物理学家发现未来奈米晶片设计大障碍

一群来自加拿大麦基尔大学(McGillUniversity)的物理学家们证实，当导线是由两种不同的金属组成时，电流有可能会大幅度降低;这意味着未来的半导体设计可能遇到障碍。

上述研究人员是与美国汽车大厂通用(GM)研发部门共同合作，发现让人惊讶的电流遽降现象;显示在新兴的纳米电子领域，材料的选择与元件设计可能会成为一大挑战。随着半导体元件尺寸持续微缩，未来晶片的设计工程师将需要了解，当金属导线直径被局限到仅有数个原子宽时，电荷的行为模式是如何变化。

麦基尔大学物理学教授PeterGrutter表示，当晶片线路尺寸逐渐微缩至原子等级，电流阻抗将不再随着元件的微缩以恒定速率增加;相反的，电阻会「到处乱跳」，展现量子力学的反直觉效应(counterintuitiveeffect)。

「这个现象可以用橡胶水管来比喻;」Grutter表示：「如果你让水压保持恒定，当你缩小水管的直径，出来的水量就会比较少;而如果你将水管的尺寸缩小到麦秆大小，直径仅2~3个原子宽，出??水量将不再随着水管横切面尺寸成比例缩减，其量化(跳跃)方式会是变动的。」

Grutter与麦基尔大学同仁以及GM的研究人员将这种「量子怪现象(quantumweirdness)」写成论文，发表在美国国家科学院公报(ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences);该团队研究了一种超小型的金与钨(tungsten)合金触点，这两种金属目前时常组合应用于半导体元件中，做为连结装置内不同零组件的导线。

在Grutter的实验室内，研究人员以先进的显微镜技术，以原子及精密度撷取钨探针与金表面的影像，并以控制精度(precisely-controlled)方法将这两种金属结合;而他们发现，通过这种合金触点的电流比预期低很多。

麦基尔大学研究团队与来自GM研发中心的科学家YueQi合作，完成了这种合金触点的原子结构机械模型，证实两种金属之间电子结构的相异性会导致电流降低四倍，就算两种材料达成完美介面(perfectinterface)也是一样。

此外研究人员也发现，因为结合两种金属材料而产生的晶体缺陷(crystaldefect)──正常情况下完美排列的原子发生错位--是造成电流下降现象的进一步原因。

正在使用场离子显微镜(fieldionmicroscope)的麦基尔大学学生TillHagedorn

「我们观察到的电流下降幅度，比大多数专家所预期的高出十倍之多。」Grutter表示，它们的研究结果显示，未来需要有更多相关研究来克服这样的问题，可能是透过材料的选择或是其他的处理技术：「要找到解决方案的第一步就是意识到这样的问题，而我们是第一次证实这是纳米电子系统会遭遇的大问题。」