物理学家发现未来奈米芯片设计大障碍

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类金属组成时，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技术障碍。

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，发现出人意料的电流遽降现象，该现象揭示了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不断缩小，未来晶片的设计工程师需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："如果你保持水压恒定，当缩小水管的直径，出来的水量就会比较少；而如果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。"

量子怪现象

Grutter与麦基尔大学同仁以及通用公司的研究人员将这种"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通用公司研发中心的科学家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

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："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。要找到解决方案的第一步就是意识到此问题，而我们是第一次证实此为奈米电子系统会遭遇的重要问题。"

 (原文：Researchers spot materials challenges for future chips，by Dylan McGrath)