Em descoberta surpreendente cientistas demosntram que fitas à base de nióbio quando fabricadas com apenas alguns átomos de espessura superam em muito a condutividade elétrica do cobre em mais de 6 vezes.
Sabemos que em condições normais a condutividade elétrica do cobre é de 5,96 x 107 S/m (Siemens por metro), enquanto a do nióbio é quase 10 vezes menor, de 6,7 x 106 S/m.
Mas, reforçando o saber de que as coisas não funcionam exatamente como se espera quando chegamos na escala atômica, cientistas descobriram agora que fitas à base de nióbio, quando fabricadas com apenas alguns átomos de espessura, superam em muito a condutividade elétrica do cobre.
Esses filmes finos, feitos de fosfeto de nióbio (NbP), são os primeiros exemplos de materiais não cristalinos a se tornarem melhores condutores à medida que se tornam mais finos.
Até agora, os melhores condutores a superar o cobre nas escalas da nanoeletrônica tinham apenas estruturas cristalinas exatas, o que significa que são necessárias temperaturas muito altas para sintetizá-los.
E este é um detalhe importante:
O fosfeto de nióbio pode ser fabricado e depositado em temperaturas suficientemente baixas para serem compatíveis com a fabricação de chips.
Isso permitirá seu uso para a interligação dos circuitos integrados e demais componentes eletrônicos nas placas de circuito impresso, tornando os eletrônicos do futuro mais potentes e energeticamente mais eficientes. Com aplicação imediata em todos os ramos da microeletronica. E futuramente dispositivos elétricos em geral.
“Nós estamos rompendo um gargalo fundamental de materiais tradicionais como o cobre,” disse Asir Khan, da Universidade de Stanford, nos EUA. “Nossos condutores de fosfeto de nióbio mostram que é possível enviar sinais mais rápidos e eficientes por meio de fios ultrafinos. Isso pode melhorar a eficiência energética dos chips futuros, e mesmo pequenos ganhos se acumulam quando muitos chips são usados, como nas enormes centrais de dados que armazenam e processam informações hoje em dia.”
O fosfeto de nióbio é um Semimetal topológico, o que explica a maior condutividade em nano escala
O fosfeto de nióbio é o que os pesquisadores chamam de semimetal topológico. Isso significa que o material pode conduzir eletricidade, mas suas superfícies externas são mais condutivas do que seu material interno.
Assim, quanto mais fina for fabricada a película de fosfeto de nióbio, menor se tornará seu material interno – mas suas superfícies permanecem as mesmas.
Isso permite que suas superfícies externas, mais condutivas, contribuam mais para as correntes elétricas e resultem em um material com melhor condutividade.
Em comparação, metais condutores tradicionais, como o cobre, não são topológicos, o que faz com que se tornem piores condutores de eletricidade conforme vão ficando mais finos.
O efeito é maior de 50 nanômetros para baixo. A 1,5 nanômetro, a condutividade elétrica do fosfeto de nióbio é seis vezes maior que a do cobre.
recupera a resistividade do volume do Cu (poucos μΩ⋅cm). Ambos os tipos de filmes são revestidos in situ com a mesma camada de SiNx (~3 nm), conforme descrito em Materiais e Métodos. Fonte: Do artigo
“Acreditava-se que, se quiséssemos aproveitar essas superfícies topológicas, precisaríamos de bons filmes monocristalinos, que seriam realmente difíceis de depositar,” comentou o pesquisador Akash Ramdas. “Agora temos outra classe de materiais – esses semimetais topológicos – que potencialmente podem funcionar como uma forma de reduzir o consumo de energia nos eletrônicos.”
Uma nova classe de condutores
Os pesquisadores descobriram que o fosfeto de nióbio se tornou um condutor melhor do que o cobre em espessuras de filme abaixo de 5 nanômetros, mesmo operando à temperatura ambiente.
Nesse tamanho, os fios de cobre têm dificuldade para acompanhar sinais elétricos de alta velocidade e perdem muito mais energia com o calor.
