Bằng chuỗi nguyên tố đất hiếm telua, các nhà khoa học nỗ lực đẩy giới hạn định luật Moore ra xa hơn nữa

Để tăng cường sức mạnh tính toán cho con chip bé xíu, các kỹ sư và các nhà khoa học phải tìm được cách đưa thêm bóng bán dẫn lên một mảnh silicon vốn đã rất chật chội. Điều đáng buồn: định luật Moore ngăn chúng ta làm vậy, bởi lẽ sẽ đến lúc ta không thể làm cho dây dẫn nhỏ hơn được nữa. Nhưng rõ ràng các kỹ sư không bỏ cuộc dễ dàng thế.

Thay vì làm cho dây mỏng hơn, các nhà nghiên cứu “lách luật” bằng cách xoắn dây lại để đẩy giới hạn dưới của kích cỡ dây ra xa hơn nữa. Nhóm các nhà khoa học được hậu thuẫn tài chính bởi Quân đội Mỹ đã tìm ra cách vặn dây nano làm từ nguyên tố đất hiếm telua (tellurium trong tiếng Anh) để tạo ra một bóng bán dẫn có chiều ngang chỉ vài nano mét.

“Vật liệu tellurium này quả thật độc nhất vô nhị”, Peide Ye, kỹ sư điện công tác tại Đại học Purdue cho hay. “Từ nó, chúng tôi có thể làm được loại bóng bán dẫn nhỏ nhất thế giới”.

Bóng bán dẫn là thành phần tối quan trọng trong đồ điện tử, việc bật/tắt dòng điện đi qua bóng bán dẫn biểu diễn cho hai giá trị 0 và 1 trong hệ đếm nhị phân, và chính qua bóng bán dẫn mà thông tin có thể truyền đi trong thiết bị điện tử. Càng nhiều bóng bán dẫn, sức mạnh tính toán sẽ càng tăng nhưng đi kèm với nó, nhiệt tạo ra từ quá trình đồ điện tử hoạt động cũng càng nhiều.

Từ năm 1965, George Moore, đồng sáng lập hãng linh kiện điện tử Intel đã nói rằng xu hướng sản xuất chip tương lai là cứ 2 năm/lần, lượng bóng bán dẫn tăng gấp đôi. Những năm gần đây, định luật Moore không còn đúng như trước, độ đặc của bóng bán dẫn trên chip không còn tăng mạnh như xưa.

Một trong những cách thức lách luật là giảm bớt số nguyên tử có trong nguyên liệu sản xuất bóng bán dẫn nhưng vẫn đảm bảo hoạt động của thiết bị. Và đó là lúc ta tìm tới telua.

Đây là nguyên tố hiếm được dùng rộng rãi trong sản xuất hợp kim, tăng độ rắn của vật liệu cũng như giảm khả năng ăn mòn của môi trường. Nó mang cả đặc tính của chất bán dẫn - ở một số trường hợp nhất định, nó có thể mang dòng điện nhưng lại có điện trở khi đặt trong điều kiện khác.

Quan sát telua ở mức hiển vi, các nhà khoa học phát hiện ra các nguyên tử của nó không nằm thành một đường thẳng. “Nguyên tử của silicon thì nằm thẳng, nhưng nguyên tử của telua lại được xếp như hình dạng một con rắn vậy. Đây là cấu trúc rất độc đáo”, giáo sư Ye nói.

Nghiên cứu kỹ hơn, các kỹ sư phát hiện ra chuỗi nguyên tử telua hình thành từ các cặp nguyên tử telua gắn chặt với nhau, tạo thành dạng tinh thể rồi xoắn ốc thành chuỗi bởi lực van der Waals - một loại lực yếu sinh ra khi nguyên tử/phân tử được đặt gần nhau.

Vì bản chất lực van der Waals yếu (vì các hạt mà xa nhau chút thôi là khả năng kết dính tan biến ngay), nên việc làm ra đồ điện tử bằng dây nano gắn kết với nhau theo cách này không hiệu quả. Để tạo ra cấu trúc vững chãi cho vật liệu này, các nhà nghiên cứu để mắt tìm kiếm một vật chất khác có thể giữ vững được liên kết của các nguyên tử telua.

Ống nano làm từ bo nitrua có thể là câu trả lời. Các chuỗi xoắn telua không chỉ nằm gọn bên trong ống, mà thứ ống nano này còn đóng vai trò chất cách nhiệt, thế là toàn bộ cấu trúc này đã đủ điều kiện trở thành một bóng bán dẫn. Quan trọng hơn, dây bán dẫn chỉ rộng 2 nano mét, thế là đủ mỏng để mang ra so sánh với kỷ lục dây 1 nano mét mới được thành lập vài năm trước.

Thời gian sẽ trả lời xem ta có thể làm cho dây mỏng hơn nữa, và liệu xem nó có hoạt động hay không. Nếu thành công, đây sẽ là bước tiến mới trong quá trình chế tạo bóng bán dẫn/đồ điện tử thế hệ mới.

“Trong bước tiếp theo, các nhà nghiên cứu sẽ tìm cách tối ưu hóa thiết bị để cải thiện hiệu năng toàn hệ thống, biểu diễn một mạch điện hiệu quả sử dụng những thành tố là chính những bóng bán dẫn siêu nhỏ này”, Joe Qiu, quản lý chương trình nghiên cứu công tại tại Văn phòng Nghiên cứu Quân đội cho hay.

Nghiên cứu được xuất bản trên tạp chí Nature Electronics.