验证了表面导电主导的理论。
图文解读
图4. 我们的NbP薄膜的霍尔测量和载流子密度
结论展望
总之，本文发现非晶NbP薄膜的电阻率随着薄膜厚度的减小而显著降低，这一趋势与大多数常见金属的行为相反。最薄的薄膜（<5纳米）在室温下的电阻率低于相同厚度的常规金属。测量和模型分析表明，薄于约18纳米的NbP薄膜在室温下主要由表面导电主导，这也是薄膜电阻率降低的原因。这些薄膜通过大面积溅射法在相对较低的温度（400°C）下沉积，适用于现代微电子加工技术。这些结果及其获得的基本理论见解，可能为未来高密度电子器件中的超薄拓扑半金属低电阻率互连提供新思路。Asir Intisar Khan et al. ,Surface conduction and reduced electrical resistivity in ultrathin noncrystalline NbP semimetal.Science387,62-67(2025).DOI:10.1126/science.adq7096
