Sợi nano – Chìa khóa cho công nghệ điện tử và bóng bán dẫn tương lai

E-mail | Bản in | Lưu xem sau

Một thế hệ transistor mới siêu nhỏ và những chú chip vi tính có năng lực xử lý mạnh hơn sử dụng các cấu trúc nhỏ xíu có tên gọi sợi nano bán dẫn đang tiến gần hơn với ứng dụng thực tế sau một khám phá quan trọng được các nhà nghiên cứu tại IBM, Đại học Purdue và Đại học California tại Los Angeles thực hiện.

Các nhà nghiên cứu đang tiến gần hơn với việc sử dụng các thiết bị nhỏ xíu có tên sợi nano bán dẫn để tạo ra thế hệ bóng bán dẫn cực nhỏ và chip máy tính xủa lý mạnh hơn. Họ đã phát triển các sợi nano với lớp phủ đều của silicon và germani.

Như mô tả trong hình minh họa này, các hạt hợp kim vàng-nhôm nhỏ xíu lần lượt được hun nóng và làm lạnh trong phòng chân không, sau đó khí silicon và germani lần lượt được đưa vào. Khi một hạt vàng-nhôm hấp thụ các khí đó, nó trở nêu “sêu bão hòa” với silicon và làm chúng kết tủa và hình thành các sợi. Ảnh: Đại học Purdue, TT Công nghệ Nano/ Seyet LLC

Các nhà nghiên cứu đã hiểu được cách tạo sợi nano với các lớp vật liệu khác nhau được sắp xếp đều ở cấp độ nguyên tử, là một yêu cầu tối quan trọng đối với việc tạo ra các transistor hoạt động hiệu quả hơn.

“Với các lớp vật liệu được sắp xếp đều đặn có thể cho phép bạn cải thiện và kiểm soát dòng chảy của các electron cũng như bật, tắt dòng chảy này,” Eric Stach, phó giáo sư về kĩ thuật vật liệu tại Purdue nói.

Các thiết bị điện tử thường được tạo ra từ các “cấu trúc dị thể” nghĩa là chúng chứa các lớp vật lệu bán dẫn khác nhau được phân bổ đều, như silicon và germani. Tuy nhiên cho đến nay, các nhà nghiên cứu chưa thể sản xuất sợi với các lớp vật liệu silicon và germane sắp xếp đều. Thay vào đó, sự truyền dẫn từ lớp này qua lớp kia còn quá chậm rãi nên các thiết bị chưa thể hoạt động tối ưu với vai trò là transistor.

Kết quả nghiên cứu mới này đã giúp định hướng một phương pháp để tạo ra các transistor sợi nano.

Kết quả được công bố chi tiết trên số mới ra trên Tạp chí Science.

Trong khi các transistor truyền thống được tạo ra trên các mẫu silicon phẳng nằm ngang thì sợi nano silicon được “trồng” theo chiều dọc. Vì cấu trúc dọc này, chúng có chân nhỏ hơn, đặc tính có thể giúp nhiều transistor hơn vừa vặn trong một mạch tích hợp hoặc chip, Stach nói.

“Nhưng đầu tiên chúng ta cần biết cách sản xuất sợi nano với các tiêu chuẩn yêu cầu trước khi tiến hành sản xuất loại transistor này trên qui môi công nghiệp,” ông nói.

Sợi nano có thể giúp các kỹ sư giải quyết được vấn đề đang đe dọa làm chệch hướng ngành công nghiệp điện tử. Các công nghệ mới sẽ rất cần thiết cho ngành để giữ vững định luật Moore, một qui tắc không chính thức cho rằng số lượng bóng bán dẫn trên chip máy tính sẽ gấp đôi sau mỗi 18 tháng, mang lại tiến bộ nhanh chóng trong ngành máy tính và viễn thông. Sự nhân đôi số lượng transistor mà vừa vặn trên con chip máy tính có nghĩa là có một mức tăng tương tự về mặt hoạt động. Tuy nhiên, việc tiếp tục thu nhỏ các thiết bị điện tử tạo ra từ các bán dẫn nền silicon thông thường hiện đang trở nên ngày một khó khăn.

“Trong khoảng 5 hay nhiều nhất là 10 năm nữa, các kích cỡ bóng bán dẫn silicon sẽ được giảm xuống đến giới hạn của chúng,” Stach nói.

Các transistor làm từ sợ nano cho ta một phương thức tiềm năng để duy trì truyền thống của định luật Moore.

Các nhà nghiên cứu đã dùng một thiết bị có tên Kính hiển vi electron truyền dẫn để quan sát sự hình thành sợi nano. Đầu tiên, các hạt nhỏ xíu của hợp kim vàng-nhôm được đốt nóng và tan chảy bên trong một phòng chân không sau đó khí silicon được đưa vào phòng. Khi hạt vàng-nhôm tan chảy hấp thụ silicon, nó sẽ trở nên “siêu bão hòa” với silicon, làm silicon kết tủa và hình thành các sợi. Mỗi sợi tạo ra đều được bịt đầu bởi 1 hạt vàng-nhôm lỏng để cấu trúc giống như chiếc nấm.

Sau đó các nhà nghiên cứu giảm nhiễm nhiệt độ bên trong phòng xuống đủ để làm cho chiếc mũ vàng-nhôm rắn chắc lại, cho phép germani lắng đọng trên bề mặt silicon một cách chính xác và có thể khiến nó có khả năng tạo ra một cấu trúc dị thể của silicon và germani.

Chu trình có thể được lặp lại, chuyển khí từ germani đến silicon khi muốn tạo ra các cấu trúc dị thể cụ thể.

Có được một cấu trúc dị thể có thể giúp tạo ra một “cổng” germani trong mỗi transistor cho phép các thiết bị có thể bật và tắt.