Phốt pho đen: Vật liệu hứa hẹn thu nhỏ kích thước thiết bị điện tử

Các nhà khoa học vừa khám phá ra cách thức chế tạo tấm vật liệu nano phốt pho đen với số lượng lớn, hứa hẹn một kỷ nguyên phát triển mới của các thiết bị điện tử kích thước nano.

Trong những năm gần đây, ngành khoa học vật liệu đã phát triển những hệ vật liệu nano mới với rất nhiều các đặc điểm ưu việt hơn so với các loại vật liệu thông thường. Những loại vật liệu này đều có cấu trúc tinh thể 2 chiều siêu nhỏ bao gồm có: graphene, boron nitride, molybdenum disulphite… và một loại vật liệu mới nhất tham gia vào danh sách trên: phốt pho đen.

Phốt pho đen là loại vật liệu được cấu thành từ các nguyên tử phốt pho được sắp xếp dưới dạng tấm mỏng 2 chiều. Cấu trúc của nó có thể tưởng tượng như một tấm vật liệu rất nhỏ với độ dày không vượt quá một nguyên tử. Theo những thí nghiệm đối với loại vật liệu mới này, phốt pho đen cho phép chế tạo được những transistor có hiệu suất rất tốt, hứa hẹn một tương lai tươi sáng cho phốt pho đen trong công nghiệp điện tử.

Tuy nhiên, việc chế tạo phốt pho đen số lượng lớn rất khó khăn. Sau thời gian dài nghiên cứu, một tia hy vọng mới đã mở ra: các nhà khoa học tại học viện Trinity College Dublin tại Ireland đã giải quyết được những vấn đề vướng mắc khi sản xuất phốt pho đen.

Được biết, phốt pho đen dạng thường được cấu tạo bởi rất nhiều lớp cũng giống như graphite. Vì vậy cách sản xuất cũ là chẻ các lớp đó ra bằng các vật liệu nhỏ khác. Cách thức này tiêu tốn rất nhiều thời gian nên gặp hạn chế rất nhiều trong việc sản xuất số lượng lớn.

Vì vậy, Damien Hanlon, tổng công trình sư, đưa ra một giải pháp mới. Thay vì chẻ mỏng khối phốt pho bằng cách truyền thống, các nhà khoa học đặt khối phốt pho đen trong một dung dịch hòa tan và tác động vào khối vật liệu bằng sóng cơ học để tách các miếng vật liệu ra khỏi khối lớn.

Kết quả thu được là một số lượng lớn các tấm vật liệu trong dung dịch, các nhà khoa học sẽ sử dụng thêm máy ly tâm để lọc các tấm vật liệu này theo kích thước phù hợp với từng ứng dụng khác nhau. Chất lượng của những tấm vật liệu này rất cao, với độ dày rất nhỏ chỉ khoảng một vài nguyên tử. Ông Hanlon cho biết: “Phương pháp xẻ tấm sử dụng chất lỏng là một cách rất hiệu quả để sản xuất các tấm nano với số lượng rất lớn”.

Dung dịch được sử dụng để “chẻ” vật liệu là N-cyclohexyl-2-pyrrolidone hay còn được viết tắt là CHP. Các tấm nano phốt pho đen có một vấn đề là chúng tan rã rất nhanh khi tiếp xúc hay không khí có oxy, vì vậy nhờ có dung dịch này mà bề mặt các tấm vật liệu được phủ kín và do đó chúng tồn tại lâu hơn nhiều.

Việc chế tạo thành công phốt pho đen với số lượng lớn mở ra cơ hội phát triển cho rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Các nhà vật lý có thể tận dụng đặc tính của phốt pho đen để chế tạo các linh kiện điện tử như transistor với kích thước rất bé. Các nhà phát triển vật liệu có thể sử dụng phốt pho đen để gia cường sức mạnh cho các loại vật liệu khác.

Một thí nghiệm cho thấy, với sự xuất hiện của phốt pho đen, một tấm phim nhựa PVC có thể gia tăng gấp đôi sức chịu lực và tăng độ bền kẽo dãn lên đến 6 lần. Mặt khác, với khả năng đáp ứng quang học phi tuyến tính của phốt pho đen phụ thuộc vào mật độ, phốt pho đen còn tốt hơn cả graphene.

Với những khả năng này của loại vật liệu mới, trong tương lai sẽ hứa hẹn nhiều cải tiến công nghệ cho nhiều ngành sản xuất. Chúng ta có thể sẽ có những con chip với công nghệ sản suất transistor nhỏ hơn, chúng ta có thể sẽ có những loại vật liệu tổng hợp tốt hơn, những thiết bị quang học với nhiều ưu điểm hơn. Graphene từng gây “sốt” cho cộng đồng với những đặc tính tuyệt vời của mình thì phốt pho đen là một cú hích mới cho giới công nghệ mà ngành vật liệu đem lại.