MỸ – Một nghiên cứu mới cho thấy các vật liệu thường bị bỏ qua trong thiết kế chip máy tính thực sự đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý thông tin, một khám phá có thể giúp cho các thiết bị điện tử hoạt động nhanh hơn và hiệu quả hơn.

Sử dụng các kỹ thuật hình ảnh tiên tiến, một nhóm quốc tế do các nhà nghiên cứu của Đại học Penn State (Penn State University) dẫn đầu đã phát hiện ra rằng vật liệu mà thiết bị chip bán dẫn được xây dựng trên đó, được gọi là chất nền, phản ứng với những thay đổi về điện giống như chất bán dẫn trên nó.

Các nhà nghiên cứu đã làm việc với vật liệu bán dẫn, vanadi dioxit, mà họ cho biết có tiềm năng lớn như một công tắc điện tử. Họ cũng nghiên cứu cách vanadi dioxit tương tác với vật liệu nền titanium dioxit và cho biết họ rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng có một lớp trong chất nền hoạt động tương tự như vật liệu bán dẫn ở trên khi chất bán dẫn chuyển đổi giữa chất cách điện – không cho dòng điện chạy qua – và kim loại – cho dòng điện chạy qua. Venkatraman Gopalan, Giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu và vật lý tại đại học Penn State, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết việc tiết lộ rằng chất nền có thể đóng vai trò tích cực trong các quy trình bán dẫn có ý nghĩa quan trọng đối với việc thiết kế các vật liệu và thiết bị trong tương lai.

Giáo sư Venkatraman, tác giả của nghiên cứu trên tạp chí Advanced Materials, cho biết: “Cần có những ý tưởng mới cho các thiết bị điện tử nhỏ hơn và nhanh hơn để theo kịp định luật Moore. Một ý tưởng đang được theo đuổi là vật liệu, chẳng hạn như vanadi dioxide, có thể chuyển đổi giữa kim loại – trạng thái một – và chất cách điện – trạng thái không – trong một phần nghìn tỷ giây. Điều này được gọi là trải qua quá trình chuyển đổi kim loại – chất cách điện”.

Giáo sư Venkatraman cho biết tiềm năng của vanadi dioxit như một bóng bán dẫn kim loại – chất cách điện đã được ghi chép đầy đủ và vật liệu này được coi là có triển vọng cho công nghệ bán dẫn do mức tiêu thụ năng lượng thấp. Tuy nhiên, các đặc tính của vật liệu này vẫn chưa được hiểu đầy đủ và cho đến nay, nó thường được quan sát một cách riêng lẻ thay vì hoạt động trong một thiết bị thực tế.

Vật liệu Vanadi dioxide có hiệu ứng điện tử tương quan mạnh, nghĩa là lực đẩy giữa các electron gây trở ngại cho thiết bị, do đó không thể bỏ qua như hiện nay trong các thiết bị điện tử dựa trên silicon. Đặc tính này có thể tạo ra các vật liệu có chức năng mới lạ như siêu dẫn nhiệt độ cao và các tính chất từ tính được tăng cường.

Giáo sư Venkatraman nói rằng: “Vật lý cơ bản của vật liệu này ít được hiểu hơn, và hiệu suất của nó trong hình dạng thiết bị thậm chí còn ít được hiểu hơn. Nếu chúng ta có thể làm cho chúng hoạt động, sẽ có một sự phục hưng trong ngành điện tử. Đặc biệt, điện toán hình thái thần kinh – nơi các hệ thống máy tính lấy cảm hứng từ bộ não của các hệ thống sống có tế bào thần kinh – được hưởng lợi khi sử dụng các thiết bị như vậy”.

Nhóm nghiên cứu đã đưa vật liệu vanadi dioxide vào trong một thiết bị thay vì cô lập, truyền điện áp vào nó để nó chuyển từ trạng thái cách điện sang trạng thái dẫn điện. Họ đã sử dụng nguồn photon nâng cao (APS – Advanced Photon Source) tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne (Argonne National Laboratory), nơi sử dụng các chùm tia X mạnh để nghiên cứu hành vi và cấu trúc của vật liệu ở cấp độ nguyên tử. Khi lập bản đồ phản ứng không gian và thời gian của vật liệu đối với sự chuyển mạch, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy những thay đổi bất ngờ đối với cấu trúc của vật liệu và chất nền.

Giáo sư Venkatraman cho biết: “Những gì chúng tôi phát hiện ra là khi màng vanadi dioxide chuyển thành kim loại, toàn bộ màng phồng lên, điều này rất đáng ngạc nhiên. Thông thường, nó được cho là sẽ co lại. Vì vậy, rõ ràng là có điều gì đó khác đang diễn ra trong hình dạng màng mà trước đây đã bị bỏ qua”.

Tia X APS xuyên qua lớp màng vanadi dioxide và vào chất nền titanium dioxide (TiO2) – thường được coi là vật liệu thụ động về mặt điện và cơ học – nơi lớp màng mỏng được phát triển.

