Từ 'vàng đen' đến kỳ quan công nghệ: Vai trò mới của than trong điện tử

Một nỗ lực nghiên cứu chung của Đại học Illinois Urbana-Champaign, Phòng thí nghiệm Công nghệ Năng lượng Quốc gia, Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge và Công ty Sản xuất Chất bán dẫn Đài Loan đã cho thấy than có thể đóng vai trò quan trọng như thế nào trong các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo.

Than là một nguồn tài nguyên dồi dào ở Mỹ, thật không may, đã góp phần gây ô nhiễm không khí thông qua việc sử dụng than làm nhiên liệu hóa thạch dễ cháy. Khi đất nước chuyển đổi sang các phương tiện sản xuất năng lượng khác, điều quan trọng là phải xem xét và đánh giá lại vai trò kinh tế của than.

Than thực sự có thể đóng một vai trò quan trọng trong các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo.

"Than thường được coi là thứ gì đó cồng kềnh và bẩn thỉu, nhưng các kỹ thuật xử lý mà chúng tôi đã phát triển có thể biến nó thành chất thải cao. vật liệu tinh khiết chỉ dày vài nguyên tử. Cấu trúc và đặc tính nguyên tử độc đáo của chúng rất lý tưởng để chế tạo một số thiết bị điện tử nhỏ nhất có thể với hiệu suất vượt trội so với công nghệ hiện đại", ông Qing Cao, giáo sư khoa học & kỹ thuật vật liệu của U. of I. và là đồng trưởng nhóm hợp tác cho biết.

Một quy trình do NETL phát triển trước tiên chuyển than than thành các đĩa cacbon có kích thước nano gọi là "các chấm cacbon" mà nhóm nghiên cứu của U. of I. đã chứng minh có thể được kết nối để tạo thành các màng mỏng cấp nguyên tử cho các ứng dụng trong cả bóng bán dẫn và điện trở nhớ hai chiều, các công nghệ sẽ rất quan trọng để xây dựng các thiết bị điện tử tiên tiến hơn.

Hoàn hảo cho thiết bị điện tử 2D

Trong quá trình tìm kiếm các thiết bị điện tử nhỏ hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn, bước cuối cùng sẽ là các thiết bị được chế tạo bằng vật liệu chỉ dày một hoặc hai nguyên tử. 

Các thiết bị không thể nhỏ hơn giới hạn này và quy mô nhỏ của chúng thường khiến chúng hoạt động nhanh hơn nhiều và tiêu thụ ít năng lượng hơn nhiều.

Mặc dù chất bán dẫn siêu mỏng đã được nghiên cứu rộng rãi nhưng cũng cần phải có chất cách điện mỏng cấp nguyên tử – vật liệu chặn dòng điện – để chế tạo các thiết bị điện tử hoạt động được như bóng bán dẫn và điện trở nhớ.

Các lớp carbon mỏng về mặt nguyên tử với cấu trúc nguyên tử rối loạn có thể hoạt động như một chất cách điện tuyệt vời để chế tạo các thiết bị hai chiều. Các nhà nghiên cứu hợp tác đã chỉ ra rằng các lớp carbon như vậy có thể được hình thành từ các chấm carbon có nguồn gốc từ than đá.

Để chứng minh khả năng của mình, nhóm U. of I. do o6ng Cao dẫn đầu đã phát triển hai ví dụ về thiết bị hai chiều.

"Điều này thực sự khá thú vị, bởi vì đây là lần đầu tiên than đá, thứ mà chúng ta thường coi là công nghệ thấp, lại được liên kết trực tiếp với công nghệ tiên tiến của vi điện tử", ông Cao nói.

Điện môi bán dẫn

Nhóm của Cao đã sử dụng các lớp carbon có nguồn gốc từ than làm chất điện môi cổng trong các bóng bán dẫn hai chiều được chế tạo trên graphene bán kim loại hoặc molybdenum disulfide bán dẫn để cho phép tốc độ vận hành thiết bị nhanh hơn hai lần với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn.

