編輯總結
無定形半金屬磷化鈮在納米尺度薄膜中具有比塊體材料更高的表面導電性，可能在納米電子學中具有應用前景。本研究將無定形磷化鈮薄膜（該材料在晶態下是拓撲絕緣體）生長為嵌入無定形基質中的納米晶。對于厚度為1.5納米的薄膜，這種材料的導電性是銅的兩倍以上。——Phil Szuromi
研究背景
常規金屬如銅的電阻率已知會隨著薄膜厚度的減小而增加，這主要是由于電子與表面的散射作用，限制了金屬在納米尺度電子器件中的性能。有鑒于此，斯坦福大學Eric Po教授課題組以及亞洲大學Il-Kwon Oh教授合作在《Science》上發表題為“Surface conduction and reduced electrical resistivity in ultrathin noncrystalline NbP semimetal”的最新論文。本文發現，在相對較低的400°C溫度下沉積的磷化鈮（NbP）半金屬薄膜，隨著薄膜厚度的減小，其電阻率表現出異常的降低。在小于5納米的薄膜中，室溫電阻率（1.5納米厚的NbP約為34微歐·厘米）比塊體NbP薄膜的電阻率低多達六倍，并且低于相同厚度的常規金屬（通常約為100微歐·厘米）。這些NbP薄膜并非晶體結構，而是在無定形基質中展示局部的納米晶短程有序。分析表明，較低的有效電阻率是由表面通道導電以及高表面載流子密度和良好的遷移率所導致的，特別是隨著薄膜厚度的減少。上述結果及其獲得的基本理論見解，可能為超薄低電阻率線材在納米電子學中應用提供突破，超越常規金屬的局限性。
研究亮點
- 實驗首次研究了非晶NbP半金屬薄膜的電阻率特性，得到了超薄薄膜在亞5納米厚度下表現出顯著降低的電阻率。與常規金屬相比，這些非晶NbP薄膜的電阻率在室溫下表現出比塊體材料低六倍以上的性能，且其表面導電性比例較高。
- 實驗通過沉積非晶NbP薄膜并分析其微觀結構和輸運特性，得到了基于表面態導電的低電阻率機制。NbP薄膜在超薄厚度（如1.5納米）下，表面通道的導電性顯著增強，從而有效降低了薄膜的電阻率。相較于常規金屬薄膜（如銅或銠），這些NbP薄膜展現出較低的電阻率，表明其具有潛力作為納米電子學中的低電阻材料。
- 實驗通過溫度依賴性輸運特性和霍爾效應測量，進一步確認了NbP薄膜中載流子密度與遷移率的變化。溫度變化影響薄膜的電導性，且隨著厚度減小，NbP薄膜表現出比塊體材料更優的電導性能，驗證了表面導電主導的理論。
圖文解讀
圖4. 我們的NbP薄膜的霍爾測量和載流子密度
結論展望
總之，本文發現非晶NbP薄膜的電阻率隨著薄膜厚度的減小而顯著降低，這一趨勢與大多數常見金屬的行為相反。最薄的薄膜（<5納米）在室溫下的電阻率低于相同厚度的常規金屬。測量和模型分析表明，薄于約18納米的NbP薄膜在室溫下主要由表面導電主導，這也是薄膜電阻率降低的原因。這些薄膜通過大面積濺射法在相對較低的溫度（400°C）下沉積，適用于現代微電子加工技術。這些結果及其獲得的基本理論見解，可能為未來高密度電子器件中的超薄拓撲半金屬低電阻率互連提供新思路。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
