Chìa khóa phản ứng tổng hợp hạt nhân cho công nghệ chip máy tính tương lai

E-mail | Bản in | Lưu xem sau

Các nhà nghiên cứu đang tiến hành mô phỏng các phương pháp tương tự sử dụng trong nghiên cứu phản ứng tổng hợp hạt nhân để tạo ra một chùm tia plasma cực mỏng cho thế hệ “kĩ thuận in li-tô nano” (nanolithography – công nghệ khắc bản mạch ở cấp độ nano) mới cho sản xuất chip máy tính tương lai.

Kĩ thuận in li-tô bằng chùm electron

Công nghệ hiện có sử dụng ánh sáng cực tím để tạo ra các tính năng tốt trong chip máy qua một quá trình gọi là in li-tô quang, phương pháp in liên quan đến việc chiếu hình ảnh lên một bề mặt vật liệu nhạy sáng rồi tạo ra các mẫu in kết quả bằng khắc a-xít hóa học.

Phương pháp in nano mới sẽ rất cần thiết để duy trì các tiến bộ trong công nghệ máy tính và mở rộng định luật Moore, một qui luật không chính thức cho rằng số lượng bán dẫn trên mạch tích hợp, hay con chip sẽ nhân đôi theo chu kỳ 18 tháng.

“Chúng ta không thể làm cho các thiết bị nhỏ hơn nhiều bằng công nghệ in li-tô thông thường, do đó chúng ta buộc phải tìm ra cách tạo các chùm tia có bước sóng ngắn hơn,” Ahmed Hassanein, giáo sư kỹ thuật hạt nhân tại Purdue nói.

Phương pháp in li-tô trên nền plasma mới đang được phát triển sản sinh ánh “cực tím cực xa” có bước sóng 13,5 nanomet, nhỏ hơn 1/10 kích cỡ của phương pháp in li-tô hiện nay, Hassanein cho biết.

Các nhà khoa học và kỹ sư hạt nhận trường Purdue và phòng thí nghiệm Argonne quốc gia trực thuộc Cơ quan Năng lượng Hoa Kỳ đang tiến hành nghiên cứu để cải tiến hiệu suất của 2 kỹ thuật tạo plasma: Một phương pháp dùng tia la-ze và phương pháp “tạo phóng điện”.

“Trong cả 2 trường hợp, chỉ có từ 1 đến 2% năng lượng sử dụng được chuyển đổi sang plasma,” Hassanein nói.

 “Hiệu suất chuyển đổi đó nói lên rằng bạn cần tới hơn 100 kW điện cho phương pháp in li-tô này – phương pháp còn đặt ra nhiều vấn đề rắc rối về kỹ thuật. Chúng tôi quan tâm đến hiệu suất chuyển đối tối ưu hóa – giảm yêu cầu về năng lượng – và giải quyết được các vấn đề về thiết kế khác nhau cho phương pháp in li-tô thế hệ tiếp theo.”

Nghiên cứu chi tiết dự tính sẽ đăng trên số tháng 10 đến 12 năm nay trên tạp chí Micro/Nanolithography và MOEMS. Dẫn đầu nghiên cứu là Hassanein với sự cộng tác của nhà khoa học nghiên cứu cao cấp Valeryi Sizyuk, nhà phân tích máy tính Tatyana Sizyuk, phó giáo sư nghiên cứu Sivanandan Harilal và các cá nhân khác tại khoa Kỹ thuật Hạt nhân.

Tâm điểm của nghiên cứu là một mô phỏng máy tính có tên gọi HEIGHTS viết tắt của high-energy interaction with general heterogeneous target systems (tạm dịch: tương tác năng lượng cao với các hệ đích chung không đồng nhất) do nhóm nghiên cứu của Hassanein phát triển.

Các tính toán cho mỗi mô phỏng HEIGHTS đơn sử dụng siêu máy tính Argonne có thể mất dăm ba tháng để hoàn thiện, Hassanein cho biết.

Phương pháp in la-ze tạo ra plasma bằng cách đốt nóng xê-nông, thiếc hay li-ti. Plasma đó sản sinh các chùm sáng năng lượng cao, gọi là photon, của ánh sáng cực tím cực xa.

Plasma là vật liệu giống khí gas i-ông hóa 1 phần có khả năng đẫn điện. Vì tính dẫn điện này mà các nhà nghiên cứu có thể dùng từ trường để định hình và điều chỉnh plasma, hình thành các chùm tia, sợi tơ và các kết cấu khác.

Trong lò phản ứng tổng hợp thử nghiệm, từ trường được sử dụng để giữ nhiên liệu hạt nhân trên nền plasma khỏi bị chạm vào các bờ tường kim loại của bình chứa, làm cho plasma bị hun nóng ở nhiệt độ vô cùng cao để duy trì phản ứng tổng hợp.

HEIGHTS mô phỏng quá tình tiến triển hoàn toàn của plasma: tia la-ze tương tác với đích, và đích bay hơi, i-ông hóa và biến thành plasma.

Mô hình mô phỏng này cũng chỉ ra nhưng gì xảy ra khi các lực từ “xén” đám mây plasma thành các chấm có đường kính nhỏ hơn cần thiết cho sản sinh photon.

Kết quả nghiên cứu này cũng mô tả chi tiết về chùm plasma được sản sinh từ la-ze, cho thấy các mô phỏng là phù hợp với thử nghiệm phòng lab tiến hành tại Purdue, Hassanein nói.

“Thật thú vị khi thấy sự phù hợp này vì điều đó có nghĩa là chúng tôi đang đi đúng hướng,” Hassanein nói tiếp.

 “Mô phỏng bằng máy tính cho chúng ta biết cách để tối ưu hóa toàn bộ hệ thống và nơi nào cần đi tiếp theo với các thử nghiệm để xác minh điều đó.”

Một thách thức đối với vấn đề thiết kế bắt nguồn từ thực tế là các thấu kính hấp thụ photon để tạo nên ánh sáng, có nghĩa là chúng không thể dùng để làm hội tụ một chùm tia. Thay vào đó, gương lại được dùng để thiết kế.

Tuy nhiên, plasma lại ngưng đọng trên gương, giảm được hệ số phản xạ và làm hạn chế hiệu suất của quá trình.

“Chúng tôi hiện đang nỗ lực để tìm ra phương thức mới để sản sinh các photon này, tối ưu hóa việc sản xuất và giảm bớt ảnh hưởng của plasma lên gương,” Hassanein.

“Do đó, chúng tôi đang cố cải tiến toàn bộ hệ thống.”

Công cụ mô phỏng kết hợp các tính toán trong vật lý học plasma, truyền phóng xạ, vật lý hạt nhân, tương tác vật liệu plasma, từ thủy động lực học hay những gì diễn ra khi một đích bị đốt nóng, tan chảy và chuyển sang dạng plasma.