Biểu tượng cũ bộc lộ điểm yếu
Các chip bán dẫn bằng silicon nhỏ xíu chính là biểu tượng cho sự phát triển của công nghệ điện tử và máy tính. Chúng hiện là trung tâm của gần như mọi vật phẩm điện tử mà chúng ta sử dụng. Kể từ khi chiếc bóng bán dẫn đầu tiên ra đời năm 1947, số bóng bán dẫn trong mỗi chip xử lý đã tăng từ vài ngàn lên đến vài tỷ.
Silicon trở thành vật liệu hàng đầu cho công nghiệp điện tử nhờ tính sẵn có, dễ chế tạo và ôxít của nó là SiO2 lại cách nhiệt rất tốt. Tuy nhiên, nó sẽ gặp những cản trở về công nghệ trong tương lai gần. Kích thước chip không thể thu nhỏ mãi và càng đến gần kích thước hạn chế về lý thuyết (kích thước của phân tử silic là 0,2nm), vật liệu càng trở nên kém ổn định và khó kiểm soát.
Silicon cũng không hẳn là lựa chọn hoàn hảo trong mọi trường hợp. Đặc tính hữu ích của vật liệu bán dẫn không chỉ liên quan đến chuyển động của các điện tử mà còn là các lỗ trống điện tử - khoảng trống còn lại trong mạng dịch chuyển của các điện tử quanh hạt nhân sau khi điện tử dời đi. Các bóng bán dẫn CMOS thế hệ mới cần sử dụng tính năng của cả điện tử và lỗ trống; nhưng ở silicon, khả năng linh hoạt của lỗ trống điện tử rất thấp, làm giảm hiệu năng của vật liệu.
Các nhà khoa học thuộc Đại học Wisconsin-Madison và bóng bán dẫn bằng ống sợi nano carbon. Ảnh: Wisc
Một lý do nữa là hiệu năng giảm mạnh khi nhiệt độ tăng cao. Các vi mạch hiện đại chứa hàng tỷ bóng bán dẫn, tạo ra nhiệt lượng lớn, tiêu tốn nhiều năng lượng để làm mát. Các nhà khoa học đã phải thay vật liệu bán dẫn silicon bằng gallium nitride (GaN) hoặc silicon carbide (SiC) trong một số trường hợp cần ứng dụng công suất cao.
Vì vậy, một cuộc cách mạng về chế tạo bán dẫn hoặc vật liệu thay silicon là điều mà những nhà khoa học lo xa luôn nghĩ đến.
Bóng bán dẫn bằng ống sợi nano carbon
Ống sợi nano carbon từ lâu đã được xem là ứng cử viên tiềm năng thay thế silicon. Về lý thuyết, các vật liệu này có khả năng hoạt động nhanh gấp 5 lần bóng bán dẫn silicon. Kích cỡ siêu nhỏ theo các chiều của ống nano carbon cũng cho phép dòng điện đi qua nó biến đổi nhanh chóng. Để biến tiềm năng thành hiện thực, các kỹ sư đã mất nhiều năm tìm cách điều chỉnh các thông số ống sợi nano carbon nhằm tạo ra các linh kiện điện tử tiêu thụ ít năng lượng hơn.
Mới đây, Đại học Wiscosin-Madison (Mỹ) phát triển được bóng bán dẫn bằng nano carbon có hiệu suất cao hơn bóng bán dẫn tiên tiến hiện nay. Đột phá này có thể sẽ làm thay đổi vĩnh viễn ngành sản xuất vi xử lý. Nếu họ thành công với vật liệu này, công chúng sẽ được sử dụng các thiết bị viễn thông không dây nhanh hơn, tuổi thọ pin dài hơn và tốc độ xử lý cao hơn.
Các nhà khoa học của Đại học Wiscosin-Madison đã sử dụng vật liệu cao phân tử để chọn lọc ống sợi nano carbon bán dẫn. Họ đã tạo ra được một dung dịch ống sợi nano carbon bán dẫn với độ tinh khiết ở cấp độ cực cao (cấp ultra-high). Chế tạo vật liệu tinh khiết là một nhiệm vụ quan trọng bởi tạp chất thường tương tác giống như những sợi dây đồng nằm ẩn trong vật liệu, gây hiện tượng tương tự đoản mạch, làm ảnh hưởng tiêu cực đến các đặc tính bán dẫn.
“Chúng tôi đã xác định được các điều kiện cụ thể để qua đó loại bỏ gần như toàn bộ các ống nano kim loại” - Michael Arnold - Giáo sư của Đại học Wisconsin-Madison, đồng thời là trưởng nhóm nghiên cứu - cho biết.
Arnold và các cộng sự đã so sánh vật liệu bán dẫn bằng ống sợi nano carbon do họ tạo ra với một bóng bán dẫn silicon có cùng kích thước, cùng dòng và hình dạng. Kết quả cho thấy các bóng bán dẫn bằng ống sợi nano carbon có thể tải được dòng điện có cường độ cao gấp 1,9 lần so với hầu hết các bóng bán dẫn silicon.
Theo Giáo sư Arnold, thành tựu mới đạt được này vốn đã là niềm mong ước của ngành công nghệ nano trong hai thập kỷ vừa qua. Ông tuyên bố kết quả này đã đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng ống sợi nano carbon cho ngành viễn thông tốc độ cao, thuật toán logic và các công nghệ điện tử khác.
Theo nhận định chung của cộng đồng khoa học, bóng bán dẫn bằng ống sợi nano carbon có thể được ứng dụng rất tốt cho công nghệ viễn thông không dây vốn dựa rất nhiều vào các dòng năng lượng truyền qua một diện tích không gian nhỏ.
Nhóm nghiên cứu hiện cũng đang tìm phương án để điều chỉnh thiết bị sao cho phù hợp với các hình dạng cần thiết của bóng bán dẫn silicon. Thông qua quỹ Vinh danh nghiên cứu của Đại học Wiscosin, công nghệ mới cũng đã được cấp bằng sáng chế.