Chất thay thế cho Silicon, một bước đột phá mới

Sthay thế choSxương cừu,A NôiBphản hồi

Các nhà nghiên cứu đang chế tạo các bóng bán dẫn thu nhỏ bằng cách sử dụng dây kim loại mỏng nhất thế giới làm điện cực cổng, một thành phần quan trọng điều khiển việc đóng và mở bóng bán dẫn.

Thay vì sử dụng silicon hoặc kim loại, các nhà nghiên cứu đã tạo ra cổng từ molypden disulfide – một chất bán dẫn có thể thay thế silicon trong những thập kỷ tới. Khi hai mảnh MoS2 đặt sai vị trí được kết hợp, ranh giới của chúng trở thành một sợi dây chỉ dày 0,4 nanomet, nhỏ hơn nhiều so với phần nhỏ nhất của một bóng bán dẫn trong các CPU tiên tiến nhất hiện nay. Các nhà nghiên cứu, chủ yếu có trụ sở tại Viện Khoa học Cơ bản Daejeon ở Hàn Quốc, đã tích hợp sợi dây này như một thành phần chính của bóng bán dẫn siêu nhỏ.

Công trình của họ đánh dấu lần đầu tiên những đường ranh giới này được sử dụng để chế tạo bóng bán dẫn. Phương pháp của họ có thể không sớm được đưa vào sản xuất thương mại, nhưng thành tựu này có thể khuyến khích các nhà nghiên cứu tiếp tục khám phá những sợi dây như vậy và chế tạo ra những bóng bán dẫn thực tế hơn trong những năm tới.

Molypden disulfide là một ví dụ điển hình của chất bán dẫn hai chiều. Silicon và các chất bán dẫn khác đang được sử dụng hiện nay đòi hỏi các chiều thứ ba phức tạp để hoạt động bình thường. Nhưng như tên gọi của nó, chất bán dẫn hai chiều có thể được chế tạo theo các lớp phẳng.

Graphene (một lớp nguyên tử carbon) có thể là vật liệu hai chiều nổi tiếng nhất, nhưng các nhà khoa học và kỹ sư đã đạt được tiến bộ đáng kinh ngạc với MoS2 và các loại disulfide kim loại chuyển tiếp tương tự. Trong trường hợp của MoS2, cấu trúc phân tử của hợp chất này chỉ dày ba nguyên tử (khoảng 0,4 nanomet).

Molypden disulfide có thể có một lợi thế quan trọng khác trong việc giảm chiều dài cổng (khoảng cách giữa cực nguồn và cực thoát) của bóng bán dẫn, các hạt mang điện tích đi vào và đi ra khỏi bóng bán dẫn, nghiên cứu tiên tiến đã đẩy chiều dài cổng có thể có của silicon xuống mức nhỏ khoảng 5 nanomet, nhưng chiều dài cổng của bóng bán dẫn silicon càng ngắn thì khả năng rò rỉ càng cao khi tắt. Molypden disulfide có khoảng cách dải lớn, điều này có thể khiến nó chống rò rỉ tốt hơn.

Tất nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn chưa xác định được cách chế tạo bóng bán dẫn MoS2 có chiều dài cổng dưới nanomet. Một số phòng thí nghiệm đã đạt được điều này bằng cách sử dụng các vật liệu khác nhau làm cổng – chế tạo bóng bán dẫn MoS2 có cổng mỏng được làm từ các cạnh của một lớp graphene hoặc một ống nano carbon đơn (về cơ bản là cuộn graphene thành các ống rất mỏng).

Các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Cơ bản tự hỏi liệu họ có cần một vật liệu khác hay không, hay liệu họ có thể dựa vào tính chất đặc biệt của chính MoS2.

Khi MoS2 được phát triển trên sapphire, một chất nền bán dẫn 2D phổ biến, vật liệu có xu hướng phát triển theo một trong hai hướng có thể, mỗi hướng lệch nhau 60 độ. Nếu bạn tạo một mảnh theo một hướng chạm vào một mảnh theo hướng khác, cả hai sẽ tạo thành một đường thẳng ở biên giới, giống như một con đường ở các góc lẻ, nơi hai lưới đường phố thành phố lệch nhau gặp nhau.

Các nhà khoa học vật liệu đã biết đến những ranh giới này trong nhiều năm và gọi chúng là ranh giới song sinh gương (MTB). Một trong những phép đo cho thấy MTB dày 0,4 nm là sợi dây mỏng nhất từng được tạo ra. Các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Cơ bản tin rằng họ có thể sử dụng những sợi dây này làm cổng cho các bóng bán dẫn được làm từ các vật liệu xung quanh.

Để đạt được điều này, các nhà nghiên cứu đầu tiên bắt đầu với hai mảnh molypden disulfide đặt sai chỗ với một đường MTB ở giữa. Trên cùng, họ đặt một lớp nhôm mỏng làm chất cách điện. Trên cùng, họ đặt một lớp molypden sulfide khác có độ dày nguyên tử, sau đó đặt một điện cực nguồn và thoát tăng lên. Tổng cộng, họ đã chế tạo tổng cộng 36 FET chức năng với các điện cực cổng siêu mỏng.

Các nhà nghiên cứu lạc quan rằng công nghệ của họ, hoặc thứ gì đó tương tự, một ngày nào đó có thể trở thành cơ sở để sản xuất các thiết bị. Jo Moon-Ho, một nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Cơ bản và là một trong những nhà nghiên cứu, cho biết trong một tuyên bố: "Nó được kỳ vọng sẽ trở thành công nghệ then chốt để phát triển nhiều thiết bị điện tử hiệu suất cao, công suất thấp trong tương lai". "Trong tương lai, các nhà nghiên cứu có thể thiết kế các thiết bị điện tử có khả năng kiểm soát tốt hơn các đặc tính của dây.

Tuy nhiên, Eric Pop, một kỹ sư điện tại Đại học Stanford (người làm việc trên MoS2 và không tham gia vào nghiên cứu), không lạc quan về khả năng phương pháp tiếp cận ranh giới chuyển từ phòng thí nghiệm sang nhà máy. "Tôi không nghĩ việc sử dụng nó như một điện cực cổng là một con đường cho các ứng dụng công nghiệp", Pop nói. "Cổng phải là kim loại và được tạo hoa văn theo hình dạng mạch", ông nói, nếu không kỹ sư sẽ mất khả năng quan trọng trong việc kiểm soát điện áp ngưỡng cổng.

Ngoài ra, Pop cho biết việc phát triển chất bán dẫn 2D trên sapphire như Moon và các đồng nghiệp đã làm là không lý tưởng. Sau khi được phát triển trên sapphire, vật liệu hai chiều phải được chuyển một cách khó khăn sang một tấm wafer silicon. Thay vào đó, Pop cho biết chất bán dẫn 2D thực tế nên được phát triển trực tiếp trên các vật liệu như silica hoặc silicon.

Bất chấp những lo ngại của Pope, ông vẫn gọi nghiên cứu này là "khoa học tốt" và đặc biệt hữu ích cho các nhà khoa học làm việc với MTB.