Ảnh chụp qua kính hiển vi điện tử quét của một dây nano silicon 2000 nm × 2000 nm × 30 µm (Ảnh: A Rowe)
Bốn năm sau khi các nhà khoa học ở Mĩ tường thuật việc nhìn thấy “áp trở khổng lồ” trong các dây nano bằng silicon, một đội nghiên cứu ở Pháp và Thụy Sĩ khẳng định hiện tượng này có lẽ rốt cuộc chẳng hề tồn tại.
Áp trở khổng lồ là sự thay đổi lớn về điện trở xảy ra khi một chất liệu bị kéo căng ra. Sau khi được tường trình lần đầu tiên xuất hiện trong các dây silicon nhỏ xíu, một số nhà khoa học đưa ra nhận định cho rằng hiện tượng này có thể cải thiện đáng kể các dụng cụ điện tử nano, thí dụ như các transistor nano, và giúp chế tạo các bộ vi cảm biến cực nhạy.
Nay một nghiên cứu mới của Jason Milne và Alistair Rowe tại trường Bách khoa Ecole, Steve Arscott thuộc trung tâm IEMN-CNRS và Christoph Renner tại trường đại học Geneva, nêu vấn đề nghi ngờ trước những ứng dụng như thế.
Các nhà vật lí đã biết về áp trở (PZR) – nhờ đó điện trở của một chất bán dẫn biến đổi khi một suất căng cơ nhỏ tác dụng lên nó – trong nhiều năm qua. Áp trở khổng lồ xảy ra khi có một sự thay đổi về điện trở lớn hơn nhiều đối với cùng một suất căng tác dụng vào. Thí dụ, độ biến thiên điện trở trên đơn vị suất căng thường lên tới 100 trong silicon nguyên khối, nhưng trong hiện tượng PZR khổng lồ, giá trị này có thể đạt tới vài nghìn.
Những ứng dụng thực tiễn
PZR khổng lồ có thể tìm thấy nhiều ứng dụng thực tiễn. Thí dụ, nó có thể được dùng để phát hiện ra chuyển động trong các hệ vi cơ (NEMS) vì các máy dò truyền thống mất độ nhạy của chúng ở những cấp độ chiều dài này. Hơn nữa, vì suất căng cơ học hiện nay đã được áp dụng để cải thiện hiệu suất của các dụng cụ điện tử (trong cái gọi là “kĩ thuật suất căng”), cho nên nó cũng có thể giúp cải thiện các transistor cỡ nano.
Cách đây bốn năm, đội của Peidong Yang tại trường đại học California ở Berkeley lần đầu tiên quan sát thấy PZR ở các dây nano silicon và khám phá trên đã tạo ra cả một luồng hứng khởi trong các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới. Thật vậy, các nhà nghiên cứu đã đo độ biến thiên điện trở trên đơn vị suất căng lên tới gần 6000. Hiệu ứng trên được cho là một hiện tượng mới xảy ra trong một chất liệu đã biết rõ do kích cỡ giảm thiểu và các trạng thái bề mặt đặc trưng của mẫu.
Trong một bài báo đăng trên tạp chí Physical Review Letters, đội khoa học người Pháp-Thụy Sĩ khẳng định những quan sát này có khả năng là sản phẩm lầm lạc của phòng thí nghiệm, chứ chẳng liên quan gì đến suất căng cơ học tác dụng lên các dây nano silicon. Thay vào đó, chúng có nguyên do bởi sự bắt giữ bề mặt của các điện tích gây ra bởi điện áp đặt vào để đo điện trở. “Nói cách khác, tác động đo điện trở đã làm thay đổi giá trị của nó”, Rowe giải thích.
Sự chuyển dịch không liên quan đến suất căng
PZR thường được đo bằng cách tiến hành một phép đo điện trở trên một mẫu trong khi từ từ thay đổi suất căng cơ học tác dụng vào nó. Vấn đề là bất kì một sự chuyển dịch nào không có liên quan đến suất căng trong giá trị của điện trở cũng không thể tách rời khỏi cái gây ra bởi suất căng tác dụng vào.
Tác giả đầu nhóm Jason Milne đang tiến hành các phép đo (Ảnh: Ecole Polytechnique)
Đội nghiên cứu người Pháp-Thụy Sĩ cho biết họ khắc phục vấn đề này bằng cách tác dụng một suất căng dao động lên trên mẫu của mình. Theo kiểu này, suất căng liên tục tăng lên rồi giảm xuống theo hàm của thời gian. “Đây là một kĩ thuật khá quen thuộc (gọi là kĩ thuật dò phách) trong vật lí và kĩ thuật, và được dùng để phân tách hai hoặc nhiều tín hiệu và mang lại các phép đo chính xác”, Rowe nói.
Theo Rowe, trước đây các nhà khoa học chưa bao giờ áp dụng kĩ thuật tạo phách cho các phép đo PZR, cho nên các phép đo trước đây cho thấy những sự biến thiên điện trở lớn (nhưng không liên quan đến suất căng) trong các dây nano silicon. “Điều này có nghĩa là sự biến đổi điện trở do sự bắt giữ điện tích (còn gọi là sự hồi phục điện môi) được cho là kết quả của suất căng tác dụng vào”, Rowe nói. “Hiện nay, đây có vể là một giả thuyết không chính xác”.
Từ trên xuống hay từ dưới lên?
Bản thân Yang thì không tán đồng: “Họ báo cáo các phép đo PZR trên một tập hợp các dây micro và dây nano từ-trên-xuống trong khi các phép đo của chúng ta thực hiện trên các dây nano lớn từ-dưới-lên. Các kết quả của họ thật ra có lẽ chẳng có gì bất ngờ vì ngày nay chúng ta đều biết rằng các dây nano kết nối tổng hợp theo kiểu từ-dưới-lên có suất căng, trạng thái bề mặt và sự phân bố tạp chất hơi khác với các dây nano chế tạo từ-trên-xuống. Thật ra, sự thiếu vắng hiệu ứng PZR khổng lồ trong các dây nano như vậy đã được báo cáo tận hồi năm 2003. Tuy nhiên, sự thiếu vắng hiệu sáng PZR khổng lồ trong những mẫu mới chế tạo này không giống như trong trường hợp các dây nano kết nối tổng hợp của chúng tôi.
“Sau hết thảy, hiệu ứng PZR đã quan sát thấy trong các dây nano của chúng tôi, cho dù nó có bản chất nội tại hay từ hiệu ứng các trạng thái bề mặt, tỏ ra khá hữu ích”, Rowe nói. “Thí dụ, mới đây chúng tôi đã chứng minh được các bộ cộng hưởng dây nano silicon áp trở biến đổi tần số rất cao đầu tiên với sự kích thích điện tử trên-chip ở nhiệt độ phòng. Chúng tôi đã làm sáng tỏ rằng, đối với các dây nano silicon rất mỏng, suất căng biến thiên theo thời gian của chúng có thể khai thác để tự chuyển đổi các chuyển động cộng hưởng của dụng cụ ở những tần số cao tới 100 MHz. Điều này không dễ gì có được nếu như không có hiệu ứng PZR hỗ trợ”.
Xem ra tranh cãi vẫn còn tiếp tục.
Nguồn: physicsworld.com