Giáo sư Venkatraman nói rằng: “Chúng tôi vô cùng ngạc nhiên khi thấy chất nền này hoạt động rất mạnh, chuyển động và phản ứng theo những cách hoàn toàn đáng ngạc nhiên khi màng chuyển từ chất cách điện sang kim loại và ngược lại khi các xung điện đến. Điều này đã khiến chúng tôi bối rối trong một thời gian dài. Hiện tượng trước đây bị bỏ qua này đã thay đổi hoàn toàn cách chúng ta xem xét công nghệ này”.

Để hiểu được những phát hiện này, nỗ lực lý thuyết và mô phỏng – do ông Long-Qing Chen, Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Hamer, giáo sư khoa học kỹ thuật và cơ học và toán học tại đại học Penn State – đã phát triển một khuôn khổ lý thuyết để giải thích toàn bộ quá trình màng và chất nền phồng lên thay vì co lại. Khi mô hình của họ kết hợp các nguyên tử oxy bị thiếu trong vật liệu này gồm hai loại, tích điện và không tích điện, thì kết quả thực nghiệm có thể được giải thích một cách thỏa đáng.

Giáo sư Venkatraman cho biết: “Những chỗ khuyết oxy trung tính này giữ điện tích hai electron, chúng có thể giải phóng điện tích này khi vật liệu chuyển từ chất cách điện sang kim loại. Chỗ khuyết oxy còn lại hiện đã tích điện và phồng lên, dẫn đến sự phồng lên đáng ngạc nhiên được quan sát thấy trong thiết bị. Điều này cũng có thể xảy ra trong chất nền. Tất cả các quá trình vật lý này đều được ghi lại một cách tuyệt đẹp trong lý thuyết trường pha và mô hình hóa được thực hiện trong công trình này lần đầu tiên bởi nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Yin Shi trong nhóm của Giáo sư Long-Qing”.

Giáo sư Venkatraman ghi nhận sự kết hợp chuyên môn của nhóm đa ngành trong quá trình phát triển vật liệu, tổng hợp, phân tích cấu trúc và vận hành đường chùm tia synchrotron với sự hiểu biết mới này. Sử dụng phương pháp tiếp cận hợp tác do ông Greg Stone, một nhà khoa học vật lý của Quân đội Mỹ (U.S. Army) và là tác giả thực nghiệm chính, và Yin Chi, học giả sau tiến sĩ tại đại học Penn State và là tác giả lý thuyết chính, các nhà nghiên cứu đã phân tích phản ứng của vật liệu và quan sát chúng riêng lẻ bằng cách sử dụng mô phỏng trường pha, một mô phỏng giúp các nhà khoa học hiểu được sự thay đổi của vật liệu theo thời gian bằng cách mô tả các trạng thái khác nhau của vật chất trong mô phỏng.

Ông Roman Engel-Herbert, Giám đốc Viện Điện tử thể rắn Paul Drude (Paul Drude Institute of Solid State Electronics) tại thủ đô Berlin (CHLB Đức), đồng tác giả của nghiên cứu, người đã cùng nhóm của ông Darrell Schlom tại Đại học Cornell phát triển những tấm phim này, cho biết: “Bằng cách tập hợp những chuyên gia này lại với nhau và tập hợp kiến thức của chúng tôi về vấn đề này, chúng tôi đã có thể vượt xa phạm vi chuyên môn của từng cá nhân và khám phá ra điều gì đó mới mẻ. Việc nhận ra tiềm năng của các vật liệu chức năng đòi hỏi phải đánh giá cao bối cảnh rộng hơn của chúng, cũng giống như những thách thức khoa học phức tạp chỉ có thể được giải quyết thông qua việc mở rộng quan điểm cá nhân của chúng tôi”.

Sự hợp tác này đã giúp đạt được tiến bộ đáng kể trong thời gian ngắn và hoàn thành công việc nhanh hơn, đồng thời mang lại nhiều góc nhìn từ nhiều lĩnh vực.

Các nhà nghiên cứu cho biết bản thân các phản ứng đòi hỏi phải kiểm tra thêm, nhưng họ tin rằng việc hiểu chúng sẽ hỗ trợ xác định các khả năng trước đây chưa được biết đến của vật liệu vanadi dioxide, bao gồm các hiện tượng tiềm ẩn chưa được khám phá trong chất nền TiO 2 được coi là thụ động trước nghiên cứu này. Giáo sư Venkatraman cho biết bản thân nghiên cứu đã diễn ra trong hơn 10 năm, bao gồm cả việc xác thực các kết quả.

Giáo sư Venkatraman nói rằng: “Đây là những gì cần thiết để chuyển từ khoa học thú vị sang một thiết bị hoạt động mà bạn có thể cầm trên tay. Các thí nghiệm và lý thuyết rất phức tạp và đòi hỏi các nhóm cộng tác quy mô lớn làm việc chặt chẽ với nhau trong một khoảng thời gian dài để giải quyết các vấn đề khó khăn có thể có tác động lớn. Chúng tôi hy vọng và mong đợi rằng điều này sẽ đẩy nhanh tiến độ hướng tới một thế hệ thiết bị điện tử mới.”

Để xem các tin bài khác về “Bán dẫn”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online