芯片互连导线长期以来依赖铜的高导电性，但随着电子器件不断缩小，铜的导电性急剧下降。如今，科学家发现一类含有奇异准粒子的新型材料，有望在未来实现"越细越导电"的下一代互连技术。
铜互连面临的核心问题在于金属的平均自由程，即电子在碰撞分子前能够行进的平均距离。当铜导线尺寸缩小至这一极限以下——铜为40纳米——电子碰撞频率上升，导电性随之大幅降低。
研究人员此前已探索钴（平均自由程10纳米）和钌（6纳米）等金属在纳米尺度下的导电表现，这些金属能比铜缩小到更细的尺寸才会遇到导电性下降的问题，但最终仍无法摆脱同样的困境。
在最新研究中，科学家将目光转向拓扑材料。这类材料因结构拓扑特性而具备非凡性质。康奈尔大学材料科学与工程学教授夏珠迪表示："我们不需要超高纯度样品、超低温度或高真空环境就能观察到量子效应，所有测量均在室温和低真空乃至空气中完成，这令我十分震惊。"
拓扑学是研究形状在形变中哪些特性得以保留的数学分支。例如，甜甜圈形状的物体可以变形为马克杯，但若要消去那个"洞"，就必须撕破材料。
2007年，研究人员利用拓扑学原理首次开发出电子拓扑绝缘体。在这类材料的边缘或表面流动的电子受到"拓扑保护"，能够强烈抵抗可能阻碍其流动的散射干扰。然而，拓扑绝缘体虽然表面导电，内部却仍然绝缘。
与之不同的另一类拓扑材料——外尔半金属，不仅体内可导电，表面同样具有受拓扑保护的导电态，因此"比拓扑绝缘体导电性强得多"，夏珠迪说。
外尔半金属的特殊导电性来源于外尔费米子的准粒子形式。外尔费米子是理论上无质量且携带电荷的亚原子粒子，而准粒子则是材料内原子的集体激发，其行为类似于自由空间中的粒子。
随着外尔半金属导线越来越细，表面与体积之比不断增大，表面对导电性的贡献也随之增加。这在理论上赋予其在互连缩放方面优于其他材料的潜力。
在此次研究中，夏珠迪团队采用热机械纳米成型方法合成了外尔半金属砷化铌的纳米线，制得长度为2至3微米、最细达40纳米宽的单晶纳米线。
实验结果显示，砷化铌纳米线的电阻率随直径减小而降低。在室温下，40纳米宽的纳米线电阻率比体块单晶低约70%，分析表明这一改善源于表面导电贡献。
尽管40纳米宽的砷化铌纳米线优于同等尺寸的钴或钌导线，但尚未超越最先进的10纳米铜互连。研究人员预计，直径约12纳米的砷化铌纳米线将超越铜互连。在该直径或更小尺寸时，表面导电贡献将超过体内贡献。
此外，这些纳米线在空气中表现稳定，能承载较高电流而不断裂，且热导率高，有助于防止互连过热。
不过，夏珠迪指出，砷化铌未必能成为铜的实用替代品："砷具有毒性。"她还提到，该合成方法与CMOS及业界后段制程工艺并不兼容。
尽管如此，夏珠迪认为，这项概念验证工作表明，外尔半金属在缩小尺度方面具备超越传统材料的关键优势，即便存在大量缺陷的不完美纳米线也能展现出增强的导电性。"拓扑半金属是极具潜力的实际工程材料，而不仅仅停留于物理学学术研究的模型系统。"
除砷化铌外，其他拓扑半金属同样值得关注。今年早些时候，三星发布了磷化钼的相关研究，IBM则展示了硅化钴的研究成果。"产业界已经在关注这一领域，"夏珠迪说。
该研究已于7月16日在线发表于《科学》期刊。
Q&A
Q1：外尔半金属为什么越细导电性越好？
A：外尔半金属的导电性来自其表面受拓扑保护的导电态。当纳米线直径越来越小时，表面积与体积之比不断增大，表面对整体导电性的贡献也随之增加。研究显示，直径约12纳米时，表面导电贡献将超过体内贡献，从而在理论上实现"越细越导电"，这与铜等传统金属导线越细越难导电的规律完全相反。
Q2：砷化铌纳米线现在能直接用于芯片制造吗？
A：目前还不能。虽然砷化铌纳米线展示出优异的导电性能，但存在两大实际障碍：一是砷具有毒性，工业应用存在安全隐患；二是现有的热机械纳米成型合成方法与芯片制造中的CMOS工艺及后段制程不兼容。此次研究属于概念验证阶段，距离实际量产应用仍有较大距离。
Q3：三星和IBM在拓扑半金属互连方面研究了哪些材料？
A：三星今年早些时候发布了关于磷化钼的研究，IBM则展示了硅化钴的相关研究成果。这两项来自产业界的研究表明，除砷化铌之外，其他拓扑半金属材料同样具备成为下一代芯片互连材料的潜力，也说明业界已开始重视拓扑半金属在实际工程应用中的价值。
