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Quantenmaterial leitet Strom besser, je dünner es wird
Kupfer wird als Leiter problematischer, wenn die Verbindungen in Mikrochips nur noch wenige Nanometer breit sind, doch Nanodrähte aus dem Weyl-Halbmetall Niobarsenid zeigen den entgegengesetzten Trend. Bei 40 Nanometern lag ihr spezifischer elektrischer Widerstand rund 70 Prozent unter dem des massiven Materials, weil leitfähige Oberflächenzustände zunehmend den Stromtransport bestimmen.
Ithaca (U.S.A.). Moderne Prozessoren enthalten Milliarden winziger Transistoren, die über metallische Leitungen miteinander verbunden sind. Solche Interconnects bestehen meist aus Kupfer, doch mit schrumpfenden Abmessungen werden Oberflächen und Grenzflächen für die Elektronen immer wichtiger, wodurch der spezifische elektrische Widerstand stark ansteigt und Energieverluste sowie Erwärmung begünstigt.
Topologische Materialien könnten diesen Größeneffekt umkehren, weil bei sogenannten Weyl-Halbmetallen neben den Ladungsträgern im Inneren auch besondere elektronische Zustände an der Oberfläche zum Stromtransport beitragen. Je dünner ein Draht wird, desto größer ist der Anteil seiner Oberfläche am gesamten Material und damit potenziell auch der Beitrag dieser Zustände.
Forscher der Cornell University um Prof. Judy J. Cha haben nun Nanodrähte aus Niobarsenid (NbAs) hergestellt und deren elektrische Eigenschaften untersucht. Die publizierte Studie umfasst einkristalline Drähte mit kontrollierten Durchmessern bis hinunter zu 40 Nanometern.
Für die Herstellung nutzte das Team thermomechanisches Nanomolding, bei dem ein Ausgangsmaterial unter hohem Druck und hoher Temperatur in die Poren einer Form gepresst wird. Nach dem Entfernen der Form bleiben einkristalline Nanodrähte zurück, deren Durchmesser sich über die Porengröße kontrollieren lässt.
Die entscheidende Beobachtung war ungewöhnlich, denn der spezifische elektrische Widerstand nahm mit kleiner werdendem Durchmesser nicht zu, sondern ab. Bei 40 Nanometern erreichten die Drähte bei Raumtemperatur 10,5 ± 1,9 Mikroohmzentimeter und damit rund 70 Prozent weniger als massives Niobarsenid.
„Elektronen, die an der Oberfläche des Materials fließen, bewegen sich sehr schnell und werden nicht so leicht gestreut wie Elektronen im Inneren. Das ist der Grund, warum Kupfer Probleme bekommt, denn bei Kupfer fließen die Elektronen nur im Inneren. Wenn man sie klein macht, beginnen diese Elektronen im Kupferdraht die Oberflächen zu sehen und werden ständig in verschiedene Richtungen gestreut. Deshalb wird es elektrisch sehr widerständig“, erklärt Prof. Judy J. Cha.
Berechnungen der Forscher führen den Effekt auf einen zunehmend von der Oberfläche bestimmten Stromtransport zurück. Die Ladungsträger in den Oberflächenzuständen besitzen demnach bei endlichen Temperaturen eine längere Lebensdauer als die Ladungsträger im Inneren, sodass ihr relativer Beitrag mit sinkendem Drahtdurchmesser wächst und die gesamte Resistivität abnimmt.
Zusätzliche Messungen zeigten eine hohe Durchbruchstromdichte, Stabilität und Wärmeleitfähigkeit der NbAs-Nanodrähte, womit das Material mehrere für Leiterbahnen in dicht gepackten Chips wichtige Eigenschaften vereint. Ein einsatzreifer Ersatz für Kupfer ist damit aber noch nicht demonstriert.
„Für mich ist das die eigentliche Bedeutung der Arbeit. Man braucht möglicherweise keine Probe von höchster, makelloser Qualität und muss nicht in eine Umgebung mit niedrigsten Temperaturen und ohne Störungen gehen, um diese quantenmechanischen Effekte zu sehen“, erklärt Prof. Judy J. Cha.