物理学家发现未来奈米芯片设计大障碍

一群来自加拿大麦基尔大学（McGill University）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；显示在新兴的奈米电子领域，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Peter Grutter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（counterintuitive effect）。

“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（quantum weirdness）”写成论文，发表在美国国家科学院公报（Proceedings of the National Academy of Sciences）；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Yue Qi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（perfect interface）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（crystal defect）──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（field ion microscope）的麦基尔大学学生Till Hagedorn

“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奈米电子系统会遭遇的大问题。”