摘要：超薄低电阻导体是超大规模纳米电子学中不可或缺的材料，广泛应用于密集逻辑和存储器件、神经形态计算及自旋电子器件等领域。与传统的金属材料相比，超薄导体在减小电压降、降低信号延迟以及减少功率消耗方面具有明显优势。然而，常规金属材料在薄膜或纳米线的尺寸减小到电子平均自
研究背景
超薄低电阻导体是超大规模纳米电子学中不可或缺的材料，广泛应用于密集逻辑和存储器件、神经形态计算及自旋电子器件等领域。与传统的金属材料相比，超薄导体在减小电压降、降低信号延迟以及减少功率消耗方面具有明显优势。然而，常规金属材料在薄膜或纳米线的尺寸减小到电子平均自由程以下时，由于电子与表面散射的影响，其电阻率会显著增加，这限制了其在纳米尺度电子器件中的应用。例如，亚5纳米厚的铜或铑薄膜的电阻率比块体材料大一个数量级，从而导致高能耗和性能瓶颈。因此，如何寻找电阻率低且具备表面导电特性的材料成为了超薄电子器件发展的关键挑战。
成果简介
有鉴于此，斯坦福大学Eric PoP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。该团队设计并制备了非晶磷化铌（NbP）薄膜，并成功实现了其在超薄尺寸下的低电阻特性。与传统金属材料相比，NbP作为拓扑半金属，其表面态在拓扑上受到保护，能够有效避免杂质散射，进而增强其电导性。通过低温（400°C）沉积方法，研究团队制备了厚度小于5纳米的NbP薄膜，发现这些薄膜在室温下的电阻率显著低于传统金属（例如铜和铑），尤其是1.5纳米厚的NbP薄膜，其电阻率比块体NbP薄膜低达六倍，甚至低于相同厚度的常规金属。
此外，通过进一步的分析，团队发现NbP薄膜表现出局部纳米晶短程有序的无定形结构，这种结构特性使得表面通道的导电性占主导地位，推动了其在超薄薄膜中的低电阻表现。这一发现不仅为实现低电阻的超薄导体材料提供了新的路径，而且有望在未来的纳米电子学应用中克服常规金属的局限性，为高效能、低功耗的超大规模集成电路提供理论基础和技术支持。
研究亮点
1. 实验首次观察到非晶NbP半金属薄膜在减小厚度至约1.5纳米时电阻率显著降低，比块体NbP薄膜的电阻率低六倍。实验发现，超薄NbP薄膜的电阻率在室温下为34微欧·厘米，明显低于常规金属在相同厚度下的电阻率。
2. 实验通过在较低温度（400°C）下沉积非晶NbP薄膜，分析了其厚度与电阻率的关系。结果表明，薄于5纳米的NbP薄膜展现出较低的有效电阻率，归因于薄膜表面通道的导电性，随着厚度减小，表面载流子密度和迁移率增大，导致电阻率降低。
3. 实验发现，NbP薄膜具有局部纳米晶短程有序结构，而非完全晶体结构。通过表面导电的作用，非晶NbP在超薄厚度下保持较低的电阻率，提供了比传统金属更优的导电性能。
4. 实验通过与传统金属和其他半金属材料（如NbAs、WTe2）对比，揭示了非晶NbP薄膜在纳米尺度下具有巨大的应用潜力，为超薄低电阻材料的未来应用提供了理论支持，特别是在超大规模纳米电子学、神经形态计算和自旋电子器件领域。
图文解读
图1. NbP/Nb薄膜堆叠与室温电阻率
图2. 超薄NbP/Nb异质结构的微观结构细节
图3. NbP/Nb和NbP的温度依赖性输运特性
图4. NbP薄膜的霍尔测量和载流子密度
结论展望
本文发现非晶NbP薄膜在超薄尺度下表现出与传统金属完全不同的电阻率趋势：随着薄膜厚度的减小，其电阻率显著降低，而这一现象在大多数金属中是由于电子与表面散射导致电阻率增大的反向结果。
具体而言，亚5纳米的NbP薄膜在室温下的电阻率低于同厚度的常规金属，这为设计低电阻率、超薄互连材料提供了新的可能性。其次，实验结果表明，表面导电通道是NbP薄膜电阻率降低的根本原因，尤其是在厚度小于约18纳米时，表面导电主导了薄膜的电输运行为。
这一发现为进一步理解表面态导电机制提供了有价值的理论依据，并推动了非晶Weyl半金属等新型材料的应用研究。最后，低温沉积技术与大面积溅射法相结合，使得这些超薄拓扑半金属薄膜具有广泛的微电子加工兼容性，为未来高密度电子器件中的低电阻率互连提供了创新性的技术路径。
文献信息
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
作者介绍
Eric Pop，斯坦福大学教授。在麻省理工学院获得学士和硕士学位，2005 年在斯坦福大学获得博士学位，曾在伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）任教。他的研究兴趣包括半导体、纳米电子学、数据存储和能源。曾获得白宫PECASE（美国政府授予早期职业科学家和工程师的最高荣誉）。
来源：华算科技