Các nhà khoa học Mỹ vừa phát triển thành công một loại dây nano làm từ niobi arsenide (NbAs) – vật liệu lượng tử có đặc tính hoàn toàn trái ngược với đồng truyền thống: kích thước càng nhỏ thì khả năng dẫn điện càng tăng.
Phát hiện này được kỳ vọng sẽ giải quyết một trong những rào cản lớn nhất của ngành bán dẫn hiện đại, mở đường cho việc chế tạo các vi xử lý nhỏ hơn, mạnh hơn và tiết kiệm điện năng hơn trong tương lai.
Nghiên cứu do nhóm chuyên gia tại Đại học Cornell (Mỹ) thực hiện và đã được công bố trên tạp chí khoa học Science.
Cuộc tìm kiếm vật liệu thay thế dây đồng
Trong các bộ vi xử lý hiện đại, hàng tỷ bóng bán dẫn được kết nối với nhau bằng những đường dây siêu nhỏ gọi là interconnect (liên kết điện).
Các đường dẫn này đóng vai trò như hệ thần kinh của con chip, cho phép các bóng bán dẫn truyền tín hiệu và trao đổi dữ liệu.
Trong hơn hai thập kỷ qua, đồng vẫn là vật liệu tiêu chuẩn để chế tạo các đường dẫn này nhờ khả năng dẫn điện rất cao.
Thực tế, ngành bán dẫn đã chuyển từ nhôm sang đồng từ cuối những năm 1990, với IBM là công ty tiên phong vào năm 1997.
Tuy nhiên, khi kích thước chip ngày càng thu nhỏ xuống quy mô nano, đồng bắt đầu bộc lộ điểm yếu.
Các electron di chuyển trong dây đồng liên tục va chạm với bề mặt khi dây trở nên quá mỏng, khiến điện trở tăng lên và hiệu suất dẫn điện giảm đáng kể.
Điều này đang trở thành rào cản lớn đối với việc tiếp tục thu nhỏ chip theo xu hướng của ngành bán dẫn.
Vật liệu lượng tử càng mỏng càng hoạt động tốt
Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu tại Cornell đã chuyển sang sử dụng niobi arsenide (NbAs) – một loại bán kim topo (topological semimetal) thuộc nhóm vật liệu lượng tử.
Khác với đồng, các electron trên bề mặt NbAs có khả năng di chuyển rất nhanh và gần như không bị tán xạ.
Theo giáo sư Judy Cha, tác giả chính của nghiên cứu, chính đặc điểm này tạo nên sự khác biệt.
"Các electron di chuyển trên bề mặt vật liệu có tốc độ rất cao và không bị tán xạ dễ dàng như các electron bên trong vật liệu."
Ở dây đồng, khi kích thước thu nhỏ, số lần electron va chạm với bề mặt tăng mạnh, khiến chúng đổi hướng liên tục và làm giảm khả năng dẫn điện.
"Đó là lý do điện trở của đồng tăng lên đáng kể khi dây trở nên rất nhỏ", bà Cha giải thích.
Trong khi đó, NbAs lại dựa chủ yếu vào các electron trên bề mặt.
Điều thú vị là khi dây nano càng mỏng, ảnh hưởng của lớp bề mặt càng lớn, giúp khả năng dẫn điện không giảm mà ngược lại còn được cải thiện.
Quy trình chế tạo giống... làm mì sợi
Để tạo ra các dây nano siêu nhỏ này, nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật gọi là thermomechanical nanomolding.
Quy trình bắt đầu bằng việc ép khối vật liệu NbAs vào một khuôn làm từ oxit nhôm có cấu trúc nhiều lỗ siêu nhỏ dưới nhiệt độ cao.
Sau khi loại bỏ khuôn, các nhà khoa học thu được những dây nano đơn tinh thể có chất lượng rất cao và có thể chuyển trực tiếp lên các tấm wafer silicon.
Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác đường kính dây xuống chỉ khoảng 10 nanomet.
Giáo sư Judy Cha ví quy trình này giống như việc làm mì.
"Nếu thay đầu khuôn của máy làm mì, bạn sẽ tạo ra mì fettuccine hoặc mì sợi mảnh. Chúng tôi cũng làm điều tương tự, chỉ khác là 'bột' ở đây chính là vật liệu NbAs và khuôn sẽ quyết định đường kính dây nano."
Không chỉ tốt hơn, còn giúp tăng tốc nghiên cứu
Ngoài khả năng tạo ra các dây nano đồng đều, kỹ thuật mới còn giúp đẩy nhanh quá trình nghiên cứu vật liệu.
Trước đây, phòng thí nghiệm của nhóm chỉ có thể nghiên cứu một hoặc hai loại vật liệu mỗi năm.
Hiện nay, nhờ phương pháp mới, họ có thể đánh giá một vật liệu mới mỗi tháng, rút ngắn đáng kể thời gian phát triển.
Một ưu điểm quan trọng khác là NbAs vẫn giữ được độ ổn định ở nhiệt độ phòng.
Đây là lợi thế lớn bởi nhiều vật liệu lượng tử khác thường rất dễ bị oxy hóa hoặc chỉ hoạt động trong điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát nghiêm ngặt.
Theo giáo sư Cha, đây mới chính là ý nghĩa lớn nhất của nghiên cứu.
"Điều quan trọng là chúng ta có thể quan sát được các hiệu ứng lượng tử mà không cần những mẫu vật hoàn hảo tuyệt đối hay môi trường siêu lạnh và không có nhiễu."
Mở đường cho thế hệ chip mới
Nếu tiếp tục được hoàn thiện và thương mại hóa, dây nano NbAs có thể thay đổi cách thiết kế các bộ vi xử lý trong tương lai.
Khi các chip ngày càng thu nhỏ để đáp ứng nhu cầu tính toán cho trí tuệ nhân tạo, điện toán hiệu năng cao và thiết bị di động, việc tìm ra vật liệu thay thế đồng đang trở thành ưu tiên hàng đầu của ngành bán dẫn.
Theo nhóm nghiên cứu, niobi arsenide không chỉ giúp giảm điện trở mà còn có thể cải thiện hiệu suất và giảm mức tiêu thụ điện năng của các vi xử lý thế hệ tiếp theo, mở ra hướng phát triển mới cho ngành công nghiệp chip trong kỷ nguyên hậu silicon.
Theo IE
