اكتشف علماء أمريكيون مادة جديدة تتفوق على النحاس في رقائق الكمبيوتر الصغيرة
طوّر باحثون في الولايات المتحدة أسلاكًا نانوية مصنوعة من زرنيخيد النيوبيوم، وهي مادة كمومية يمكن أن تحل محل النحاس لأنها تصبح موصلًا كهربائيًا أفضل عندما تصبح أرق. الوصلات الكهربائية عبارة عن أسلاك وموصلات صغيرة تربط الأنظمة الإلكترونية والترانزستورات وتسمح لها بالتواصل. إنها ضرورية لأداء الرقائق الحديثة وعادة ما تكون مصنوعة من النحاس بسبب موصليتها العالية. ومع ذلك، يبدأ النحاس في فقدان أدائه عندما تتقلص الرقائق إلى مقياس النانو. وهذا يزيد من المقاومة الكهربائية ويحد من مزيد من التصغير. ولمعالجة هذه المشكلة، قام الباحثون في جامعة كورنيل في نيويورك بتطوير أسلاك نانوية أحادية البلورة من زرنيخيد النيوبيوم، وهي مادة كمومية طوبولوجية. وعلى عكس النحاس، تصبح المادة الكمومية موصلة للكهرباء بشكل أفضل مع تقلص أبعادها. ويعتقد الباحثون أن هذا يمكن أن يعزز الأداء وكفاءة استخدام الطاقة للرقائق الدقيقة المستقبلية. إعادة اختراع الأسلاك النحاسية يستخدم النحاس على نطاق واسع في أسلاك المعالجات المجهرية (الوصلات البينية) بسبب موصليتها الكهربائية العالية. في الواقع، تحولت صناعة أشباه الموصلات من الألومنيوم إلى النحاس في أواخر التسعينيات، وكانت شركة آي بي إم رائدة في هذا التحول في عام 1997. وأصبح التغيير ضروريا مع استمرار الترانزستورات في الانكماش. لقد سمح بتعبئة المزيد من الميزات على الرقائق. ولكن على الرغم من أن النحاس موصل ممتاز للأحجام الكبيرة، إلا أن أدائه ينخفض عندما تتقلص تلك الأسلاك إلى المقياس النانوي. وذلك لأنه عندما تصبح الأسلاك النحاسية أرق، تصطدم الإلكترونات بشكل متكرر بأسطحها، مما يزيد من المقاومة الكهربائية ويقلل الكفاءة. تظهر صورة بالمجهر الإلكتروني الماسح أسلاكًا نانوية من زرنيخيد النيوبيوم لا تزال متصلة بكمية خام. المصدر: جامعة كورنيل للتغلب على هذا التحدي، لجأ فريق كورنيل إلى زرنيخيد النيوبيوم (NbAs)، وهو شبه معدن طوبولوجي تتصرف إلكتروناته السطحية بشكل مختلف عن تلك الموجودة في المعادن التقليدية. قالت جودي تشا، الحاصلة على درجة الدكتوراه، والمؤلفة الرئيسية للورقة البحثية وأستاذة علوم المواد: “إن الإلكترونات التي تتدفق على سطح المادة تنتقل بسرعة كبيرة، ولا تتبعثر بسهولة مثل الإلكترونات الموجودة في الكتلة”. وقال تشا إنه عندما تصبح الأسلاك النحاسية أصغر، تصطدم الإلكترونات بشكل متزايد بأسطحها، وتنتشر في اتجاهات مختلفة وتقلل من الموصلية. “ولهذا السبب تصبح مقاومة للغاية كهربائيًا.” وعلى النقيض من النحاس، الذي يعتمد على الإلكترونات التي تنتقل عبر باطنه، يستفيد NbA من الإلكترونات السطحية سريعة الحركة. وكلما أصبح أقل سمكًا، تصبح التأثيرات السطحية أقوى، مما يؤدي إلى تحسين الأداء الكهربائي. مادة أفضل لإنشاء الأسلاك فائقة الرقة، استخدم الباحثون تقنية تصنيع تُعرف باسم القولبة النانوية الميكانيكية الحرارية. تبدأ العملية بعينة كبيرة من المادة التي يتم ضغطها في قالب أكسيد الألومنيوم المسامي عند درجات حرارة عالية. بمجرد إزالة القالب، يتبقى للعلماء أسلاك نانوية أحادية البلورة عالية الجودة يمكن نقلها إلى رقائق السيليكون. سمح هذا النهج للفريق بالتحكم بدقة في أقطار الأسلاك حتى 10 نانومتر. قارن تشا العملية بصنع المعكرونة. وشددت على أنه “إذا قمت بتبديل اللوحة الأمامية لآلة صنع المعكرونة، فيمكنك صنع فيتوتشيني أو شعر ملائكي”. “نحن فقط نأخذ المواد الخام السائبة باعتبارها “عجينًا” ونستخدم قوالب مختلفة بأقطار مسام مختلفة.” وبالإضافة إلى إنتاج أسلاك نانوية موحدة للغاية، تعمل هذه التقنية على تسريع أبحاث المواد. كان المختبر يدرس في السابق نظامًا واحدًا أو نظامين فقط من أنظمة المواد كل عام. باستخدام تقنية النانو الميكانيكية الحرارية، يمكنها الآن فحص مادة جديدة كل شهر. واكتشف الفريق أيضًا أن المادة ظلت مستقرة في درجة حرارة الغرفة. وهذه ميزة مهمة لأن العديد من المواد الكمومية هشة أو عرضة للأكسدة خارج ظروف المختبر التي يتم التحكم فيها بعناية. “أشعر أن هذه هي الأهمية الحقيقية للعمل، حيث قد لا يحتاج المرء إلى عينة أصلية عالية الجودة، ولا يحتاج إلى الذهاب إلى بيئة ذات درجة حرارة منخفضة وخالية من الضوضاء لرؤية هذه الأنواع من التأثيرات الميكانيكية الكمومية،” اختتم تشا في بيان صحفي. وقد نشرت الدراسة في مجلة العلوم.
تم النشر: 2026-07-17 19:41:00
