Nhắc tới các thiết bị điện tử, ngay lập tức chúng ta biết rằng gần như toàn bộ các linh kiện quan trọng của nó được chế tạo từ vật liệu bán dẫn (semiconductor). Không giống như các chất dẫn điện hay điện môi, vật liệu bán dẫn là loại lai tạp khi nó sở hữu cả hai tính chất này: ở một điều kiện nào đó nó sẽ dẫn điện và nó sẽ cách điện trong những trường hợp còn lại. Mặc dù công nghệ chế tạo đã có nhiều đổi thay và cải tiến trong những năm qua, các vi mạch bán dẫn vẫn có những nhược điểm cơ bản chưa thể xóa bỏ, đó là: cứng và cản sáng. Hơn nữa, do yêu cầu của thực tế, những thành phần đơn vị của mạch bán dẫn ngày càng phải nhỏ hơn, điều mà các nhà sản xuất còn đang tập trung giải quyết do phải đối mặt với những rào cản kĩ thuật nhất định. Gần đây có một vài phát minh liên quan tới các vật liệu bán dẫn trong suốt như điện trở ZTO, bán dẫn chất dẻo, màn hình dẻo... nhưng chi phí sản xuất ra chúng cũng còn là một vấn đề nan giải. Tuy nhiên, mọi việc sẽ diễn ra theo chiều hướng thuận lợi hơn rất nhiều dựa trên nghiên cứu mới đây của các chuyên gia tại Đại học khoa học và công nghệ Na Uy (NTNU), khi họ phát triển thành công một phương pháp "nuôi cấy" các ống nano bán dẫn siêu nhỏ trên nền đế graphene.
Graphene
Khi nói về tương lai của vật liệu chế tạo các thiết bị điện tử, người ta không thể không nhắc tới graphene, đối tượng được quan tâm và được đầu tư nghiên cứu rầm rộ nhất trong những năm qua. Về mặt cấu tạo, thực chất graphene là một dạng thù hình của nguyên tố carbon. Trong tinh thể graphene, các nguyên tử carbon liên kết với nhau theo quy tắc cộng hóa trị để tạo thành các ô hình lục giác. Tuy nhiên, không giống như một dạng thù hình khác của carbon là graphite, mạng tinh thể này chỉ có cấu trúc hai chiều, tức là độ dày của nó chỉ vào kích cỡ của một nguyên tử. Do có cấu trúc đặc biệt như vậy, graphene có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, trong suốt với ánh sáng và điều quan trọng nhất đối với việc triển khai công nghiệp là chi phí tạo ra các mạng vật liệu ở mức rất hợp lý. (Để hiểu thêm các cấu trúc tinh thể và vô định hình khác của carbon, các bạn có thể xem bài giới thiệu của Tinhte.vn ở đây)
Kỹ thuật tạo ra vật liệu bán dẫn của các nhà khoa học tại NTNU
Với mục tiêu tạo ra một thế hệ vật liệu mới mang tính cách mạng, các nhà khoa học tại NTNU đã phát triển một kỹ thuật "nuôi cấy" đặc biệt từ nền graphene. Đầu tiên, họ đặt mạng graphene vào một buồng chân không nhằm tránh ảnh hưởng của môi trường. Tiếp theo, họ phun các nguyên tử gallium và asen lên lớp màng vật liệu đế. Do có hiệu ứng liên kết, các nguyên tử gallium tiếp xúc sẽ xếp lên trên mặt mạng graphene và tạo thành những cấu trúc lục giác đồng dạng với nó. Trong khi đó, các nguyên tử gallium ở lớp trên tiếp tục liên kết với lớp tiếp xúc và chồng lên nhau. Chúng cũng kết hợp với các nguyên tử asen và cấu trúc được mở rộng cho tới khi tạo thành một hình ống nano siêu nhỏ với độ dày vào khoảng 1 micromet.
Tính chất của vật liệu chế tạo theo phương thức mới
Nhờ quá trình chế tạo như trên, vật liệu bán dẫn tạo ra có tính mềm dẻo, trong suốt với ánh sáng. Chúng cũng là một chất dẫn điện và dẫn nhiệt tuyệt vời. Và như đề cập ở trên, do giá thành sản xuất graphene tương đối rẻ nên vật liệu chế tạo theo cách này đưa đến khả năng triển khai công nghiệp rộng lớn.
Theo nhóm nghiên cứu, pin mặt trời, kính cửa sổ trong nhà thông minh, các thành phần tạo nên màn hình LCD dẻo là những mục tiêu gần nhất mà họ dự định đưa vào áp dụng loại vật liệu sinh ra từ nền graphene này. Tất nhiên, họ sẽ không thể bỏ qua những cơ hội mang lại lợi nhuận kếch xù của nền công nghiệp thiết bị di động như điện thoại và máy tính bảng. Trong thời gian tới nhóm chuyên gia sẽ phát triển những mẫu ứng dụng cụ thể đầu tiên. Họ đang liên lạc với những nhà sản xuất thiết bị điện tử hàng đầu thế giới như Samsung và IBM để bàn kế hoạch hợp tác và giới thiệu những mẫu này.
Mời các bạn xem thêm video dưới đây để rõ thêm các chi tiết về phương pháp chế tạo mới này:
