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反常现象，成就一篇Science！

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-01-03 11:55

正文

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第一作者：Asir Intisar Khan

通讯作者：Il-Kwon Oh，Eric Pop

通讯单位：韩国亚洲大学，美国斯坦福大学

DOI：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq7096

Science编辑Phil Szuromi评语

非晶态半金属铌磷化合物在纳米尺度薄膜中比块状材料具有更高的表面导电性，这可能使其在纳米级电子器件中得到应用。Khan等人生长了铌磷化合物的非晶态薄膜——一种作为晶体材料是拓扑绝缘体的材料——以纳米晶体的形式存在于非晶基质中。对于厚度为1.5纳米的薄膜，这种材料的导电性是铜的两倍多。

研究背景

传统金属如铜在薄膜中的电阻率会因电子-表面散射而增加，从而限制了金属在纳米级电子器件中的性能。

研究问题

本文发现了一种反常现象，即在相对较低的温度（400℃）下沉积的铌磷（NbP）半金属薄膜中，随着膜厚的减少，电阻率反而降低。对于厚度薄于5纳米的薄膜，室温下的电阻率（1.5纳米厚的NbP约为34微欧姆厘米）比本文测量的块状NbP薄膜低至多六倍，且低于类似厚度的传统金属（通常约为100微欧姆厘米）。这些NbP薄膜不是结晶态，但在非晶基质内显示出局部纳米晶体的短程有序。本文的分析表明，较低的有效电阻率是由于通过表面通道导电，以及随着膜厚减少的高表面载流子密度和足够好的迁移率共同作用的结果。这些结果和这里获得的基本见解可能使超薄、低电阻率的纳米电子导线超越传统金属的限制。

图文解析

图1| NbP/Nb薄膜堆叠和室温电阻率

要点：

1.铌磷（NbP）薄膜在400℃下被溅射到蓝宝石和其他衬底上，这一温度与后端生产线（BEOL）半导体制造工艺兼容。如图1A所示，使用一层铌种子层来减少衬底与NbP薄膜之间的晶格失配，并促进局部短程有序性，即纳米结晶度。所有样品都原位覆盖了一层约3-4纳米厚的氮化硅层以限制表面氧化。本文使用高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）对NbP/Nb薄膜的截面进行成像，揭示了在不同厚度的NbP层中存在局部短程有序性和纳米结晶度（如图1B和C所示，厚度约为18纳米）。能量色散谱（EDS）和X射线光电子能谱（XPS）分析确认了本文的溅射NbP样品中铌和磷的化学计量比及其均匀分布。

2.本文使用标准的霍尔效应和基于涡流的非接触方法测量了NbP/Nb薄膜及对照Nb样品的面内电阻率。对照Nb样品在与NbP样品下的Nb种子层相同的沉积条件下制备。图1显示，测得的NbP/Nb薄膜的总室温电阻率从约80纳米厚的NbP的~200微欧姆·厘米减少到约1.5纳米厚的NbP的~51微欧姆·厘米（均在4纳米Nb上）。该电阻率图包括4纳米种子Nb层的电学和厚度贡献。然而，本文的对照Nb金属薄膜的电阻率随着厚度在同一范围内减少而显著增加。

图2|超薄NbP/Nb异质结构的微观结构细节

要点：

1.在4纳米Nb种子层上的厚度小于20纳米的NbP薄膜的电阻率显著低于在1.4纳米Nb种子层上的NbP。为了理解这种差异，本文使用原子分辨率的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）分别对4纳米和1.4纳米厚度Nb种子层上的约2.6纳米厚的NbP薄膜进行了成像（图2A和B）。放大的STEM图像和相应的衍射模式显示，在两种Nb种子层上的NbP非晶基质中存在类似的纳米结晶度。无论是4纳米还是1.4纳米的Nb种子层均为晶体结构。NbP薄膜主要是非晶态的，无论Nb种子层的厚度如何，都有若干纳米大小的结晶区域。因此，观察到的NbP电阻率随厚度变化（图1E）对于不同的Nb种子层不太可能受到NbP薄膜微观结构的影响。本文在4纳米Nb种子层上的约2.6纳米薄NbP薄膜的平均晶格常数约为3.34Å，接近单晶NbP的晶格常数。然而，图2D显示，NbP薄膜受到了应变，在1.4纳米Nb种子层上的平均晶格常数较高（对于约2.6纳米厚的NbP为~3.41Å，对于约18纳米厚的NbP为~3.5Å），这可能是导致超薄NbP在1.4纳米Nb种子层上电阻率更高的原因（见图1E）。

2.本文进一步发现（图2E），Nb种子层与Al ₂ O ₃ 衬底之间的外延关系为Nb (001) || Al ₂ O ₃ (102)。Al ₂ O ₃ (102)中的Al具有一个菱形晶格，相对于Nb (100)平面的方形晶格倾斜了6°。因此，在Nb种子层和衬底之间产生了面内失配应变。增加Nb种子层的厚度会在Nb中产生失配位错，从而释放这种应变能。本文在约4纳米厚的Nb种子层的薄膜中观察到了应变释放（图2F），其中Nb晶格恢复到其立方结构，名义晶格常数约为3.32 Å。对于较薄的1.4纳米Nb种子层，没有观察到可以释放应力的失配位错（图2G）。这使得1.4纳米Nb种子层横向受到应变，晶格常数约为3.53 Å，接近Al ₂ O ₃ 衬底的晶格常数；因此，1.4纳米Nb种子层上的NbP薄膜也显示出横向应变（图2D），并且受应变的NbP/Nb界面也可能导致电荷散射，从而进一步增加了1.4纳米Nb种子层上拉伸NbP薄膜的电阻率（见图1E）。

