铜薄膜发现弹道输运，有望重塑芯片布线技术

一支联合研究团队在单晶铜薄膜中通过实验观测到弹道输运现象，证实这种输运效应可在半导体互联线实际应用尺度的通用金属材料中实现。该研究成果题为《基于单晶铜薄膜的纳米器件弹道输运》，已发表于《自然・通讯》期刊。

弹道输运是指电子沿直线轨迹运动、不发生散射的物理现象。以往，该效应大多仅在石墨烯、半导体纳米结构等特殊量子材料中被观测到。铜的电子散射现象十分显著，业内此前普遍认为，在铜材料中实现弹道输运基本不具备可行性。

本研究由浦项科技大学物理系Gil-Ho Lee教授、釜山大学融合工程学院荣誉退休教授Se-Young Jeong，以及密西西比州立大学物理与天文系Seong-Gon Kim教授共同牵头。团队通过实验证明，在厚度80纳米、线宽150纳米（与半导体互联线实际尺寸相当）的结构中，铜材料可以产生弹道输运。该研究结果表明，除实验室特制的特殊结构外，在半导体行业现有的布线尺度下，电子的运动特性也会发生改变。

铜凭借优异的导电性、稳定性与适用性，被广泛应用于电子电路中，至今仍是电子产业的关键材料，常用于高速数据传输线路以及先进半导体器件的金属互联线。借助各类检测手段，学界已充分掌握块体铜的电子能带结构、费米面拓扑与费米速度等特性。但想要制备出原子级平整、组分均匀且无晶界的铜薄膜，在技术上难度极高，目前也尚未在铜薄膜纳米结构中实现面内弹道输运，这也制约了对其本征量子特性的挖掘。

研究团队采用原子溅射外延技术（ASE），制备出无晶界的单晶铜(111)薄膜。该薄膜表面粗糙度仅约0.2纳米，与传统多晶铜薄膜不同，其结构可最大程度减少电子散射。在普通铜导体中，电子会不断发生散射，形成扩散输运，电阻始终为正值。而当出现弹道输运时，电子运动规律将突破传统认知，在非局域电压测试中会出现一种特殊信号——负弯曲电阻。

研究团队正是凭借这一特征信号，证实了弹道输运的存在。相关实验均在85开尔文（零下188摄氏度）低温环境下完成，这款厚度80纳米的单晶铜薄膜，其电子平均自由程可达150纳米。

这项研究的核心价值，在于在150纳米这一符合实际应用的互联线线宽上实现了弹道输运。当下，超精细互联线会出现电阻急剧攀升的问题，制约了工艺进一步微缩，而该成果为突破这一行业瓶颈提供了新思路。从原理来看，该技术有望缩短信号延迟、降低焦耳热损耗，助力打造低功耗、高运算速度的电路，对下一代半导体互联技术发展具备重要参考价值。

由于铜存在较强的电子-声子耦合效应，且电子平均自由程较短，长期以来业内都认为它很难实现弹道输运。因此，本次研究在通用工业金属、而非特殊材料的实用尺度上验证了弹道输运的可行性，是一项重大突破。Gil-Ho Lee表示：“弹道输运是从根源上降低电子设备功耗的理想载流输运机制。本次研究的意义在于，我们证实即便在铜这种行业主流金属中，在实际布线尺度下，也能够实现弹道输运效应。”