พัฒนา ‘เส้นลวดนาโน’ ยิ่งเล็กยิ่งนำไฟฟ้าได้ดี ประสิทธิภาพสูง-ประหยัดพลังงาน ‘ไมโครชิป’ ยุคใหม่

“ตัวเชื่อมไฟฟ้า” มักทำจากทองแดง เนื่องจากมีความสามารถในการนำไฟฟ้าสูง ทำหน้าที่เชื่อมต่อทรานซิสเตอร์นับพันล้านตัวเข้าด้วยกัน เพื่อขับเคลื่อนคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แต่เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้าขึ้นและมีการอัดแน่นของทรานซิสเตอร์มากขึ้น ส่วนประกอบเหล่านี้จึงต้องย่อขนาดลงสู่ระดับนาโน ซึ่งเริ่มเกินข้อจำกัดของทองแดงจนไม่สามารถทำงานได้

ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยคอร์เนล พัฒนาทางเลือกใหม่เพื่อมาแทนที่ตัวเชื่อมต่อทองแดง นั่นคือเส้นลวดนาโนผลึกเดี่ยวจาก “สารไนโอเบียมอาร์เซไนด์” (Niobium Arsenide - NbAs) สารชนิดนี้จัดอยู่ในกลุ่มทอพอโลจิคัลเซมิทัล (Topological semimetal) วัสดุควอนตัมที่โครงสร้างแถบพลังงานมีจุดหรือเส้นมาบรรจบกัน ทำให้เกิดการนำไฟฟ้าที่มีลักษณะพิเศษ ยิ่งเส้นลวดมีความบางมากเท่าใด มันจะยิ่งกลายเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีขึ้นเท่านั้น ซึ่งจะช่วยยกระดับประสิทธิภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต

จูดี ชาศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์จากวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์ดัฟฟิลด์ มหาวิทยาลัยคอร์เนล อธิบายว่า “ในทองแดง อิเล็กตรอนจะไหลผ่านเฉพาะภายในเนื้อวัสดุเท่านั้น เมื่อเราทำให้มันเล็กลง อิเล็กตรอนจะเริ่มมองเห็นพื้นผิวและกระจัดกระจายไปในทิศทางต่าง ๆ ตลอดเวลา นั่นคือสาเหตุที่มันมีความต้านทานไฟฟ้าสูงมาก”

ในทางตรงกันข้าม ไนโอเบียมอาร์เซไนด์จะอาศัยความได้เปรียบจากอิเล็กตรอนที่ไหลบนพื้นผิวของวัสดุเพิ่มเติมจากอิเล็กตรอนในเนื้อวัสดุปรกติ อิเล็กตรอนบนพื้นผิวเหล่านี้เดินทางได้เร็วมากและไม่กระจัดกระจายง่ายเหมือนอิเล็กตรอนในเนื้อวัสดุ เมื่อวัสดุถูกทำให้บางลง คุณสมบัติที่พื้นผิวจะยิ่งมีความโดดเด่นมากขึ้น ทำให้นำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดงในมิติระดับนาโนอย่างมีนัยสำคัญ

ก่อนหน้านี้ในปี 2023 ทีมของ จูดี ชา เปิดตัวสารประกอบทอพอโลยีอีกชนิดคือ “โมลิบดีนัมโมโนฟอสไฟด์” (Molybdenum Monophosphide - MoP) ซึ่งมีความเสถียรมากกว่าทองแดงเมื่อย่อส่วนลง แต่คุณสมบัติการนำไฟฟ้ายังไม่ดีขึ้นเท่าที่ควร แต่สำหรับไนโอเบียมอาร์เซไนด์นักวิจัยพบว่ามันตอบโจทย์ทั้งในแง่ของความเสถียรและการนำไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมในคราวเดียวกัน

