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互连线，也就是将晶体管串联成微芯片电路的导线，长期以来一直使用铜来制造，因为铜具有高导电性。然而，随着电子器件不断小型化，铜的导电性能急剧下降。如今，科学家们发现，一种含有奇异准粒子的新型材料或许有一天能够帮助我们制造出下一代互连线，这种互连线越细，导电性能反而越好。

铜互连目前面临的问题与金属的平均自由程有关，即电子在撞击分子之前能够行进的平均距离。一旦铜线的尺寸缩小到低于这个极限值（对于铜而言，这个极限值是40纳米），其导电性就会急剧下降，因为电子开始经历更多的碰撞。

研究人员正在探索其他在纳米尺度下导电性更佳的金属，以用于互连线。例如，钴和钌的电子平均自由程分别为10纳米和6纳米。这意味着，由这些金属制成的互连线可以比铜线更细，而不会遇到同样的导电性问题。然而，如果尺寸缩小到一定程度，它们最终仍将面临同样的挑战。

在一项新的研究中，科学家们转而研究拓扑材料，这类材料因其结构的拓扑性质而具有非凡的特性。研究人员合成了一种由这类材料制成的纳米线，作为概念验证。

康奈尔大学材料科学与工程教授朱迪·查表示：“我们不需要超纯净或高质量的样品，也不需要超低温或高真空就能观察到量子效应。我们的测量是在室温下，在低真空或空气中进行的。这让我感到非常惊讶。”

为什么拓扑结构能够揭示下一代互连技术

拓扑学是数学的一个分支，它研究形状的哪些特征能够保持变形状态。例如，一个甜甜圈形状的物体可以变形为杯子的形状，甜甜圈的圆孔正好可以变成杯子把手上的孔，但如果将其推拉成没有圆孔的形状，就会把物体撕裂。

研究人员利用拓扑学的见解，于 2007 年首次开发出一种称为电子拓扑绝缘体的拓扑材料。沿着这些材料边缘或表面快速运动的电子受到“拓扑保护”，免受标准导体中观察到的那种散射的影响，这意味着它们能够强烈抵抗任何可能阻碍其流动的扰动，就像甜甜圈能够抵抗任何会去除其孔洞的变化一样。

然而，拓扑绝缘体虽然表面导电，但其内部仍然是绝缘的。相比之下，被称为外尔半金属的不同拓扑材料，其内部既导电，又在其表面具有拓扑保护的导电态。Cha表示，这使得它们“比拓扑绝缘体导电性强得多”。

外尔半金属的特殊导电性能源于外尔费米子的准粒子形式，外尔费米子是一种理论上的亚原子粒子，它没有质量并携带电荷。（准粒子是材料内部原子的集体激发态，其行为如同自由空间中的粒子。）

这些准粒子使外尔半金属的表面导电性更强。因此，随着外尔半金属导线变细，其表面积与体积之比增大，表面对导电性的贡献也应随之增加。理论上，这可以使外尔半金属在互连领域比其他材料更具优势，尤其是在导线尺寸缩小的情况下。

砷化铌纳米线展现出应用前景

在这项新研究中，Cha及其同事利用一种称为热机械纳米成型的方法合成了外尔半金属砷化铌纳米线。该方法使研究人员能够制造出长度为2至3微米、厚度仅为40纳米的单晶纳米线。

科学家发现，砷化铌纳米线的电阻率随着直径的减小而降低。在室温下，一根40纳米宽的纳米线的电阻率比块状单晶低约70%。他们的分析表明，这种电阻率的降低是由于表面导电效应造成的。

尽管40纳米宽的砷化铌纳米线比同等尺寸的钴或钌纳米线导电性更好，但它们的导电性并不优于目前最先进的10纳米宽铜互连线。然而，研究人员预计直径约为12纳米的砷化铌纳米线将优于此类铜互连线。他们表示，在直径约为该值或更小时，这些纳米线的表面导电性将超过体导电性。

此外，纳米线在空气中表现出良好的稳定性，能够在发生断裂前安全地承载高电流。它们还具有很高的导热性，如果用作互连线，这有助于防止过热。

然而，Cha指出，砷化铌最终可能无法成为铜的实用替代品。“砷有毒，”她说道。此外，他们使用的合成技术与CMOS或工业后端工艺条件不兼容。

不过，Cha表示，他们的原理验证工作表明，在缩小尺寸方面，Weyl半金属可能比传统材料具有关键优势，即使是缺陷较多的Weyl半金属纳米线也能展现出增强的导电性。“拓扑半金属是极具吸引力且切实可行的工程应用材料，而不仅仅局限于学术界物理学家的模型体系，”Cha说道。

除了砷化铌之外，拓扑半金属也可能很有前景。例如，今年6月在檀香山举行的IEEE/JSAP超大规模集成电路研讨会上，三星公司展示了磷化钼的研究成果，IBM公司则展示了单硅化钴的研究成果。“业界正在关注这些领域，”Cha说道。

（来源：编译自IEEE ）

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