图3| NbP/Nb和NbP的温度依赖性传输特性

要点：

1.本文希望理解是什么导致了NbP半金属薄膜中不寻常的电阻率与厚度关系趋势。之前的报告表明，拓扑绝缘体（Bi ₂ Se ₃ ）和拓扑半金属（TaAs, NbAs）在其晶体以及非晶或纳米晶Bi ₂ Se ₃ 薄膜中存在表面主导的导电性，这归因于拓扑保护的表面态。随着样品厚度的减少，由这些表面态主导的导电性可以解释较薄的NbP薄膜相比于较厚的薄膜有更低的电阻率。

2.为了理解这一点，对一系列不同厚度（约80到约4.3 nm）的NbP薄膜在4 nm Nb种子上进行了温度依赖的传输测量，使用标准的霍尔条设备（图3A）。这种不寻常的趋势——随着NbP/Nb样品厚度的减少，电阻率降低——在所有探测的温度范围内持续到5 K（图3B）。三个较薄的NbP/Nb膜（分别在4 nm Nb上的4.3-, 9-, 和18-nm NbP）显示出随温度降低而电阻率下降（金属行为）。相比之下，厚NbP/Nb膜（~80-nm NbP在4 nm Nb种子上）显示的电阻率几乎独立于温度，这是无序或杂质主导的体态的特征。较薄的NbP/Nb膜中维持至约5 K的低电阻率表明这些样品中表面导电的贡献不可忽视。

3.为了获得NbP层的面导电率（图3D），本文从NbP/Nb堆叠的总面导电率（图3C）中减去了4 nm Nb种子层的面导电率，范围从5到300 K。提取出的NbP层的电阻率也显示出从室温到5 K随着NbP厚度减少而电阻率降低的不寻常趋势（图3E）。为更好地定量理解图3E中显示的趋势，本文在5到300 K的温度范围内，将NbP层（不同厚度）的电导率拟合为体通道和表面通道对电导率的贡献（图3F）。本文假设NbP表面电导率贡献随样品厚度保持恒定。

图4| NbP薄膜的霍尔测量和载流子密度

要点：

1.本文对NbP薄膜在5K下的霍尔电阻进行了测量（图4A），并将其作为磁场的函数。从堆叠结构中测得的霍尔电导率减去了4纳米Nb种子层的推导霍尔电导率。如图4A所示，所有样品厚度的霍尔电阻与磁场呈线性关系，这表明本文的NbP薄膜中主要由单一载流子（在这种情况下是空穴）主导传输。本文发现：4.3纳米厚的NbP在不同温度下的霍尔电阻几乎不随温度变化，从5 K到20 K（图4B）。如图4C所示，在5 K下提取的面载流子密度从80纳米厚NbP的约10 ¹⁸ cm ^-2 减少到4.3纳米薄NbP的约10 ¹⁶ cm ^-2 。这一趋势与之前关于结晶拓扑半金属NbAs和TaAs较厚膜的报告一致。

2.载流子密度随厚度的趋势（图4C）使本文估计出平均表面载流子密度约为10 ¹⁶ cm ^-2 ，即NbP薄膜厚度接近零时的空穴密度。非晶态NbP中的预计表面载流子密度比结晶态NbAs中估计的值高约3倍；然而，这与上述非晶系统中霍尔测量所得较高表观载流子密度的可能性一致。5K下估计的迁移率（图4D）显示随着NbP厚度减小而增加的趋势。4.3纳米薄NbP薄膜的有效迁移率（在5K时）约为7.4 cm ² V ^-1 s ^-1 ，比80纳米厚NbP薄膜的迁移率（约0.15 cm ² V ^-1 s ^-1 高出约50倍。使用外推的表面面载流子密度（图4C）和表面电导率（图3F），本文估计表面类通道的迁移率为9.4 ± 3.0 cm ² V ^-1 s ^-1 。这种较高的表面迁移率似乎使最薄的NbP薄膜具有较低的电阻率（图3E），其中传导主要由表面而非体通道主导（图3G）。这些估计是在仔细减去4纳米Nb种子层的贡献后进行的；然而，本文发现即使在包含Nb层的情况下，即在NbP/Nb异质结构中，图4C和D中所示的厚度依赖性载流子密度和迁移率趋势仍然保持。

总结展望

总之，本文发现非晶态NbP薄膜的电阻率随着膜厚的减少而显著降低，这与大多数常见金属观察到的趋势相反。最薄的薄膜（<5纳米）在室温下的电阻率低于类似厚度的传统金属。实验和理论结合表明，本文的NbP薄膜厚度小于约18纳米时，在室温下主要由表面导电主导，这是较薄薄膜有效电阻率下降的原因。这些薄膜是通过大面积溅射在相对较低的温度（400℃）下沉积的，与现代微电子加工技术兼容。这些结果和这里获得的基本见解可能使超薄拓扑半金属成为未来高密度电子器件中低电阻互连材料。