不用高温！钼室温再结晶，冲击芯片互连材料

罗切斯特大学与以色列理工学院的研究人员意外发现了一种新方法，可以在室温下重新排布钼的内部结构。钼是一种耐高温性能极强的金属，通常用于加固核反应堆、航空发动机涡轮叶片以及火箭喷管，它要加热到2600摄氏度以上才会熔化。如果能在室温下控制它的原子结构，有望拓展更多应用场景，其中就包括下一代半导体。

工程师们发现，将一枚精细的金刚石压头压入钼内部几纳米，就可以重塑钼内部晶体结构，让这种金属获得全新性能。该研究成果发表于《美国国家科学院院刊》，研究团队对此结果感到意外。

一次意外收获

罗切斯特大学机械工程系副教授Niaz Abdolrahim表示：“我们原本假设，对钼施加极高压力，会让它转变为一种全新的固相。但我们随后发现了这个有趣现象，它是一套完全不同的应力驱动机制。”

Abdolrahim说，金属在肉眼看来质地均匀，但放大观察微观结构就能看到，它们由大量被称为晶粒的微小原子区域构成。改变晶粒的形状、取向和尺寸，就能改变材料的特性，比如强度、延展性。按照以往认知，钼的晶粒无法被改变，也就是无法再结晶，必须加热到约1000摄氏度才行。

研究人员通过实验与计算机模拟发现，借助一台用于测试材料特性、带金刚石压头的精密探针 —— 纳米压痕仪，就可以在室温下实现钼的再结晶。但再结晶对精度要求很高。纳米压痕仪施加很小的力，就能产生极高压力，驱使金刚石压头快速刺入金属表面，这个过程称为 “突跳（pop-in）”。进入突跳阶段，金属就会发生再结晶。但如果压力过大、越过突跳阶段，新形成的晶粒就会消失。

在突跳发生之后立刻手动停止测试，就可以在材料压痕周边一小块区域实现再结晶。研究人员表示，该技术可用于修复大块钼试样内部的缺陷，只把缺陷区域的材料特性调整到目标状态，不会影响试样其余部分。

Abdolrahim实验室的机械工程博士生Afnan Mostafa说：“现在，如果试样出现损伤，想要修复或者生成新晶粒，必须把整个试样加热到1000摄氏度甚至更高。而我们的研究证明，不需要加热整块样品，只需要找准施压位置、控制压力大小，并且把握好停止时机。”

在钼上制备芯片

研究人员提到，半导体厂商正在探索将钼作为下一代半导体互连材料。互连就是微芯片里连接数百万个元器件的细微导线。随着AI系统对算力的需求持续上涨，厂商希望制造尺寸更小、性能更强的芯片。为此，研究人员尝试用钼替代半导体里的铜。

Mostafa解释：“铜在纳米尺度下电阻会上升，导电性能随之下降。钼不存在这个问题，这让它很适合用作下一代微型芯片互连导线。”

但钼本身也存在短板，而这项新技术或许可以解决该问题。Mostafa说：“钼在高温环境下十分耐用，可在室温条件下，它可能毫无征兆地突然断裂。所以我们希望研究如何改善这个问题。如果能找到在室温下实现钼再结晶的新方法，就能解锁钼的更多用途，这些应用过去只有在高温条件下才能实现。”