MỸ – Một nghiên cứu mới do các nhà nghiên cứu tại Đại học Minnesota Twin Cities (University of Minnesota Twin Cities) dẫn đầu, cung cấp thông tin chi tiết về cách các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo, bao gồm các thành phần bộ nhớ trong máy tính, bị hỏng hoặc xuống cấp theo thời gian. Hiểu được lý do xuống cấp có thể giúp cải thiện hiệu quả của các giải pháp lưu trữ dữ liệu.
Nghiên cứu này được công bố trên ACS Nano, một tạp chí khoa học được bình duyệt và được giới thiệu trên trang bìa của tạp chí.
Những tiến bộ trong công nghệ máy tính tiếp tục làm tăng nhu cầu về các giải pháp lưu trữ dữ liệu hiệu quả. Các mối nối đường hầm từ tính spintronic (MTJ – magnetic tunnel junctions) (1) – các thiết bị có cấu trúc nano ứng dụng tính chất quay của các electron để cải thiện ổ cứng, cảm biến và các hệ thống vi điện tử khác, bao gồm bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính (MRAM – magnetic random access memory) (2) – tạo ra các giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho thế hệ thiết bị bộ nhớ tiếp theo. (1) Mối nối đường hầm từ tính: bao gồm hai lớp kim loại từ tính, chẳng hạn như coban – sắt, được ngăn cách bởi một lớp cách điện cực mỏng, thường là nhôm oxit có độ dày khoảng 1 nm. Lớp cách điện mỏng đến mức các electron có thể chui qua lớp rào cản nếu có điện áp phân cực giữa hai điện cực kim loại. – Spintronics: còn được gọi là điện tử spin, là một công nghệ thiết bị thể rắn mới nổi khai thác các đặc tính spin nội tại của một electron và mô-men từ liên quan của nó ngoài điện tích electron. Các thiết bị điện tử và bán dẫn thông thường hoạt động dựa vào sự vận chuyển các chất mang điện tích electron. Trong khi đó, spintronics xử lý sự ghép nối spin – điện tích trong các hệ thống kim loại liên quan đến hiệu quả lưu trữ và truyền dữ liệu. (2) MRAM: hay bộ nhớ RAM từ điện trở, là một loại bộ nhớ không tự xóa có nguyên lý lưu trữ dựa trên hiệu ứng từ điện trở lớn.
Các mối nối MTJ là nền tảng cho bộ nhớ không mất dữ liệu trong các sản phẩm như đồng hồ thông minh và bộ nhớ trong máy tính, hứa hẹn sẽ ứng dụng để cải thiện hiệu quả năng lượng trong công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI – artificial intelligence).
Sử dụng kính hiển vi điện tử (3), các nhà nghiên cứu đã quan sát các nanopillar (4) bên trong các hệ thống này, là các lớp cực nhỏ, trong suốt bên trong thiết bị. Các nhà nghiên cứu đã cho một dòng điện chạy qua thiết bị để xem nó hoạt động như thế nào. Khi thêm nhiều dòng điện, họ có thể quan sát cách thiết bị xuống cấp và cuối cùng hư hỏng theo thời gian thực. (3) Kính hiển vi điện tử: là kính hiển vi sử dụng chùm electron làm nguồn chiếu sáng. Chúng sử dụng quang học electron tương tự như thấu kính thủy tinh của kính hiển vi quang học để điều khiển chùm electron, ví dụ như hội tụ chúng để tạo ra hình ảnh phóng đại hoặc các mẫu nhiễu xạ electron. (4) Nanopillar: là những cấu trúc nano hình trụ có đường kính khoảng 10 nanomet có thể được nhóm lại với nhau trong mạng tinh thể dạng mảng.
Tiến sĩ Hwanhui Yun, tác giả đầu tiên của bài báo và là cộng sự nghiên cứu sau tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Khoa học Vật liệu của Đại học Minnesota, cho biết: “Các thí nghiệm dưới kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM – transmission electron microscopy) (5) có thể là một vấn đề khó khăn, ngay cả đối với các nhà nghiên cứu giàu kinh nghiệm. Nhưng sau hàng chục lần thất bại và tối ưu hóa, các mẫu làm việc đã được sản xuất một cách nhất quán”. (5) Kính hiển vi điện tử truyền qua: là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số.
Bằng cách này, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng theo thời gian với dòng điện liên tục, các lớp của thiết bị sẽ bị kẹp và khiến thiết bị gặp trục trặc. Các nghiên cứu trước đây đã đưa ra giả thuyết này, nhưng đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu có thể quan sát hiện tượng này. Khi thiết bị hình thành một “pinhole” (tạm dịch là ‘lỗ kim’) (vết kẹp), nó đang ở giai đoạn đầu của quá trình phân hủy. Khi các nhà nghiên cứu tiếp tục thêm càng nhiều dòng điện vào thiết bị, nó tan chảy và cháy hoàn toàn.
Ông Andre Mkhoyan, tác giả chính của bài báo và là giáo sư kiêm Chủ tịch Ray D. và Mary T. Johnson tại khoa Kỹ thuật Hóa học và Khoa học Vật liệu tại Đại học Minnesota cho biết: “Điều bất thường với khám phá này là chúng tôi quan sát thấy sự cháy xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ mà các nghiên cứu trước đây cho là có thể xảy ra. Nhiệt độ chỉ bằng gần một nửa nhiệt độ dự kiến trước đây”.
Khi xem xét kỹ hơn thiết bị ở quy mô nguyên tử, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng các vật liệu nhỏ như vậy có các đặc tính rất khác nhau, bao gồm cả nhiệt độ nóng chảy. Điều này có nghĩa là thiết bị sẽ hỏng hoàn toàn ở một khung thời gian rất khác so với các nghiên cứu trước đây.
Ông Jian-Ping Wang, tác giả chính của bài báo, Giáo sư danh dự tại Đại học McKnight và Chủ tịch Robert F. Hartmann tại Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính thuộc Đại học Minnesota, cho biết: “Nhu cầu hiểu các giao diện giữa các lớp theo thời gian thực trong điều kiện làm việc thực tế, chẳng hạn như áp dụng dòng điện và điện áp, nhưng trước đây chưa ai đạt được mức độ hiểu biết này”.
Ông Jian-Ping nói thêm: “Chúng tôi rất vui mừng khi thông báo rằng nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra điều gì đó sẽ tác động trực tiếp đến các thiết bị vi điện tử thế hệ tiếp theo trong ngành công nghiệp bán dẫn của chúng tôi”.
Các nhà nghiên cứu hy vọng kiến thức này có thể được sử dụng trong tương lai để cải thiện thiết kế của bộ nhớ máy tính nhằm tăng tuổi thọ và hiệu quả.
Để xem các tin bài khác về “Thiết bị vi điện tử”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
