Мідь є дуже затребуваним (і часто краденим) металом, оскільки вона живить центри обробки даних, електромобілі та енергетичну інфраструктуру.

Мідь також формує з'єднання, які передають електрику між напівпровідниковими транзисторами, що є основою електронних чіпів.

Неймовірно, але сучасний чіп може містити понад 100 кілометрів (близько 62 миль) мідних з'єднань.

Але мідь може стати недостатньою.

Коли мідні з'єднання продовжують зменшуватися, вони заважають потоку електронів, оскільки ці елементарні частинки все більше розсіюються поверхнями проводів.

Це називається ефектом розсіювання в залежності від розміру. Він виникає, коли площа поверхні стає значно більшою відносно об'єму, і в результаті мікроскопічний хаос збільшує опір і затримки сигналу. Тим часом зростаючі щільності струму можуть також пошкоджувати з'єднання та знижувати їх надійність.

Але тепер фізики продемонстрували переваги несподіваного замінника міді: нано-матеріалу, виготовленого з кобальту та кремнію.

Як показано раніше, напівметалеві матеріали кобальт-силіцид (CoSi) демонструють цікаву властивість.

Коли вони стають меншими, їх електричний опір зменшується, оскільки квантова механіка створює високо провідні поверхневі шляхи з меншим розсіюванням електронів.

Дослідники створили одно-кристалічні "нано-пластини" CoSi різних розмірів і продемонстрували їх практичний потенціал для заміни міді.

Це може допомогти обійти зростаюче обмеження, оскільки з'єднання складають значний обсяг і вартість інтегрованих схем.

Навіть коли транзистори стають швидшими, їх загальна продуктивність обмежена затримками електричного потоку через все менші з'єднання.

Дослідники виявили, що зменшуючи товщину компонентів CoSi з одного мікрометра (одна мільйонна метра) до приблизно 20 нанометрів (20 мільярдних метра), опір CoSi насправді зменшився в десять разів.

Таким чином, 20-нм товстий нано-пластина CoSi має в десять разів менший опір електричному потоку, ніж мідне з'єднання такої ж товщини при кімнатній температурі.

Крім того, здатність CoSi переносити струм в 100 разів більша, ніж у мідних з'єднань, що "значно перевищує показники звичайних металів".

Ці властивості роблять CoSi дуже перспективною альтернативою міді. Але чи може він дійсно замінити мідь у з'єднаннях?

Щоб дізнатися, дослідники провели два тести, які продемонстрували практичну цінність CoSi.

Перший тест вимірював, наскільки добре з'єднання з CoSi може передавати сигнали без затримок або втрат енергії.

Цей тест радіочастот показав, що з'єднання CoSi можуть передавати сигнали з незначними втратами до 40 ГГц – частотні діапазони, які використовуються, наприклад, в системах зв'язку космічних апаратів.

Другий тест перевіряв сумісність з'єднань CoSi з технологією кремнієвих чіпів CMOS, звичайною платформою для електронних чіпів.

Дослідники замінили частину традиційних металевих з'єднань на нано-пластину CoSi в кремнієвому кільцевому осциляторі. Цей пристрій передає електричний сигнал між непарною кількістю логічних елементів у циклі.

Відповідно, осцилятор зміг працювати на тій же частоті, використовуючи CoSi, що призвело до "незначних змін загального опору з'єднувального дроту".

Загалом, "тестування радіочастот і на чіпі однозначно демонструє CoSi як матеріал для з'єднань з високим потенціалом масштабування".

Він також може витримувати високі щільності струму і залишатися стабільним при температурах до 450 градусів Цельсія (840 градусів за Фаренгейтом) протягом 200 годин.

В цілому, цей матеріал довів свою перспективність як потенційна заміна міді.

"Ці дослідження показують, що CoSi є кращою альтернативою мідним з'єднанням, перевершуючи їх за провідністю та надійністю на нано-рівні", - підсумовують дослідники.