Trong khi một chiếc máy tính mỏng ngang tờ giấy vẫn là niềm mơ ước của mỗi chúng ta, nhưng với một chất liệu mới, các máy tính như vậy vẫn là quá dày.
Các kỹ sư từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley thuộc Bộ Năng lượng Mỹ đã phát triển một phương pháp mới để sản xuất các bóng bán dẫn và mạch điện với độ dày chỉ cỡ vài nguyên tử. Kỹ thuật này phụ thuộc vào hai vật liệu quan trọng, graphene dẫn điện và một hợp chất bán dẫn được gọi là Transition -metal di-chalcogenide hay TMDC (một chất bán dẫn độ dầy cấp nguyên tử giữa các chất kim loại chuyển tiếp và các chất chalcogen như lưu huỳnh, Selen).
Do cả hai vật liệu này đều mỏng ở cấp độ nguyên tử, nên sự kết hợp này sẽ mở ra cánh cửa cho thế hệ các thiết bị điện tử 2D. Hơn nữa, phương pháp này đã sẵn sàng để áp dụng trong thực tế.
Cấu trúc một lớp đơn chất TMDC, các nguyên tử màu đen là kim loại chuyển tiếp như Mo, các nguyên tử màu vàng là chất chalcogen.
Đây có thể như một tin tốt cho định luật Moore, vốn dự đoán rằng mật độ bóng bán dẫn sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm. Có thể nói định luật này đã dẫn đường và truyền cảm hứng cho việc nghiên cứu chất bán dẫn trong gần 50 năm qua, nhưng giờ nó đang bước vào thời kỳ mong manh nhất của mình. Ở kích thước 5nm đến 10nm, các kỹ thuật điện toán lại đang chống lại một số định luật cơ bản của vật lý, đặc biệt với những bộ phận được tạo ra từ silicon.
Nói một cách đơn giản, silicon là một vật liệu tích tụ. Tính bán dẫn của Silicon xảy ra nhờ vào việc bổ sung các tạp chất vào cấu trúc dạng lưới trong tinh thể của chúng và việc tận dụng cách sắp xếp này đòi hỏi phải sử dụng một lượng tích tụ các vật liệu. Do vậy, dường như để hạ thấp giới hạn của chất silicon cần cho việc sản xuất chất bán dẫn, sẽ đòi hỏi phải có các vật liệu mới.
"Khi bạn đạt đến kích thước này, bạn sẽ không thể bật tắt các miếng silicon được nữa", Mervin Zhao, tác giả đứng đầu về tài liệu mới được công bố vào thứ Hai vừa qua trên Nature Nanotechonology mô tả về nghiên cứu của phòng thí nghiệm Berkeley, cho biết. "Lúc đó nó sẽ giống như một công tắc hỏng".
Vật liệu graphene điển hình là một lớp hai chiều các nguyên tử carbon.
Sử dụng graphene, một siêu vật liệu hấp dẫn với các tính chất đáng mơ ước để trở thành một tinh thể hai chiều. Trong khi một lớp vật liệu graphene đơn lẻ thiếu một vùng trống điện tử (bandgap: khoảng cách ở giữa vùng hóa trị và vùng dẫn trong chất bán dẫn), do vậy nó thiếu đi khả năng "tắt điện" và không thể hoạt động hiệu quả bên trong một bóng bán dẫn (thực chất là một công tắc bật tắt điện), nó có thể ứng dụng để triển khai trong hệ thống dây điện và các liên kết mạng trong những thiết bị thế hệ tiếp theo.
Còn với vật liệu bán dẫn mới ở đây, ý tưởng là sử dụng graphene như một chất nền dẫn điện, thông qua đó các kênh có thể được khắc bằng phương pháp in litho và sau đó được cấy với một TMDC gọi là Molybden di-Sulfide (MoS2), để nó có thể tự phát triển lên (vốn là phương pháp phổ biến trong việc xây dựng các vật với kích thước nano).
