Sử dụng vật liệu mới để chế tạo bóng bán dẫn nhỏ nhất thế giới

Trong nghiên cứu mới được công bố ngày 7/10/2016 trên Tạp chí Science, nhóm nghiên cứu đã mô tả sự kết hợp khác lạ giữa các vật liệu để tạo nên loại bóng bán dẫn mới có kích thước thậm chí còn nhỏ hơn bóng bán dẫn silicon nhỏ nhất.

"Bóng bán dẫn silicon đang tiến gần đến giới hạn kích thước của nó”, TS. Moon Kim, Giáo sư về khoa học và kỹ thuật vật liệu và là đồng tác giả nghiên cứu nói. "Nghiên cứu của chúng tôi cung cấp kiến thức mới cho thấy khả năng vượt qua giới hạn kích thước cuối cùng của công nghệ bóng bán dẫn silicon".

Các nhà nghiên cứu tại trường Đại học California đã chế tạo bóng bán dẫn và thực hiện các mô phỏng lý thuyết, trong khi các nhà khoa học tại trường Đại học Texas đã mô tả thiết bị bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử có độ phân giải nguyên tử trong khuôn viên trường.

Khi dòng điện chạy qua bóng bán dẫn, dòng điện tử di chuyển qua một kênh, giống như nước máy chảy qua vòi nước vào bồn rửa bát. Một "cổng" trong bóng bán dẫn điều khiển dòng chảy của các điện tử bằng cách cản trở hoặc tăng tốc độ dòng chảy chỉ trong vòng chưa đến một giây.

"Tính đến nay, các thiết bị bóng bán dẫn silicon tốt nhất/nhỏ nhất đã được thương mại có chiều dài cổng hơn 10 nanomet", GS.TS. Kim nói. “Giới hạn dưới cho bóng bán dẫn silion về lý thuyết là khoảng 5 nanomet. Thiết bị mà chúng tôi đã chứng minh, có kích thước cổng là 1 nanomet, nhỏ hơn một cấp độ khuyếch đại. Kích thước của chip máy tính có thể được giảm đáng kể nhờ cấu hình này".

Một trong những thách thức trong việc chế tạo bóng bán dẫn nhỏ là các điện tử có thể di chuyển ngẫu nhiên qua cổng khi dòng điện được cho là đã tắt. Việc giảm hiện rò rỉ này là một ưu tiên.

"Thiết bị mà chúng tôi đã chứng minh, có khả năng giảm dòng điện rò rỉ hơn hai cấp độ khuyếch đại so với thiết bị silicon cùng loại, nhờ vậy đã giảm tiêu thụ điện năng", GS.TS. Kim nói. "Điều này có nghĩa là điện thoại di động ứng dụng công nghệ này sẽ được sạc lại như cũ".

Thay vì sử dụng silicon, các nhà nghiên cứu chế tạo thiết bị mẫu bằng loại vật liệu bán dẫn dichalcogenide kim loại chuyển đổi (TMDs). Cụ thể, cấu trúc của thiết bị thí nghiệm sử dụng molybdenum disulfide làm vật liệu có rãnh và một ống nano cacbon đơn vách cho cổng.

GS. TS. Kim cho rằng còn nhiều thách thức kỹ thuật trước khi hoạt động sản xuất bóng bán dẫn mới trên quy mô lớn trở nên thực tế.

N.P.D-NASATI (Theo Eurekalert)