Chế tạo thành công bóng bán dẫn nhỏ nhất thế giới

Chúng ta muốn các thiết bị điện tử của trở nên mạnh mẽ hơn nữa thì các bóng bán dẫn, tức các công tắc nhỏ xíu tạo nên chúng, cần phải được không ngừng thu nhỏ kích thước. Tuy nhiên, bóng bán dẫn dựa trên silic như hiện nay có một giới hạn là chúng đang sử dụng có thể thu nhỏ lại được bao nhiêu.

Một nguyên tử Silic có kích thước khoảng 0,5 nanomet, nghĩa rằng trong thế hệ thiết bị điện tử hiện tại, đầu cuối của công tắc chỉ được ngăn cách bởi khoảng 30 nguyên tử. Khi con số này giảm xuống 1 con số thì các bóng bán dẫn này sẽ trở nên không thực tế vì cơ học lượng tử bắt đầu xuất hiện với các electron tự nhảy từ đầu này sang đầu kia của công tắc bất kể công tắc bật hay tắt.

Các bóng bán dẫn phân tử bé xíu nhỏ hơn nhiều so với bóng bán dẫn trong máy tính chúng ta đã được xây dựng nhưng vấn đề mà các nhà nghiên cứu đang đối mặt là tìm một cách để kiểm soát chúng một cách đáng tin cậy. Đây không phải là công việc dễ dàng vì các bóng bán dẫn phân tử thường quá nhỏ nên trạng thái bật/tắt lệ thuộc vào vị trí của từng electron.

Một nhóm nghiên cứu quốc tế từ Viện Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI), Đại học Freie Universität Berlin (FUB), Phòng thí nghiệm nghiên cứu cơ bản NTT (NTT-BRL) và Phòng thí nghiệm nghiên cứu hải quân Mỹ (NRL) vừa xây dựng một bóng bán dẫn phân tử được báo cáo có thể kiểm soát một cách chuẩn xác, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong tiến bộ của các thiết bị điện tử kích thước nhỏ.

Hình ảnh của bóng bán dẫn đơn phân tử.

Các bóng bán dẫn ngày này được chế tạo bằng phương pháp trên xuống mà ở đó Silic dạng khối được khắc dần thành hoa văn mong muốn. Tuy nhiên, một bóng bán dẫn phân tử phải được xây dựng từ dưới lên bằng cách lắp ráp lần lượt từng nguyên tử trong phòng thí nghiệm hóa học. Mặc dù cách này nghe có vẻ rất bất thường và cực kỳ tốn công sức nhưng nó cũng là một quy trình rất chuẩn xác và có khả năng tái sản xuất, có tiềm năng làm cho các bóng bán dẫn của tương lai sẽ có độ tin cậy cao hơn dù kích thước bé đến kinh ngạc.

Nhà nghiên cứu Stefan Fölsch và nhóm của mình đã xây dựng bóng bán dẫn mới bằng công nghệ hiển vi hầm quét có (STM) có tính ổn định cao. Thiết bị được lắp ráp bằng cách sử dụng một tinh thể Indium Arsenide và đặt 12 nguyên tử Indium bố trí thành hình lục giác trên nó với một phân tử Phthalocyanine nằm ở giữa.

Theo giải thích của các nhà nghiên cứu, phân tử trung tâm này chỉ liên kết yếu với bề mặt tinh thể bên dưới và điều này có nghĩa rằng khi đầu mút của kính hiển vi rất gần với phân tử và một điện thế được áp vào, các electron đơn lẻ có thể chui qua lại giữa bề mặt tinh thể và đầu mút của kính hiển vi. Các nguyên tử mang điện tích dương quanh phân tử đóng vài trò là cổng bóng bán dẫn, điều tiết dòng chảy electron và dẫn đến một bóng bán dẫn phân tử hoạt động được và đáng tin cậy.

Một hiện tượng bất thường được quan sát là phân tử tự quay theo các hướng khác nhau tùy thuộc vào trạng thái điện tích của nó, do đó, hướng của phân tử có tác động mạnh đối với cách electron chảy ngang qua phân tử.

Các nhà nghiên cứu hiện đang cố gắng hiểu rõ về hiện tượng này và mốt liên hệ giữa hướng phân tử và độ dẫn điện. Nếu được khai thác, kiến thức này có thể giúp chúng ta xây dựng các cấu trúc nano phân tử với khả năng kiểm soát rất chính xác từng electron, dẫn tới các dạng chất bán dẫn và vật liệu nano hiệu suất cao.

Bóng bán dẫn đơn phân tử có thể thay đổi hoàn toàn của ngành công nghệ máy tính trong tương lai, điều này đã được nhiều chuyên gia thừa nhận.

Tham khảo: Gizmag