Từ đá Mặt Trăng đến công nghệ bán dẫn: Thế giới đã phụ thuộc thế nào vào việc đếm nguyên tử

Điều gì khiến cho đá mặt trăng, mảnh vỡ thiên thạch, vi mạch bán dẫn và mảnh đạn vỡ trong các vụ án có điểm chung với nhau? Bí mật nằm ở chỗ tất cả chúng đều phải trải qua một kỹ thuật phân tích cực kì tinh tế: đo phổ tán xạ ngược Rutherford (Rutherford backscattering spectrometry - RBS).

Phương pháp này sử dụng một chùm các hạt mang điện để phân tích thành phần mẫu vật thông qua việc đếm những nguyên tử có trong đó. Nghe có vẻ như chỉ là một bước nhỏ trong quy trình kỹ thuật, sự ra đời của RBS đóng vai trò quan trọng trong bước nhảy vọt của ngành công nghiệp bán dẫn, thu về lợi nhuận hàng trăm tỷ USD mỗi năm cho các doanh nghiệp điện tử.

Một máy gia tốc Pelletron 5SDH-2 được lắp đặt tại Hà Nội cho phép phân tích RBS

Đếm số nguyên tử

Lord Rutherford, nhà hóa học và vật lý học vĩ đại người New Zealand được biết đến là cha đẻ của vật lý hạt nhân. Ông là người đầu tiên đưa ra mô hình hành tinh nguyên tử, đề xuất nó được tạo thành bởi hạt nhân và các electron quay xung quanh. Trước đó, người ta cho rằng nguyên tử giống như một miếng bánh mận giáng sinh với điện tử và điện tích dương lẫn lộn nhau.

Năm 1909, trong khi đang làm thí nghiệm, Rutherford rất ngạc nhiên khi khi thấy các hạt alpha (hạt nhân của một nguyên tử Heli) bị đẩy ngược lại sau khi tác dụng với một lá vàng siêu mỏng. Điều này được ông mô tả lại “giống như bắn súng vào một tờ giấy và thấy vài viên đạn bật trở lại”.

Từ thí nghiệm này, Rutherford đã làm việc miệt mài để giải thích nó bằng mô hình hành tinh nguyên tử. Đồng thời ông cũng tìm ra công thức toán học miêu tả sự bật lại của các hạt alpha mà sau này trở thành tiền đề cho kỹ thuật phân tích tán xạ RBS.

Về cơ bản, RBS được sử dụng để đếm xem có bao nhiêu nguyên tử của các nguyên tố khác nhau có mặt trong một mẫu vật mỏng. Nó là một công cụ tiêu chuẩn và cực kì quan trọng trong phân tích hóa học.

Đá Mặt Trăng trong sứ mệnh Surveyor V

Năm 1967, Anthony Turkevich, một thành viên của dự án bom nguyên tử Manhattan trong thế chiến II, đã phát triển RBS thành một phương pháp chính xác để phân tích các mẫu vật ngoài hành tinh bao gồm đá Mặt Trăng và sao Hỏa. Nó đi kèm với phát xạ tia X và được gọi là phân tích chùm ion.

Trong sứ mệnh Mặt Trăng không người lái Surveyor V, Turkevich tuyên bố phép phân tích RBS của mình chỉ có sai số 1%. Tuy nhiên, 50 năm sau, các nhà khoa học cho rằng con số mà ông đạt được khi đó chỉ cỡ 5%.

Mặc dù vậy, cho tới ngày nay, phương pháp phân tích chùm ion đã được cải tiến rất nhiều. Nó được ứng dụng trên nhiều lĩnh vực từ phân tích mẫu của các thiên thạch cố xưa cho tới kiểm tra tranh vẽ. Tại bảo tàng Louvre ở Pháp, họ có cả một phòng thí nghiệm với máy gia tốc dành riêng cho việc phân tích chùm ion trên các tác phẩm nghệ thuật.