Giống như các vật liệu mỏng nguyên tử khác, các lớp carbon có nguồn gốc từ than không có "liên kết lơ lửng" hoặc các electron không liên kết với liên kết hóa học.

Những vị trí này, có rất nhiều trên bề mặt của chất cách điện ba chiều thông thường, làm thay đổi tính chất điện của chúng bằng cách hoạt động hiệu quả như "bẫy", làm chậm quá trình vận chuyển điện tích di động và do đó làm chậm tốc độ chuyển mạch bóng bán dẫn.

Tuy nhiên, không giống như các vật liệu mỏng nguyên tử khác, các lớp carbon mới có nguồn gốc từ than đá là vô định hình, nghĩa là chúng không có cấu trúc tinh thể đều đặn.

Do đó, chúng không có ranh giới giữa các vùng tinh thể khác nhau đóng vai trò là đường dẫn dẫn đến "rò rỉ", nơi dòng điện không mong muốn chạy qua chất cách điện và gây ra mức tiêu thụ điện năng bổ sung đáng kể trong quá trình vận hành thiết bị.

Dây tóc điện trở nhớ

Một ứng dụng khác mà nhóm Cao đang xem xét là memristors – linh kiện điện tử có khả năng vừa lưu trữ vừa vận hành trên dữ liệu giúp tăng cường đáng kể việc triển khai công nghệ AI.

Các thiết bị này lưu trữ và biểu diễn dữ liệu bằng cách điều chỉnh dây tóc dẫn điện được hình thành bởi các phản ứng điện hóa giữa một cặp điện cực với chất cách điện được kẹp ở giữa.

Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng việc sử dụng các lớp cacbon siêu mỏng có nguồn gốc từ than làm chất cách điện cho phép hình thành nhanh chóng loại dây tóc này với mức tiêu thụ năng lượng thấp để cho phép tốc độ vận hành thiết bị cao với mức tiêu thụ điện năng thấp.

Hơn nữa, các vòng kích thước nguyên tử trong các lớp carbon có nguồn gốc từ than này hạn chế dây tóc để tăng cường hoạt động của thiết bị có thể tái tạo nhằm nâng cao độ trung thực và độ tin cậy của việc lưu trữ dữ liệu.

Từ nghiên cứu đến sản xuất

Các thiết bị mới do nhóm Cao phát triển cung cấp bằng chứng về nguyên lý cho việc sử dụng các lớp carbon có nguồn gốc từ than trong các thiết bị hai chiều.

Điều còn lại cần chứng minh là những thiết bị như vậy có thể được sản xuất trên quy mô lớn.

"Ngành công nghiệp bán dẫn, bao gồm cả các cộng tác viên của chúng tôi tại Taiwan Semiconductor, rất quan tâm đến khả năng của các thiết bị hai chiều và chúng tôi đang cố gắng thực hiện lời hứa đó. Trong vài năm tới, U. of I. sẽ tiếp tục hợp tác với NETL để phát triển quy trình chế tạo chất cách điện carbon làm từ than có thể được thực hiện trong môi trường công nghiệp", CAI nhận xét.

Việc Công ty bán dẫn Đài Loan tham gia vào thời điểm sớm này cho thấy rõ rằng nhu cầu thị trường đã có sẵn sự quan tâm sản xuất đối với nhu cầu thị trường. Danh sách các tổ chức nghiên cứu có thành tích cao đảm bảo rằng đây là một nỗ lực rất nghiêm túc. Và kết quả vừa được công bố.

Mặc dù nhu cầu về than sẽ không tăng đột ngột, nhưng các thiết bị điện tử có thể được tái thiết kế và các thiết bị chưa được tung ra thị trường cũng như những thiết bị đang được phát triển chắc chắn sẽ có năng suất cao hơn ở mức điện năng thấp hơn và hy vọng là ở mức chi phí thấp hơn.

Chia sẻ Chia sẻ

Chia sẻ

Lưu tin