Quá trình khắc sẽ có tác dụng để lại các chỗ khuyết nhỏ và các gai dọc theo những cạnh mới chạm khắc của miếng graphene, tạo ra nơi để chất TMDC bám vào và ưu tiên phát triển dọc theo các cạnh này. Theo cách này, TMDC chỉ phát triển bên trong các kênh dẫn này và không phát triển trên các bề mặt tương đối nhẵn phía trên và dưới của chất graphene.
Raman Mapping: biểu đồ quang phổ Raman và Photoluminescence mapping: biểu đồ huỳnh quang.
Trong khi miếng graphene hai chiều không dễ dàng "tắt" điện, tính chất dẫn điện của nó có thể được điều chỉnh rất cẩn thận. Nó có thể thắt chặt điểm tiếp xúc điện giữa graphene và chất Molybden di-Sulfide trong các mối nối Ohmic đơn lẻ, hoặc các điểm nơi dòng điện đi qua từ một chất bán dẫn đến một chất dẫn điện và ngược lại. Điều này cho phép "dị thể" (heterostructure) cần thiết để tạo nên các bóng bán dẫn hoạt động được, nơi graphene đóng vai trò như một điện cực làm nhiệm vụ bắn dòng điện vào trong Molybden di-Sulfide.
Trong hình vẽ bóng bán dẫn dưới đây, các vùng graphene sẽ được đặt ở mặt dưới các miếng màu trắng mờ, trong khi các ô nhỏ hình vuông màu xanh nhạt là chất TMDC. Trạng thái bật tắt của bóng bán dẫn sẽ được quy định bởi khả năng dẫn điện của cầu nối TMDC, vốn kết nối với các điện cực graphene ở mặt bên kia. Trạng thái này sẽ đại diện cho thông tin.
Trạng thái bật tắt của bóng bán dẫn sẽ được quy định bởi khả năng dẫn điện của cầu nối TMDC.
Như các ghi chú của tài liệu trên, ý tưởng cơ bản này đã được nhận ra trước đây, nhưng nó mới chỉ là một bằng chứng về khái niệm và chưa đến mức độ mở rộng như hiện tại. Trong khi những nỗ lực trước đây đã sử dụng các phương pháp tương đối thủ công khi xây dựng kiến trúc này, ở đây các nhà nghiên cứu đã phát triển được các mạch điện của họ bằng hóa học.
Nói một cách chính xác hơn, chúng đang tự lắp ráp. Điều này có thể thực hiện được là do bản chất kép của graphene, khi vừa đóng vai trò chất nền để TMDC phát triển, vừa là một điểm tiếp xúc điện trong sản phẩm hoàn thiện.
Để chứng minh khả năng mở rộng của kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu Berkeley đã xây dựng một bộ chỉnh lưu, hay cổng NOT, với kích thước chỉ milimet. "Giờ sau khi trình diễn trên một ứng dụng logic, rõ ràng rằng việc điều khiển qua các mô hình được thiết kế một cách tùy ý sẽ đưa ra nền tảng cho phát triển điện toán nguyên tử một cách hóa học". Họ kết luận.
Trong tương lai, có thể các thiết bị mỏng như tờ giấy này vẫn là quá dày.
Trong khi Zhao và nhóm của mình dường như đã giải quyết được một vấn đề rất sâu sắc, hiện tại nó mới chỉ kiến thức cơ bản hơn là kiến thức thực tế. Trong khi các bóng bán dẫn ở đây có thể chỉ mỏng bằng một nanomet, chúng ta vẫn đang dùng các bóng bán dẫn với kích thước milimet cả về chiều dài và chiều rộng. Thu hẹp công nghệ hiện tại xuống đến giới hạn của silicon, nơi kích thước chiều dài và chiều rộng của bóng bán dẫn có thể so sánh với độ dày của vật liệu này vẫn là điều chưa thể nói trước.
"Liệu khi xuống đến kích thước 5 nm, nó sẽ còn hoạt động như một bóng bán dẫn hay không, tôi cũng không biết". Ông Zhao cho biết. "Có thể nó sẽ hoạt động, nhưng sẽ còn nhiều vấn đề phải giải quyết để làm thế nào lắp ráp nhiều vật liệu như vậy với nhau thành các mạch điện. Đó mới chỉ là bước đầu tiên của cả quá trình này".