Ảnh Minh Họa
Theo báo cáo vừa công bố trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature, các nhà nghiên cứu đã phát triển thành công một quy trình sản xuất bán dẫn siêu mỏng với kích thước chỉ bằng 3 nguyên tử. Đây là thiết bị được tạo thành từ vật liệu kim loại chuyển tiếp dichalcogenide (TMD) với ưu điểm là kích thước vô cùng mỏng, hứa hẹn sẽ được đùng dể chế tạo nhưng lớp màng tế bào năng lượng Mặt Trời, thiết bị dò ánh sáng hoặc làm chất bán dẫn trong các thiết bị công nghệ cao. Đồng thời, thành công này hứa hẹn sẽ giúp tăng cường mật độ bóng bán dẫn trên đơn vị diện tích, đảm bảo tính đúng đắn của định luật Moore trong tương lai.
Trước đây, các nhà khoa học đã nhận thấy những đặc tính thú vị và đầy hứa hẹn của TMD - loại vật liệu vô cùng mỏng, kích thước thông thường chỉ bằng ngoài nguyên tử. Tuy nhiên, việc sử dụng TMD để chế tạo bán dẫn, cảm biến siêu nhỏ nhưng vẫn đảm bảo đặc tính bền vững là việc làm vô cùng khó khăn. Và sau nỗ lực nghiên cứu, thành công lần này hứa hẹn sẽ sớm trở thành quy trình sản xuất TMD thương mại và giấc mơ về những vi mạch, cảm biến ở kích thước nguyên tử lóe lên tia hy vọng trở thành hiện thực. Saien Xie, một trong những thành viên của nhóm nghiên cứu cho biết: "Nghiên cứu của chúng tôi về TMD đã thúc đẩy sự ra đời của những sản phẩm khác có liên quan ở cấp độ siêu nhỏ. Về nguyên tắc, không có rào cản nào ngăn chặn tiến trình thương mại hóa loại vật liệu này."
Theo báo cáo đăng tải trên tạp chí Nature, lần này các nhà nghiên cứu đã tìm được một cách hoàn toàn mới để sản xuất TMD với các đặc tính ưu việt và đặc biệt là ổn định hơn so với những phương pháp trước đó. Cụ thể, họ đã sử dụng kỹ thuật công nghiệp mang tên "Lắng đọng hơi hóa học" (MOCVD). Đầu tiên, quy trình này sử dụng một hỗn hợp 2 hợp chất công nghiệp đang được sử dụng hiện nay là hợp kim diethylsulfide vàhexacarbonyl. Sau đó hỗn hợp sẽ được trộn trên một tấm wafer silicon và đem nung tại nhiệt độ 550 độ C trong vòng 26 giờ với sự có mặt của khí Hydro. Kết quả cuối cùng là một bảng 200 bóng bán dẫn siêu mỏng với các tính chất điện tuyệt vời và chỉ có vài lỗi. Chỉ 2 trong số 200, tương đương với 1% bóng bán dẫn là bị lỗi.
Đây là quy trình sản xuất TMD tốt nhất từng được thực hiện từ trước đến nay và hoàn toàn có thể tiếp tục phát triển đểt thương mại hóa. Tuy nhiên, bước tiếp theo, các nhà khoa học phải đảm bảo rằng quy trình sẽ tạo nên sản phẩm với tính nhất quán tuyệt đối. Humberto Gutierrez, nhà vật lý học tại Đại học Louisville, người cũng đang tiến hành các nghiên cứu có liên quan tới vật liệu siêu mỏng (không tham gia nghiên cứu lần này) cho biết: "Báo cáo lần này là một nguồn tư liệu quan trọng để hiểu về loại vật liệu này,tuy nhiên vẫn còn thiếu những nghiên cứu một cách có hệ thống và bao gồm thêm những phương pháp không được sử dụng lần này. Nhiều nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng phương pháp MOCVD không thể áp dụng một cách nhất quán giữa các phòng thí nghiệm khác nhau và nhiều sản phẩm cũng có chất lượng tinh thể khá thấp."
Nếu thành quả nghiên cứu lần này tiếp tục được triển khai, nó có thể sẽ là một cuộc cách mạng quan trọng cho các thế hệ sản phẩm điện tử trong tương lai. Hiện tại, các nhà sản xuất đã gần đạt tới mật độ giới hạn của bán dẫn silico, từ đó một số ý kiến còn cho rằng định luật Moore cũng sắp phải kết thúc. Nếu các thiết bị điện tử cứ ngày càng nhỏ hơn và nhanh hơn, chúng ta cần một loại vật liệu siêu nhỏ có thể chứa toán bộ các mạch điện dày đặt bên trong vẫn đảm bảo tính ổn định, không quá nhiệt dẫn tới bị phá hủy. Hiện tại, người ta đã đề cử TMD và graphene như 2 vật liệu thay thế cho silicon vốn đang được sử dụng rộng rãi hiện nay.
Như đã nói ở trên, TMD thường được nhắc tới cùng với người anh em của nó trong thế giới vật liệu siêu mỏng công nghệ cao: graphene. Cả 2 loại vật liệu đều có thể tạo ra những sản phẩm siêu mỏng cỡ vài nguyên tử và thậm chí, các nhà khoa học còn gọi chúng là "vật liệu 2 chiều". Sử dụng tại những vị trí liên kết, chúng có thể tạo thành 1 mối nối chỉ dày bằng 1 lớp nguyên tử. Và nếu được dùng để làm chip, các nhà sản xuất có thể "nhồi nhét" số lượng bán dẫn chưa từng có vào một con vi xử lý hiện đại.
Trước mắt, nhóm nghiên cứu vẫn còn phải tiếp tục giải quyết những mâu thuẫn còn tồn đọng để tăng cường tính khả thi khi tiến hành thương mại hóa. Đồng thời, họ phải tìm cách sản xuất được TMD ở nhiệt độ thấp hơn nhằm phù hợp với các sản phẩm điện tử thông thường do rất nhiều vật liệu phụ trợ không thể chịu được nhiệt độ 550 độ C. Nếu giải quyết được tất các tồn đọng, nghiên cứu lần này có thể tạo nên một cuộc cách mạng vĩ đại trong ngành công nghiệp điện tử trong tươnng lai.
