如果你需要將電子從一個地方移動到另一個地方，你會選擇銅。這種常見的元素是一種出色的導體，並且很容易被製造成電線和電路板線路。但當尺寸變得非常非常小，達到奈米尺度時，情況就變了。同樣是銅，其電阻會不斷增加，這意味著更多的電訊號會轉化為熱量而損失掉。為更小、密度更高的裝置供電可能需要更多的能量，這與微型電子裝置所期望的正好相反。

在Eric Pop實驗室中，由Asir Intisar Khan帶領的斯坦福大學研究人員一直在對一種厚度縮小到約1.5奈米的新型薄膜進行實驗。他們發現，隨著這種薄膜變得更薄，其導電性會增強，這與銅的特性相反。研究人員在1月份將他們的研究結果發表在了《科學》雜誌上（https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq7096）。

他們以藍寶石襯底為起始材料，然後在上面塗覆一層鈮（Nb）種子層。他們對這層鈮的不同厚度進行了實驗，厚度範圍從4奈米到1.4奈米不等。當透過簡單的濺射工藝沉積時，這一層有助於隨後的磷化鈮（NbP）層形成多晶薄膜。他們製作了厚度在1.5奈米到80奈米之間的磷化鈮薄膜，並對其進行了測試。雖然磷化鈮層是非晶態的，但在這個非晶態基體中也存在著奈米晶體。重要的是，無論下面的鈮種子層厚度如何，這些晶體都會形成。

最終得到的磷化鈮超薄薄膜具有非常低的電阻率，而且隨著薄膜變得更薄，電阻率會變得更低。在厚度約為1.5奈米時，磷化鈮層在室溫下的電阻率僅約為34微歐・釐米，這大約是較厚薄膜電阻率的六分之一。類似厚度的傳統金屬，如銅，其電阻率約為100微歐・釐米。

研究人員發現，這種薄膜電阻率低的原因在於其表面的導電性比材料的主體部分更強。這種特性就是物理學家所說的 “拓撲半金屬”，與銅這類金屬的特性不同。隨著磷化鈮（NbP）薄膜變得更薄，薄膜中間的材料變少，而其表面傳導的電流比例則更大。

這一進展對於製造越來越小的數位電路至關重要。降低電晶體之間連線部分的電阻率意味著轉化為熱量而損失的能量會減少，這進而意味著積體電路的能源效率會更高。

重要的是，這些薄膜可以在相對較低的400攝氏度溫度下沉積，這使得它們能與現有的半導體制造工藝相相容。這與其他依賴單晶材料的實驗性超薄導體形成了鮮明對比，那些單晶材料必須在更高的溫度下才能合成。

然而，商業化仍然存在障礙。薄膜各層的公差對於其效能至關重要。例如，已證實種子層鈮的厚度會影響最終薄膜的電阻率，因為它會影響磷化鈮薄膜的質量。

這項研究的負責人、斯坦福大學電氣工程教授Eric Pop表示，令人興奮的是，“磷化鈮（NbP）可能只是表現出這種特性的新型材料中的一種”。還有一些其他已知的材料也表現出同樣的表面傳導特性，但它們是否也會隨著薄膜層變薄而顯示出更低的電阻率，這還有待觀察。他說：“必須對它們進行仔細測試。” 而且，“計算技術的進步或許會發現更多具有類似特性的材料。”