مادة غريبة تصبح أفضل في توصيل الكهرباء كلما أصبحت أقل سمكًا

يعد النحاس معدنًا مطلوبًا كثيرًا (ومسروقًا كثيرًا) لأنه يدعم انتشار مراكز البيانات والمركبات الكهربائية والبنية التحتية للطاقة. يشكل النحاس أيضًا وصلات بينية، وهي الأسلاك التي تنقل الكهرباء بين الترانزستورات شبه الموصلة التي تشكل اللبنات الأساسية للرقائق الإلكترونية. بشكل لا يصدق، يمكن أن تحتوي الشريحة الحديثة على أكثر من 100 كيلومتر (62 ميلاً) من الوصلات النحاسية. لكن النحاس ربما أصبح غير كاف. مع استمرار الوصلات النحاسية في الانكماش، فإنها تؤدي إلى اختناق تدفق الإلكترونات حيث تتشتت هذه الجزيئات الأساسية بشكل متزايد على أسطح الأسلاك. صورة مشهورة لأول ربط نحاسي ثلاثي الأبعاد في المعالجات الدقيقة، تم الكشف عنها في عام 1997. في ذلك الوقت، حل النحاس محل الألومنيوم كمكون لأشباه الموصلات. والآن قد يكون أقرب إلى أن يحل محله نفسه. (IBM) وهذا ما يسمى تأثير حجم المقاومة. ويحدث ذلك عندما تصبح مساحة السطح أكبر بكثير بالنسبة للحجم، وتؤدي الحفرة المجهرية الناتجة إلى زيادة المقاومة وتأخير الإشارة. وفي الوقت نفسه، فإن ارتفاع كثافات التيار يمكن أن يؤدي أيضًا إلى إتلاف الوصلات البينية وتقليل موثوقيتها. لكن الآن، أثبت الفيزيائيون تفوق بديل النحاس غير البديهي: مادة نانوية مصنوعة من الكوبالت والسيليكون. كما هو موضح سابقًا، تعرض المواد شبه المعدنية لمبيد سيليكات الكوبالت (CoSi) خاصية مثيرة للاهتمام. (Chen et al., Nat. Mater., 2026) عندما تصبح أصغر حجمًا، تنخفض مقاومتها الكهربائية لأن ميكانيكا الكم تخلق مسارات سطحية عالية التوصيل مع انخفاض تشتت الإلكترون. من خلال نشر النتائج التي توصلوا إليها في مجلة Nature Materials، قام الباحثون بإنشاء “رقائق نانوية” أحادية البلورة من CoSi بأحجام مختلفة وأظهروا إمكاناتها العملية لتحل محل النحاس. وهذا يمكن أن يساعد في تجاوز عنق الزجاجة المتزايد، لأن الوصلات البينية تشكل حجمًا كبيرًا وتكلفة كبيرة للدوائر المتكاملة. وحتى عندما تصبح الترانزستورات أسرع، فإن أدائها الإجمالي يكون محدودًا بسبب التدفق الكهربائي المثبط عبر الوصلات البينية الأصغر حجمًا. وجد الباحثون أنه من خلال تقليل سمك مكونات CoSi من ميكرومتر واحد (جزء من المليون من المتر، أو 0.00004 من البوصة) إلى حوالي 20 نانومتر (20 جزءًا من المليار من المتر)، انخفضت مقاومة CoSi فعليًا بمقدار أسي. عرض بعض أهم خصائص CoSi، بما في ذلك مقاومته المنخفضة عندما يصبح أصغر (a)، بالإضافة إلى قدرته على حمل التيار (b)، مقارنة بالمعادن التقليدية. (Chen et al., Nat. Mater., 2026) لذلك، فإن رقاقة CoSi النانوية بسمك 20 نانومتر أقل مقاومة للتدفق الكهربائي بعشر مرات من التوصيل النحاسي ذي السمك المتساوي في درجة حرارة الغرفة. يقول الباحثون إن القدرة على حمل التيار لرقائق CoSi النانوية أكبر أيضًا بـ 100 مرة من قدرة الوصلات النحاسية، والتي “تتجاوز بشكل كبير قدرة المعادن التقليدية”. هذه الخصائص تجعل CoSi بديلاً واعدًا للغاية للنحاس. ولكن هل يمكن أن يملأ الفراغ النحاسي اللامع في تطبيقات التوصيل البيني؟ لمعرفة ذلك، أجرى الباحثون اختبارين أظهرا القيمة العملية لـ CoSi. أولاً، استخدموا تكوين إشارة أرضية (GSG) لقياس مدى قدرة الوصلة البينية المكونة من CoSi على إرسال الإشارات دون تأخير أو فقدان للطاقة. أشار اختبار الترددات الراديوية هذا إلى أن وصلات CoSi يمكنها إرسال إشارات بخسارة قليلة تصل إلى 40 جيجا هرتز، على سبيل المثال، نطاقات التردد التي تستخدمها أنظمة اتصالات المركبات الفضائية. وقد بحث الاختبار الثاني على النمط الواقعي في التوافق المتأصل لوصلات CoSi مع تقنية شرائح السيليكون CMOS، وهي المنصة التقليدية للرقائق الإلكترونية. استبدل الباحثون جزءًا من الوصلات المعدنية التقليدية برقائق CoSi النانوية في مذبذب حلقة السيليكون. ينقل هذا الجهاز إشارة كهربائية بين عدد فردي من البوابات المنطقية في حلقة. توضح الصور الثلاث الأولى تفاصيل تكوين ونتائج تجربة أرض-حالة-أرض (GSG)، بينما تسلط الصور الثلاث السفلية الضوء على تكوين ونتائج اختبار المذبذب الحلقي. (Chen et al., Nat. Mater., 2026) وفقًا للباحثين، كان المذبذب قادرًا على العمل بنفس التردد عند استخدام CoSi، مما أدى إلى “تغيير ضئيل في المقاومة الإجمالية لسلك التوصيل البيني”. بشكل عام، “يُظهر اختبار الترددات الراديوية والاختبار على الرقاقة بشكل لا لبس فيه أن CoSi مادة مترابطة ذات إمكانات قابلة للتطوير بدرجة كبيرة”، كما يضيفون. الضرب، حيث أظهرت قياسات أخرى أن CoSi يمكن أن يظل مستقرًا عند كثافات تيار عالية ويتحمل درجات حرارة تصل إلى 450 درجة مئوية (840 درجة فهرنهايت) لمدة 200 ساعة. ذات صلة: وجد المهندسون طريقة عبقرية لخفض استخدام طاقة مراكز البيانات بشكل عام، أثبتت هذه المادة نفسها كبديل محتمل واعد للنحاس. وخلص الباحثون إلى أن هذه الدراسات تظهر أن CoSi هو بديل متفوق للوصلات النحاسية، متجاوزًا إياها من حيث التوصيلية والموثوقية على مقياس النانو. تم نشر هذا البحث في مجلة Nature Materials. تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة بيتر دوكريل وتم تحريرها بواسطة بيتر دوكريل. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا اكتشفت خطأ، يرجى إعلامنا بذلك.