Trong tự nhiên, nếu cơ thể của mọi sinh vật đều được xây dựng từ chất hữu cơ với cacbon là nguyên tố chủ chốt thì máy tính cũng có một chất là nền móng của chúng: silicon. Nguyên tố á kim này luôn là trái tim của mọi tiến bộ công nghệ trong hơn 50 năm qua, từ những cỗ máy lớn bằng cả căn phòng ngày xưa cho đến smartphone hiện nay. Nhưng khi các bóng bán dẫn trong chip ngày càng nhỏ đi thì chất này cũng bộc lộ nhiều hạn chế và đây là lúc người ta bắt đầu tìm đến các vật liệu mới.
Trái Đất là hành tinh đất đá nên không lạ gì khi nó có rất nhiều silicon, chủ yếu nằm trong cát. Sự phổ biến này khiến giá mua nguyên liệu thô để làm chip rất rẻ. Ngoài chi phí thì lợi thế giúp silicon trở thành “vua” của ngành bán dẫn là vì nó có khả năng tạo một lớp oxit tự nhiên (SiO₂) siêu ổn định khi tiếp xúc với khí oxy. Lớp oxit này chính là chất cách điện hoàn hảo, bởi đó mà người ta mới có thể làm ra các cực điều khiển (gate) của bóng bán dẫn một cách chính xác.
Từ thập niên 1960 trở đi thì ngành chip đã thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn silicon cứ sau mỗi hai năm theo Định luật Moore, nhưng khi thu về dưới 32 nanomét (nm) thì tốc độ này dần chững lại. Khi còn 3 nm hoặc nhỏ hơn, bề mặt lớp silicon trở nên “gồ ghề" và làm loạn dòng chảy của các electron gây rò rỉ điện.
Silicon đã chiếm lĩnh ngành bán dẫn hàng chục năm nay
Trái Đất là hành tinh đất đá nên không lạ gì khi nó có rất nhiều silicon, chủ yếu nằm trong cát. Sự phổ biến này khiến giá mua nguyên liệu thô để làm chip rất rẻ. Ngoài chi phí thì lợi thế giúp silicon trở thành “vua” của ngành bán dẫn là vì nó có khả năng tạo một lớp oxit tự nhiên (SiO₂) siêu ổn định khi tiếp xúc với khí oxy. Lớp oxit này chính là chất cách điện hoàn hảo, bởi đó mà người ta mới có thể làm ra các cực điều khiển (gate) của bóng bán dẫn một cách chính xác.
Từ thập niên 1960 trở đi thì ngành chip đã thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn silicon cứ sau mỗi hai năm theo Định luật Moore, nhưng khi thu về dưới 32 nanomét (nm) thì tốc độ này dần chững lại. Khi còn 3 nm hoặc nhỏ hơn, bề mặt lớp silicon trở nên “gồ ghề" và làm loạn dòng chảy của các electron gây rò rỉ điện.
Sự nổi lên của vật liệu 2D
Đây là lúc vật liệu 2D xuất hiện, loại vật liệu này có độ dày chỉ từ một đến vài nguyên tử chứ không phải mạng lưới lập phương “dày” giống silicon. Người ta gọi là 2D vì nó mỏng không khác gì hình vẽ 2D trên giấy với độ dày (chiều thứ ba) không đáng kể. Độ mỏng đó “buộc” các electron phải đi đứng ngay hàng thẳng lối trên một mặt phẳng thay vì chạy loạn theo nhiều hướng như trên silicon. Nhờ vậy mà các cực điều khiển trên bóng bán dẫn có thể kiểm soát dòng điện tốt hơn, giu1p ngắt/mở dòng điện dứt khoát và hạn chế chuyện rò rỉ điện.
Trong đó chất molybden disulfua (MoS₂) đang được coi là ứng viên sáng giá. Đây là một chất rắn màu xám đen, trong tự nhiên thì nó tồn tại dưới dạng khoáng vật molybdenite có nhiều ở các mỏ quặng tại Bắc Mỹ và Mêxicô.
Bột Molybden disulfua
Vật liệu MoS₂: ngôi sao mới của thế giới chip
Cấu trúc của MoS₂ nhìn giống như bánh sandwich, gồm một lớp nguyên tử molybden nằm giữa hai lớp nguyên tử lưu huỳnh (S) với độ mỏng chỉ khoảng 0,65 nm. Dòng electron hoặc là chỉ có thể đi ở lớp có nguyên tử molybden ở giữa hoặc là không có electron nào đi trong đó cả. Do vậy mà nó có thể dễ dàng chuyển đổi giữa trạng thái “dẫn điện” và “cách điện”, cho phép người ta làm ra các bóng bán dẫn siêu nhỏ mà vẫn đạt hiệu suất năng lượng cao. Năm 2023 một nhóm nghiên cứu từ Đại học Bắc Kinh đã trình diễn sản xuất được nhiều tấm wafer MoS₂ có đường kính từ 5 – 30,5 cm.
Ống nano carbon
Bên cạnh MoS₂, còn một loại vật liệu khác cũng tiềm năng là ống nano carbon. Chúng là các tấm graphene (than chì nhưng chỉ có một lớp nguyên tử cacbon duy nhất) được cuộn lại thành những ống cực nhỏ. Các electron có thể di chuyển trên đó cực nhanh và tản nhiệt tốt, giúp nó truyền tải điện nhanh hơn silicon.
Quảng cáo
Thách thức ở đây là làm sao để sắp xếp hàng tỷ ống nano thẳng hàng hoàn hảo trên một diện tích nhỏ. Dù khó nhưng vẫn khả thi bởi các kỹ sư tại MIT đã từng chế tạo thành công một bộ vi xử lý 16-bit hoàn chỉnh từ ống nano cacbon hồi năm 2019.
Chất indium selenua (InSe) cũng là một vật liệu hứa hẹn khác, nhưng nó hơi khó kiếm và có ít nhất 5 trạng thái tinh thể khác nhau, mà lại chỉ có một vài trạng thái là phù hợp để làm chip.
Ống nano cacbon
Năm ngoái các nhà khoa học ở Đại học Phúc Đán (Thượng Hải) cũng đã tạo ra con chip lai đầu tiên trên thế giới kết hợp thành công giữa vật liệu 2D với mạch silicon trên cùng một tấm wafer. Dù sao thì silicon vẫn sẽ là vật liệu nền của chip máy tính trong nhiều năm nữa, nhưng sự hiệu quả của các con chip tương lai hẳn là sẽ thuộc về những vật liệu 2D như MoS₂.
TechXplore, RefractoryMetal, Gizmodo.
