Exploiting Fermi surface anisotropy for low-dissipation interconnects: a study on niobium phosphide

The increasing energy consumption of ICT technologies, driven by the rise in AI and data processing, requires the development of low-dissipation interconnects. This thesis addresses the challenge of increased resistivity in chip interconnects due to miniaturization, which stems from enhanced electron scattering at the boundaries. The study focuses on the anisotropy in the Fermi surface as a strategy to mitigate resistivity increase. Experimental methods, including the fabrication of devices made from niobium phosphide (NbP) using focused ion beam (FIB) techniques, are employed. Theoretical models predict that materials with an anisotropic Fermi surface can minimize resistivity by aligning electron velocities with the transport direction. Experimental results confirm significant anisotropy in the transport properties of NbP at reduced dimensions, validating the theoretical predictions. The findings suggest that exploiting Fermi surface anisotropy is a promising approach for developing low-dissipation interconnects, potentially contributing to the continued scaling of integrated circuits and reducing power consumption in ICT applications.

L'aumento del consumo energetico delle tecnologie ICT, trainato dalla crescente diffusione dell'IA e dall'elaborazione dei dati, richiede lo sviluppo di interconnessioni a bassa dissipazione. Questa tesi si pone l'obiettivo di affrontare la sfida dell'aumento della resistività nelle interconnessioni dei chip dovuto alla miniaturizzazione, fenomeno causato da un incremento dello scattering elettronico sulle superfici. Lo studio si concentra sull'anisotropia della superficie di Fermi come strategia per mitigare tale aumento della resistività. Sono stati impiegati metodi sperimentali, tra cui la fabbricazione di dispositivi realizzati in fosfuro di niobio (NbP) utilizzando tecniche di fascio ionico focalizzato (FIB). I modelli teorici prevedono che i materiali con una superficie di Fermi anisotropa possano ridurre al minimo la resistività allineando le velocità degli elettroni con la direzione del trasporto. I risultati sperimentali confermano una significativa anisotropia nelle proprietà di trasporto del NbP a dimensioni ridotte, convalidando le previsioni teoriche. Le conclusioni suggeriscono che sfruttare l'anisotropia della superficie di Fermi rappresenti un approccio promettente per lo sviluppo di interconnessioni a bassa dissipazione, potenzialmente contribuendo al continuo miglioramento dei circuiti integrati e alla riduzione del consumo energetico nelle applicazioni ICT.