Các nhà nghiên cứu làm việc tại Phòng thí nghiệm cấu trúc và điện tử ở cấp độ nano (LANES), Trường Đại học Bách khoa Liên bang Thụy Sĩ tại Lausanne (EPFL), Thụy Sĩ, đã chế tạo thành công một vi chip nguyên mẫu từ vật liệu molypđen , vốn nổi trội hơn silic với các đặc tính: nhỏ gọn hơn, tiêu thụ điện...
Các nhà nghiên cứu làm việc tại Phòng thí nghiệm cấu trúc và điện tử ở cấp độ nano (LANES), Trường Đại học Bách khoa Liên bang Thụy Sĩ tại Lausanne (EPFL), Thụy Sĩ, đã chế tạo thành công một vi chip nguyên mẫu từ vật liệu molypđen, vốn nổi trội hơn silic với các đặc tính: nhỏ gọn hơn, tiêu thụ điện ít hơn và linh hoạt hơn (xét về mặt cơ khí).
"Nguồn khoáng sản Molypđen đisunfua MoS2 hiện vẫn còn tương đối dồi dào trong tự nhiên", theo các nhà nghiên cứu. "Chúng tôi đã xây dựng một nguyên mẫu ban đầu, đặt 2 - 6 bóng bán dẫn nối tiếp nhau, và nhận thấy rằng các hoạt động của cổng logic nhị phân về cơ bản là khá tốt, điều này chứng tỏ rằng chúng ta có thể làm cho một con chip lớn hơn", theo Andras Kis, giám đốc Phòng thí nghiệm cấu trúc và điện tử ở cấp độ nano (LANES).
Cấu trúc và các tính chất bán dẫn của Molypđen đisunfua MoS2 (có thể cạnh tranh với silic, thành phần vật liệu được sử dụng nhiều nhất trong các linh kiện điện tử), đã cấu thành loại vật liệu (Molypđen) lý tưởng được sử dụng trong các bóng bán dẫn.
"Ưu điểm chính của Molypđen đisunfua MoS2 là: cho phép chúng tôi tiếp tục thu nhỏ kích thước của các bóng bán dẫn", Kis nói thêm.
Hiện nay việc chế tạo các lớp Silic có độ dày ít hơn 2 nm là không khả thi, bởi nguy cơ hình thành một phản ứng hóa học sẽ làm oxy hóa các bề mặt và làm biến đổi các tính chất điện tử của Silic.
Tuy nhiên, chúng tôi hoàn toàn có thể tạo ra các vi chip (1nm) nhỏ hơn gấp gấp 3 lần, với lớp vật liệu molypđen (chỉ có độ dày của 3 nguyên tử). Ở quy mô này, vật liệu vẫn còn rất ổn định và rất dễ dàng để kiểm soát tính dẫn truyền.
Khả năng khuếch đại các tín hiệu điện tử của vật liệu molypđen (có thể so sánh với Silic): với một tín hiệu điện tử đầu ra (được khuyếch đại) mạnh gấp 4 lần so với 1 tín hiệu điện tử đầu vào. Điều này cho thấy tiềm năng lớn trong việc tạo ra các vi chip phức tạp hơn.
"Trong khi với vật liệu graphene: biên độ này là chỉ là 1. Dưới ngưỡng này, điện áp đầu ra sẽ không đủ để vận hành một vi chip (tương tự) thứ 2", theo Andras Kis.
Tại Phòng thí nghiệm cấu trúc và điện tử ở cấp độ nano, gọi tắt là LANES, các nhà nghiên cứu EPFL ở Lausanne, Thụy Sĩ, vừa chế tạo thành công một vi chip nguyên mẫu từ molypđen. Kết quả này mở ra hướng phát triển linh kiện điện tử nhỏ gọn hơn, tiêu thụ ít điện năng hơn, đồng thời linh hoạt hơn về mặt cơ khí so với những thiết kế dựa trên silic. Vật liệu được sử dụng là molypđen đisunfua MoS2, một chất bán dẫn có cấu trúc đặc biệt, được đánh giá có khả năng cạnh tranh với silic trong lĩnh vực bóng bán dẫn.