“Eletrônicos de altíssima densidade precisam de conexões metálicas muito finas e, se esses metais não conduzem bem, perdem muita potência e energia”, disse Eric Pop, Professor Pease-Ye na Escola de Engenharia, professor de engenharia elétrica e autor sênior do artigo. “Materiais melhores poderiam nos ajudar a gastar menos energia em fios finos e mais energia na computação propriamente dita.”
Muitos pesquisadores têm trabalhado para encontrar melhores condutores para a eletrônica em nanoescala, mas até agora os melhores candidatos apresentaram estruturas cristalinas extremamente precisas, que precisam ser formadas em temperaturas altíssimas.
Os filmes de fosfeto de nióbio produzidos por Khan e seus colegas são os primeiros exemplos de materiais não cristalinos que se tornam melhores condutores à medida que se tornam mais finos.
“Pensava-se que, se quiséssemos aproveitar essas superfícies topológicas, precisaríamos de bons filmes monocristalinos que fossem realmente difíceis de depositar”, disse Akash Ramdas, doutorando em Stanford e coautor do artigo. “Agora temos outra classe de materiais – esses semimetais topológicos – que poderiam potencialmente atuar como uma forma de reduzir o consumo de energia em eletrônicos.”
Como os filmes de fosfeto de nióbio não precisam ser monocristais, eles podem ser criados em temperaturas mais baixas.
Os pesquisadores depositaram os filmes a 400 graus Celsius, uma temperatura baixa o suficiente para evitar danos ou destruição dos chips de silício existentes nos computadores.
“Se você precisa criar fios cristalinos perfeitos, isso não vai funcionar para a nanoeletrônica”, disse Yuri Suzuki, Professor Stanley G. Wojcicki na Escola de Humanidades e Ciências, professor de física aplicada e coautor do artigo. “Mas se você puder torná-los amorfos ou ligeiramente desordenados e eles ainda apresentarem as propriedades necessárias, isso abre portas para potenciais aplicações no mundo real.”
Desenvolvimento futuro
Embora os filmes de fosfeto de nióbio sejam um começo promissor, Pop e seus colegas não esperam que eles substituam repentinamente o cobre em todos os chips de computador – o cobre ainda é um melhor condutor em filmes e fios mais espessos.
Mas o fosfeto de nióbio pode ser usado para conexões muito finas, abrindo caminho para a pesquisa de condutores feitos de outros semimetais topológicos.
Os pesquisadores já estão pesquisando materiais semelhantes para ver se eles podem melhorar o desempenho do fosfeto de nióbio.
“Para que essa classe de materiais seja adotada na eletrônica do futuro, precisamos que eles sejam condutores ainda melhores”, disse Xiangjin Wu, doutorando em Stanford e coautor do artigo. “Para isso, estamos explorando semimetais topológicos alternativos.”
Pop e sua equipe também estão trabalhando para transformar seus filmes de fosfeto de nióbio em fios estreitos para testes adicionais. Eles querem determinar o quão confiável e eficaz o material pode ser em aplicações reais.
“Pegamos uma física muito interessante e a aplicamos ao mundo da eletrônica aplicada”, disse Pop. “Esse tipo de avanço em materiais não cristalinos pode ajudar a enfrentar os desafios de potência e energia na eletrônica atual e futura.”
Política de Uso
É Livre a reprodução de matérias mediante a citação do título do texto com link apontando para este texto. Crédito do site Nature & Space
NANO FIOS DE NIÓBIO CONDUZ 6 VEZES MAIS DO QUE COBRE
Bibliografia
Artigo: Surface conduction and reduced electrical resistivity in ultrathin noncrystalline NbP semimetal
Autores: Asir Intisar Khan, Akash Ramdas, Emily Lindgren, Hyun-Mi Kim, Byoungjun Won, Xiangjin Wu, Krishna Saraswat, Ching-Tzu Chen, Yuri Suzuki, Felipe H. da Jornada, Il-Kwon Oh, Eric Pop
Revista: Science
Vol.: 387, Issue 6729 pp. 62-67
DOI: 10.1126/science.adq7096
Eureka Alert
A new ultrathin conductor for nanoelectronics
Site Inovação Tecnolgia
Fio ultrafino de nióbio conduz eletricidade seis vezes melhor que cobre
