Tương lai của bán dẫn: Vanadium-dioxide - Kim loại kì lạ không toả nhiệt khi dẫn điện

Các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, thuộc viện năng lượng và đại học California đã có một phát hiện mang tính cách mạng khi tìm ra khả năng dẫn điện mà không tỏa nhiệt của các dây dẫn siêu nhỏ làm từ Vanadium-Dioxide (VO2). Phát hiện này có tiềm năng ứng dụng to lớn cho một loạt các ngành kĩ thuật công nghệ và công nghệ tiêu dùng.

Phát hiện đi ngược lại định luật Wiedemann-Franz, đó là bất cứ chất dẫn điện nào cũng tỏa và dẫn nhiệt. Theo định luật, đáng ra VO2 phải tỏa nhiệt gấp 10 lần. Đó là do VO2 khiến các điện tử electron di chuyển theo kiểu sóng giống như chất lỏng thay vì di chuyển dưới dạng các hạt như trong các vật liệu khác. Điều này ngăn sự chuyển hóa năng lượng thành nhiệt lượng gây ra hao hụt và điện trở giống như trong các kim loại khác.

Một thuộc tính thú vị khác của VO2 đó là khi được pha trộn cùng các chất khác, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt của vật liệu này có thể được điều khiển sử dụng nhiệt độ. Hiện tượng giao pha này khiến vật liệu có thể trở thành chất dẫn điện hoặc chất cách điện.

Một thuộc tính thú vị khác của VO2 đó là khi được pha trộn cùng các chất khác, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt của vật liệu này có thể được điều khiển sử dụng nhiệt độ. Hiện tượng giao pha này khiến vật liệu có thể trở thành chất dẫn điện hoặc chất cách điện.

Vanadium dioxide từng được phỏng đoán rằng sẽ có nhiều ứng dụng trong quy trình tạo ra các bóng bán dẫn có thể tắt mở tùy theo nhiệt độ. Sự chuyển pha này sẽ xảy ra với toàn bộ bóng bán dẫn, thay vì với bóng bán dẫn FET hiện nay sử dụng công tắc. Điều này có nghĩa là bóng bán dẫn sẽ bền hơn và tắt mở nhanh hơn, mát hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.

"Nghiên cứu trên đã phá vỡ một định luật cơ bản từ lâu đã là tiền đề cho các loại bóng bán dẫn thông thường. Phát hiện này sẽ trở thành tiền đề cho các loại bóng bán dẫn mới" - Junqiao Wu, một nhà vật lí tại bộ phận khoa học vật liệu, phòng thí nghiệm Berkeley.

Vanadium dioxide sẽ có nhiều ứng dụng trong quy trình tạo ra các bóng bán dẫn tắt mở tùy theo nhiệt độ. Điều này có nghĩa là bóng sẽ bền hơn và tắt mở nhanh hơn, mát hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.

Vanadium dioxide còn có tiềm năng ứng dụng trong các hệ thống nhiệt điện siêu nhỏ, đem lại khả năng "tái chế" năng lượng hao hụt dưới dạng nhiệt thành điện năng nhằm tiết kiệm pin.

Tuy nhiên, đừng mong chờ Vanadium-dioxide xuất hiện trong các sản phẩm công nghệ sớm vì hiện tại, các nhà nghiên cứu còn phải thực hiện nhiều thử nghiệm hơn trước khi VO2 có thể được thương mại hoá.