Theo nhóm nghiên cứu, nguồn khoáng sản molypđen đisunfua MoS2 hiện vẫn tương đối dồi dào trong tự nhiên, tạo thêm cơ sở thuận lợi cho việc xem xét ứng dụng vật liệu này. Andras Kis, giám đốc LANES, cho biết nhóm đã xây dựng nguyên mẫu ban đầu bằng cách nối tiếp từ hai đến sáu bóng bán dẫn trong cùng một cấu trúc thử nghiệm. Các phép kiểm tra cho thấy những bóng bán dẫn này thực hiện hoạt động của các cổng logic nhị phân khá tốt, dù nguyên mẫu vẫn đang ở giai đoạn ban đầu.
Kết quả vận hành đó chứng minh khả năng mở rộng thiết kế, bởi một mạch thử nghiệm nhỏ nhưng hoạt động ổn định có thể trở thành nền tảng cho những vi chip lớn hơn. Điểm đáng chú ý nhất của molypđen đisunfua MoS2 nằm ở khả năng giúp các nhà chế tạo tiếp tục thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn trong những thế hệ linh kiện tương lai. Silic vốn là vật liệu phổ biến nhất trong các linh kiện điện tử hiện nay, nhưng việc thu nhỏ lớp silic xuống dưới độ dày hai nanomet đang gặp giới hạn quan trọng.
Khi lớp silic quá mỏng, nguy cơ xảy ra phản ứng hóa học khiến các bề mặt bị oxy hóa tăng lên, từ đó làm thay đổi những tính chất điện tử vốn cần thiết. Molypđen đisunfua MoS2 cho phép tạo ra lớp vật liệu chỉ dày bằng ba nguyên tử, một cấu trúc cực mỏng nhưng vẫn giữ được độ ổn định cần thiết ở quy mô này. Nhờ đặc điểm ấy, các nhà nghiên cứu có thể hướng tới vi chip kích thước một nanomet, nhỏ hơn khoảng ba lần so với giới hạn được nêu đối với lớp silic.
Ở kích thước siêu nhỏ, vật liệu molypđen vẫn tương đối ổn định, đồng thời khả năng kiểm soát tính dẫn truyền điện cũng dễ dàng hơn so với những trở ngại thường gặp ở silic. Việc kiểm soát dòng điện trong lớp vật liệu mỏng là yêu cầu then chốt, bởi bóng bán dẫn chỉ có thể hữu ích khi đóng mở tín hiệu chính xác và lặp lại. Bên cạnh kích thước, nguyên mẫu còn cho thấy molypđen có khả năng khuếch đại tín hiệu điện tử, đặc tính quyết định khả năng kết nối nhiều tầng mạch.
Một tín hiệu điện tử đầu ra sau khuếch đại có thể mạnh gấp bốn lần tín hiệu điện tử đầu vào, theo những kết quả được nhóm nghiên cứu ghi nhận. Mức khuếch đại này cho thấy tín hiệu không chỉ được truyền qua bóng bán dẫn, mà còn đủ mạnh để tiếp tục vận hành những phần tử tiếp theo trong mạch. Vì vậy, molypđen đisunfua MoS2 được xem là vật liệu có tiềm năng cho các vi chip phức tạp hơn, thay vì chỉ phù hợp với nguyên mẫu đơn giản.
Andras Kis nhấn mạnh rằng ưu thế khuếch đại của molypđen trở nên rõ ràng hơn khi đặt cạnh graphene, vật liệu từng được quan tâm mạnh trong điện tử nano. Với graphene, biên độ khuếch đại được nêu chỉ bằng một, nghĩa là tín hiệu đầu ra không mạnh hơn tín hiệu đầu vào sau quá trình truyền qua linh kiện. Khi biên độ thấp hơn ngưỡng cần thiết, điện áp đầu ra sẽ không đủ để vận hành một vi chip thứ hai có cấu tạo tương tự trong cùng chuỗi mạch.
Molypđen đisunfua tránh được hạn chế đó nhờ tạo tín hiệu đầu ra mạnh hơn đáng kể, qua đó duy trì khả năng kết nối và mở rộng hệ thống điện tử. Dù mới chỉ nối từ hai đến sáu bóng bán dẫn, nguyên mẫu của LANES đã cung cấp bằng chứng ban đầu cho hướng phát triển vi chip siêu nhỏ. Những kết quả này chưa đồng nghĩa molypđen lập tức thay thế silic, nhưng chúng cho thấy vật liệu ba nguyên tử có thể đảm nhiệm vai trò quan trọng trong điện tử tương lai.