Vi mạch và công nghiệp bán dẫn

Tất cả chúng ta đều biết công nghệ bán dẫn, máy tính điện tử và các thiết bị cầm tay ngày nay đang thay đổi thế giới. Nhưng ít ai biết được rằng phép màu này được tạo ra nhờ sự kì diệu của các điện tử bên trong những vi mạch siêu mỏng.

Điều này chỉ có được sau khi chúng ta pha tạp hay cấy ghép các ion ( nguyên tử hay phân tử bị mất electron) vào vật liệu. Ví dụ, một tấm silic được cấy ghép những ion nguyên tử Asen hoặc Bo sẽ tạo thành những bóng bán dẫn, bộ não của chip điện tử. Quy trình này thông thường cần sử dụng đến một nguồn ion, một máy gia tốc làm tăng năng lượng của chúng và một buồng mục tiêu nơi các ion được cấy ghép vào vật liệu.

Một tấm Silic đang được đưa vào buồng cấy ghép ion

Cấy ghép ion là một trong những công nghệ cơ bản và nền tảng cho mọi ngành công nghiệp liên quan đến bán dẫn. Một điều tối quan trọng là nó phải được điều khiển và kiểm soát một cách cực kì chính xác.

Hàng triệu bóng bán dẫn tí hon phải được đảm bảo hoạt động như nhau trong hàng triệu vi mạch. Và điều đó chỉ được đảm bảo sau khi nó đã trải qua một quy trình đo RBS. Ngày nay, kỹ thuật này được sử dụng như một phương pháp kiểm tra độc lập không thể thiếu trong quy trình cấy ghép ion của công nghiệp bán dẫn.

Phép phân tích không phá hủy mẫu

Có một nguyên nhân dẫn đến việc thế giới đang phụ thuộc rất nhiều vào kỹ thuật RBS, đó là việc nó là một phương pháp phân tích không phá hủy mẫu. Lá vàng mà Rutherford sử dụng trong thí nghiệm của ông năm 1909 không hề bị tổn hại.

Có rất nhiều phương pháp phân tích mẫu vật có thể được sử dụng để thay thế RBS trong nhiều trường hợp, ví dụ như phân tích trọng lực Gravimetry, điện phân Coulometry, phổ đồng vị pha loãng khối lượng... Tuy nhiên, tất cả các phương pháp này đều khiến mẫu vật bị phá hủy.

Một phép phân tích không phá hủy mẫu như RBS là đặc biệt quan trọng với nhiều trường hợp. Nó cho phép nhà nghiên cứu thực hiện nhiều đo đạc liên tiếp với chỉ một mẫu vật, hoặc đơn giản là họ muốn mẫu của họ an toàn sau quá trình kiểm tra.

Bức ảnh đầu tiên trên thế giới "View from the Window" được phân tích RBS tại bảo tàng Louvre, Pháp

Ví dụ điển hình là việc bảo tàng Louvre thực hiện phân tích những báu vật của họ. Để kiểm tra nguyên nhân điều gì khiến bức ảnh vĩnh cửu đầu tiên trên thế giới “View from the Window” trưng bày tại đây đang bị ăn mòn, bảo tàng đã sử dụng dữ liệu RBS để phát hiện ra thiếc bị oxy hóa đến độ sâu 12 micromet là nguyên nhân của vấn đề.

Nói tóm lại, có thể thấy rằng mỗi khi các nhà khoa học phát triển một kỹ thuật mới, những điều kỳ diệu lại bắt đầu thay đổi thế giới. Trong trường hợp của phép phân tích RBS được đặt nền móng bởi Rutherford năm 1909, nó đã mở ra một thời kỳ phát triển mạnh của khoa học vật liệu, góp phần vào nền công nghệp bán dẫn, năng lượng mặt trời và trong tương lai sẽ ngày càng được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực.

Tham khảo Iflscience