超薄低電阻導(dǎo)體是超大規(guī)模納米電子學(xué)中不可或缺的材料，廣泛應(yīng)用于密集邏輯和存儲器件、神經(jīng)形態(tài)計算及自旋電子器件等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，超薄導(dǎo)體在減小電壓降、降低信號延遲以及減少功率消耗方面具有明顯優(yōu)勢。然而，常規(guī)金屬材料在薄膜或納米線的尺寸減小到電子平均自由程以下時，由于電子與表面散射的影響，其電阻率會顯著增加，這限制了其在納米尺度電子器件中的應(yīng)用。例如，亞5納米厚的銅或銠薄膜的電阻率比塊體材料大一個數(shù)量級，從而導(dǎo)致高能耗和性能瓶頸。因此，如何尋找電阻率低且具備表面導(dǎo)電特性的材料成為了超薄電子器件發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

有鑒于此，斯坦福大學(xué)Eric Po教授課題組以及亞洲大學(xué)Il-Kwon Oh教授合作在《Science》上發(fā)表題為“Surface conduction and reduced electrical resistivity in ultrathin noncrystalline NbP semimetal”的最新論文。該團隊設(shè)計并制備了非晶磷化鈮（NbP）薄膜，并成功實現(xiàn)了其在超薄尺寸下的低電阻特性。與傳統(tǒng)金屬材料相比，NbP作為拓撲半金屬，其表面態(tài)在拓撲上受到保護，能夠有效避免雜質(zhì)散射，進而增強其電導(dǎo)性。通過低溫（400°C）沉積方法，研究團隊制備了厚度小于5納米的NbP薄膜，發(fā)現(xiàn)這些薄膜在室溫下的電阻率顯著低于傳統(tǒng)金屬（例如銅和銠），尤其是1.5納米厚的NbP薄膜，其電阻率比塊體NbP薄膜低達六倍，甚至低于相同厚度的常規(guī)金屬。

此外，通過進一步的分析，團隊發(fā)現(xiàn)NbP薄膜表現(xiàn)出局部納米晶短程有序的無定形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)特性使得表面通道的導(dǎo)電性占主導(dǎo)地位，推動了其在超薄薄膜中的低電阻表現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)不僅為實現(xiàn)低電阻的超薄導(dǎo)體材料提供了新的路徑，而且有望在未來的納米電子學(xué)應(yīng)用中克服常規(guī)金屬的局限性，為高效能、低功耗的超大規(guī)模集成電路提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1. 實驗首次觀察到非晶NbP半金屬薄膜在減小厚度至約1.5納米時電阻率顯著降低，比塊體NbP薄膜的電阻率低六倍。實驗發(fā)現(xiàn)，超薄NbP薄膜的電阻率在室溫下為34微歐·厘米，明顯低于常規(guī)金屬在相同厚度下的電阻率。

2. 實驗通過在較低溫度（400°C）下沉積非晶NbP薄膜，分析了其厚度與電阻率的關(guān)系。結(jié)果表明，薄于5納米的NbP薄膜展現(xiàn)出較低的有效電阻率，歸因于薄膜表面通道的導(dǎo)電性，隨著厚度減小，表面載流子密度和遷移率增大，導(dǎo)致電阻率降低。

3. 實驗發(fā)現(xiàn)，NbP薄膜具有局部納米晶短程有序結(jié)構(gòu)，而非完全晶體結(jié)構(gòu)。通過表面導(dǎo)電的作用，非晶NbP在超薄厚度下保持較低的電阻率，提供了比傳統(tǒng)金屬更優(yōu)的導(dǎo)電性能。

4. 實驗通過與傳統(tǒng)金屬和其他半金屬材料（如NbAs、WTe2）對比，揭示了非晶NbP薄膜在納米尺度下具有巨大的應(yīng)用潛力，為超薄低電阻材料的未來應(yīng)用提供了理論支持，特別是在超大規(guī)模納米電子學(xué)、神經(jīng)形態(tài)計算和自旋電子器件領(lǐng)域。

圖1. NbP/Nb薄膜堆疊與室溫電阻率

圖2. 超薄NbP/Nb異質(zhì)結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)細節(jié)

圖3. NbP/Nb和NbP的溫度依賴性輸運特性

圖4. NbP薄膜的霍爾測量和載流子密度

本文發(fā)現(xiàn)非晶NbP薄膜在超薄尺度下表現(xiàn)出與傳統(tǒng)金屬完全不同的電阻率趨勢：隨著薄膜厚度的減小，其電阻率顯著降低，而這一現(xiàn)象在大多數(shù)金屬中是由于電子與表面散射導(dǎo)致電阻率增大的反向結(jié)果。

具體而言，亞5納米的NbP薄膜在室溫下的電阻率低于同厚度的常規(guī)金屬，這為設(shè)計低電阻率、超薄互連材料提供了新的可能性。其次，實驗結(jié)果表明，表面導(dǎo)電通道是NbP薄膜電阻率降低的根本原因，尤其是在厚度小于約18納米時，表面導(dǎo)電主導(dǎo)了薄膜的電輸運行為。

這一發(fā)現(xiàn)為進一步理解表面態(tài)導(dǎo)電機制提供了有價值的理論依據(jù)，并推動了非晶Weyl半金屬等新型材料的應(yīng)用研究。最后，低溫沉積技術(shù)與大面積濺射法相結(jié)合，使得這些超薄拓撲半金屬薄膜具有廣泛的微電子加工兼容性，為未來高密度電子器件中的低電阻率互連提供了創(chuàng)新性的技術(shù)路徑。

Asir Intisar Khan et al. ,Surface conduction and reduced electrical resistivity in ultrathin noncrystalline NbP semimetal.Science387,62-67(2025).