İnceleince İletkenliği Artan Tuhaf Malzeme Bakırın Yerini Alabilir

Bakırın yerini alabilecek bir malzemenin, inceldikçe elektrik iletkenliğinin arttığı keşfedildi. Kobalt ve silisyumdan oluşan nanölçekli kobalt silür (CoSi) yarımetali, bakırdan çok daha düşük direnç göstermesiyle dikkat çekiyor. Araştırmacılar, malzemenin hem iletkenlik hem de güvenilirlik bakımından bakır bağlantıları geride bıraktığını ve entegre devrelerdeki büyümekte olan bir darboğazın aşılmasına yardımcı olabileceğini belirtiyor.

Bakır, veri merkezleri, elektrikli araçlar ve enerji altyapısının yaygınlaşmasını beslemesi nedeniyle hem çok aranan hem de sık çalınan bir metal. Aynı zamanda yarı iletken transistörler arasında elektrik taşıyan bağlantı hatlarını (interconnects) oluşturuyor. En gelişmiş bir çipte 100 kilometreden fazla bakır bağıntısının bulunduğunu söylemek abartılı olmaz; bu ince teller, elektronik çiplerin temel yapı taşları arasındaki elektriği aktarıyor.

Bakırın Yetersizleşmesi: Direnç Boyut Etkisi

Bakır bağlantıları küçüldükçe elektron akışını tıkamaya başlıyor. İletkenin yüzey alanının hacmine oranı büyüdükçe, bu “direnç boyut etkisi” (resistivity size effect) ortaya çıkıyor. Yüzeydeki mikroskobik karmaşa elektronların daha fazla saçılmasına yol açıyor; bu da direnci artırıp sinyal gecikmelerine neden oluyor. Buna ek olarak yükselen akım yoğunlukları bağlantıları hasarlandırabiliyor ve güvenilirliği düşürebiliyor.

Bu çalışmalar, CoSi’nin hem iletkenlik hem de güvenilirlik bakımından nanölçeklerde bakır bağıntılarından üstün bir alternatif olduğunu gösteriyor.

Araştırmacılar

Son yıllarda fizikçiler, bu sezgisel olmayan bakır yerine geçebilecek malzemenin üstünlüğünü ortaya koydu: Kobalt ve silisyumdan oluşan nanölçekli bir malzeme. Önceden de gözlemlendiği gibi, kobalt silür (CoSi) yarımetali ilginç bir özellik sergiliyor; küçüldükçe elektrik direnci azalıyor çünkü kuantum mekaniği, elektron saçılmasının azaldığı yüksek iletken yüzey yolları oluşturuyor.

Nanoflake’lerin Test Edilmesi

Araştırmacılar, farklı boyutlarda tek kristallik CoSi “nanoflake”leri üretip bakırı değiştirme konusundaki pratik potansiyellerini gösterdiler. Bu malzemenin entegre devrelerin önemli bir hacim ve maliyet payını oluşturan bağlantıların oluşturduğu büyümekte olan darboğazın aşılmasına yardımcı olması bekleniyor.

Araştırmacılar, CoSi bileşenlerinin kalınlığının mikrometreden (bir metre milyonluk kısım ya da 0.00004 inç) yaklaşık 20 nanometreye (metrenin 20 milyarda biri) düşürülmesinin, CoSi’nin direncini bir büyüklük mertebesinde azalttığını buldu. Yani oda sıcaklığında 20 nanometre kalınlığında bir CoSi nanoflake’i, aynı kalınlıkta bir bakır bağıntısından elektrik akışına on kat daha az direnç gösteriyor.

CoSi nanoflake’lerin taşıyabileceği akım, bakır bağıntılarınkinden 100 kat daha fazladır ve bu “geleneksel metallerinkinden belirgin biçimde üstündür.”

Araştırmacılar

Bu özellikler CoSi’yi bakıra karşı son derece umut verici bir alternatif kılıyor. Ancak gerçekten de bağlantı uygulamalarında bakırın parlak ayakkabılarını giyebilecek mi? Buna cevap bulmak için araştırmacılar, CoSi’nin pratik değerini ortaya koyan iki test gerçekleştirdi.

Radyo Frekansı ve Çip İçi Testler

İlk olarak, bir CoSi bağlantısının sinyal geçişinde gecikme veya enerji kaybı olmadan ne kadar iyi çalıştığını ölçmek için yer-sinyal-yer (GSG) düzenini kullandılar. Bu radyo frekansı testi, CoSi bağıntılarının 40 GHz’e kadar az kayıpla sinyaller iletebileceğini gösterdi; bu da örneğin uzay araçları iletişim sistemlerinde kullanılan frekans bantlarına denk geliyor.

İkinci gerçek dünya tarzındaki test ise CoSi bağıntılarının, elektronik çiplerin geleneksel platformu olan CMOS silisyum çip teknolojisiyle uyumluluğunu inceledi. Araştırmacılar, bir silisyum halka osilatöründe (ring oscillator) geleneksel metal bağlantıların bir kısmını CoSi nanoflake ile değiştirdi. Bu aygıt, elektrik sinyalini döngü içindeki tek sayılı mantık kapıları arasında aktarır.

Radyo frekansı ve çip içi testler, CoSi’nin son derece ölçeklenebilir potansiyeli olan bir bağlantı malzemesi olduğunu açıkça ortaya koyuyor. Ayrıca yüksek akım yoğunluklarında kararlı kalabiliyor ve 450 Celsius (840 Fahrenheit) sıcaklıkta 200 saat dayanabiliyor.

Araştırmacılar

Tüm bunların yanında malzemenin sert koşullara da dayandığı görüldü; diğer ölçümler CoSi’nin yüksek akım yoğunluklarında kararlı kalabildiğini ve 450 Celsius derecede (840 Fahrenheit) 200 saat dayanabildiğini gösterdi. Bu malzeme, bakır için umut verici bir alternatif olarak kendini kanıtladı.

Bu araştırma ilgili bilimsel dergide yayımlandı. Makale Peter Dockrill tarafından doğrulandı ve düzenlendi.