p À medida que os microchips se tornam cada vez menores e, portanto, mais rápidos, o tamanho reduzido de suas interconexões de cobre leva ao aumento da resistividade elétrica em nanoescala. Encontrar uma solução para esse gargalo técnico iminente é um grande problema para a indústria de semicondutores. p Uma possibilidade promissora envolve a redução do efeito do tamanho da resistividade, alterando a orientação cristalina dos materiais interconectados. Um par de pesquisadores do Rensselaer Polytechnic Institute conduziu medições de transporte de elétrons em camadas epitaxiais de cristal único de tungstênio (W) como uma solução potencial de interconexão. Eles realizaram simulações de primeiros princípios, encontrar um efeito dependente da orientação definido. O efeito de resistividade anisotrópica que eles encontraram foi mais marcado entre as camadas com duas orientações particulares da estrutura de rede, nomeadamente W (001) e W (110). O trabalho é publicado esta semana no Journal of Applied Physics .

p O autor Pengyuan Zheng observou que tanto o Roteiro de Tecnologia Internacional para Semicondutores (ITRS) de 2013 e 2015 exigiam novos materiais para substituir o cobre como material de interconexão para limitar o aumento da resistência em escala reduzida e minimizar o consumo de energia e o atraso do sinal.

p Em seu estudo, Zheng e o co-autor Daniel Gall escolheram o tungstênio por causa de sua superfície de Fermi assimétrica - sua estrutura de energia de elétrons. Isso o tornou um bom candidato para demonstrar o efeito da resistividade anisotrópica nas escalas pequenas de interesse. "O material a granel é completamente isotrópico, então a resistividade é a mesma em todas as direções, "Gall disse." Mas se tivermos filmes finos, então a resistividade varia consideravelmente. "

p Para testar as orientações mais promissoras, os pesquisadores cultivaram filmes epitaxiais W (001) e W (110) em substratos e realizaram medições de resistividade de ambos enquanto estavam imersos em nitrogênio líquido a 77 Kelvin (cerca de -196 graus Celsius) e à temperatura ambiente, ou 295 Kelvin. "Tivemos aproximadamente um fator de 2 de diferença na resistividade entre o tungstênio orientado 001 e o tungstênio orientado 110, "Gall disse, mas eles encontraram resistividade consideravelmente menor nas camadas W (011).

p Embora o efeito da resistência anisotrópica medido esteja de acordo com o que eles esperavam dos cálculos, o caminho livre médio efetivo - a distância média que os elétrons podem se mover antes de se espalharem contra um limite - nos experimentos de filme fino era muito maior do que o valor teórico para tungstênio em massa.

p "Um elétron viaja através de um fio na diagonal, atinge a superfície, se espalha, e então continua viajando até atingir outra coisa, talvez o outro lado do fio ou uma vibração de rede, "Gall disse." Mas este modelo parece errado para pequenos fios. "

p Os pesquisadores acreditam que isso pode ser explicado pelos processos da mecânica quântica dos elétrons que surgem nessas escalas limitadas. Os elétrons podem estar tocando simultaneamente em ambos os lados do fio ou experimentando um aumento do acoplamento elétron-fônon (vibrações de rede) conforme a espessura da camada diminui, fenômenos que poderiam afetar a busca por outro metal para substituir as interconexões de cobre.

p "As vantagens de condutividade previstas para o ródio, irídio, e o níquel pode ser menor do que o previsto, ", disse Zheng. Descobertas como essas serão cada vez mais importantes à medida que as escalas da mecânica quântica se tornarem mais comuns para as demandas de interconexões.

p A equipe de pesquisa continua a explorar o efeito do tamanho anisotrópico em outros metais com superfícies de Fermi não esféricas, como o molibdênio. Eles descobriram que a orientação da superfície em relação à orientação da camada e direção de transporte é vital, uma vez que determina o aumento real na resistividade nessas dimensões reduzidas.

p "Os resultados apresentados neste artigo demonstram claramente que a escolha correta da orientação cristalina tem o potencial de reduzir a resistência do nanofio, "disse Zheng. A importância do trabalho se estende além da nanoeletrônica atual para novas tecnologias em desenvolvimento, incluindo condutores flexíveis transparentes, termoelétricas e memristores que podem potencialmente armazenar informações. "É o problema que define o que você pode fazer na próxima tecnologia, "Gall disse.