เพื่อให้สามารถสร้างเส้นลวดนาโนที่เหนือกว่าทองแดง นักวิจัยได้ใช้กระบวนการเฉพาะที่เรียกว่า “การหล่อนาโนด้วยกระบวนการทางความร้อนและกลศาสตร์” (Thermomechanical nanomolding) กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วยการนำวัสดุตั้งต้นจำนวนมากมาอัดลงในแม่พิมพ์อะลูมิเนียมออกไซด์ที่มีรูพรุน (Porous aluminum-oxide mold) ภายใต้ความร้อนสูงเป็นเวลาหลายชั่วโมง จากนั้นจึงกัดแม่พิมพ์ออกเพื่อให้ได้เส้นลวดนาโนผลึกเดี่ยวคุณภาพสูง

จูดีเปรียบเทียบกระบวนการนี้กับการใช้เครื่องทำพาสต้า โดยกล่าวว่า “หากคุณเปลี่ยนแผ่นหน้าของเครื่องทำพาสต้า คุณก็สามารถทำเส้นเฟตตูชินีหรือเส้นแองเจิลแฮร์ได้” เธอเสริมว่ากุญแจสำคัญคือ การทำให้เซมิเมทัลเชิงทอพอโลยีมีขนาดเล็กพอที่จะเพิ่มคุณสมบัติที่พื้นผิวให้สูงสุดตามที่คาดการณ์ไว้ ซึ่งวิธีนี้ช่วยให้สามารถควบคุมเส้นผ่านศูนย์กลางได้เล็กถึงประมาณ 10 นาโนเมตร

นอกจากความแม่นยำแล้ว วิธีการหล่อนี้ยังมีความรวดเร็วมาก ซึ่งช่วยเพิ่มขีดความสามารถในการคัดกรองวัสดุของนักวิจัยได้อย่างมหาศาล จากเดิมที่กลุ่มวิจัยของเธออาจศึกษาวัสดุได้เพียงหนึ่งหรือสองระบบต่อปี ปัจจุบันพวกเขาสามารถศึกษาได้ถึงหนึ่งระบบต่อเดือน หรือเพิ่มขึ้นถึงสิบเท่า ความรวดเร็วในการสังเคราะห์นี้เองที่เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้พวกเขาสามารถศึกษาคุณสมบัติของสารประกอบเหล่านี้ได้อย่างลึกซึ้ง

อีกทั้ง ไนโอเบียมอาร์เซไนด์ ยังมีความทนทานและความสามารถในการรักษาคุณสมบัติไว้ได้ที่อุณหภูมิห้อง เพราะวัสดุควอนตัม มักจะมีความเปราะบางและมีแนวโน้มที่จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน ได้ง่ายเมื่ออยู่นอกสภาพแวดล้อมที่ควบคุมอย่างเข้มงวดในห้องปฏิบัติการ

จูดีกล่าวว่า “ฉันรู้สึกว่านี่คือความสำคัญที่แท้จริงของงานนี้ นั่นคือเราอาจไม่จำเป็นต้องใช้ตัวอย่างที่บริสุทธิ์ที่สุด และไม่จำเป็นต้องอยู่ในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิต่ำสุดหรือไร้เสียงรบกวน เพื่อที่จะสังเกตเห็นปรากฏการณ์ทางกลศาสตร์ควอนตัมเหล่านี้ ซึ่งช่วยให้การนำวัสดุควอนตัมมาใช้งานจริงมีความเป็นไปได้มากขึ้นในสภาพแวดล้อมปรกติ”

อย่างไรก็ตาม นักวิจัยยอมรับว่าไนโอเบียมอาร์เซไนด์ อาจยังไม่ใช่ตัวแทนของทองแดงที่นำมาใช้ในเชิงปฏิบัติได้ทันที เนื่องจากสารอาร์เซไนด์มีสารหนูที่เป็นพิษ แต่งานวิจัยชิ้นนี้ทำหน้าที่เป็นเครื่องพิสูจน์แนวคิด ที่สำคัญมากว่าวัสดุประเภทนี้มีศักยภาพในการใช้งานจริงและสามารถเพิ่มประสิทธิภาพให้กับชิปคอมพิวเตอร์และระบบประหยัดพลังงานในอนาคตได้

ที่มา: Interesting Engineering, Phys, Xeno Spectrum