Các nhà vật lí ở Anh vừa tìm ra một phương pháp khắc phục một rào cản chính ngăn trở việc sử dụng graphene trong các dụng cụ điện tử - cách ngăn không cho dòng điện rò rỉ qua dụng cụ khi nó đã tắt nguồn.
Graphene là một tấm carbon chỉ dày một nguyên tử và có một số tính chất cơ và điện tử độc nhất vô nhị, nghĩa là nó có thể được sử dụng trong các dụng cụ điện tử - ít nhất là trên nguyên tắc. Tuy nhiên, có nhiều thử thách cần phải vượt qua trước khi các ứng dụng thương mại có thể triển khai.
Graphene là một chất dẫn điện cực kì tốt, nhưng độ dẫn điện mạnh của nó cũng là một vấn đề vì các dụng cụ chế tạo từ chất liệu này vẫn dẫn điện ngay cả khi đã tắt nguồn. Đây không những là sự tổn hao năng lượng, mà còn có nghĩa là những dụng cụ như thế không thể đóng gói lên trên những con chip máy tính vì dòng điện chạy qua graphene sẽ làm tan chảy con chip hầu như ngay tức thì.
Graphene là một chất bán dẫn, nhưng không giống như những chất liệu quen thuộc như silicon, graphene không có khe năng lượng giữa các dải hóa trị và dải dẫn của nó. Một dải khe như vậy cho phép chất bán dẫn bật và ngắt dòng electron. Các nhà nghiên cứu đã đề xuất những kế hoạch khác nhau nhằm khắc phục vấn đề này – chẳng hạn bằng cách sử dụng những dây nano hoặc chấm lượng tử, hay graphene biến tính hóa học để làm cho nó bán dẫn. Mặc dù cả hai kế hoạch trên nguyên lí đều hoạt động, nhưng việc mở ra một dải khe ở graphene theo cách này cũng gây hỏng chất liệu nên dụng cụ hoàn chỉnh không còn thể hiện tính ưu việc hoặc độ linh động electron cao nữa.
Ảnh minh họa transistor graphene. Các lớp graphene được biểu diễn bởi những mạng hình tổ ong và lớp chất cách điện được vẽ giữa các lớp graphene. (Ảnh: L Ponomarenko)
Phương pháp xếp lớp
Leonid Ponomarenko cùng các đồng sự tại trường Đại học Manchester vừa tiến thêm một bước nhằm khắc phục vấn đề này bằng cách chế tạo ra một loại transistor mới từ graphene chứa những lớp boron nitride hoặc molybdenum disulphide kẹp giữa những tấm graphene. Trong đội khoa học Manchester còn có hai nhà tiên phong nghiên cứu graphene Konstantin Novoselov và Andre Geim.
Các lớp đó tác dụng như những hàng rào đường hầm thẳng đứng làm giảm tối thiểu sự rò rỉ điện – ngay cả ở nhiệt độ phòng. Gọi là transistor hiệu ứng trường đường hầm thẳng đứng, đây là dụng cụ đầu tiên từng được chế tạo từ graphene có thể bật và ngắt chính xác – bất chấp sự không có mặt của khe năng lượng trong cấu trúc dải của chất liệu.
Transistor cấu tạo gồm hai tấm graphene kẹp lại với những chất cách điện mỏng cỡ nguyên tử như boron nitride (BN) hoặc molybdenum disulphide (MoS2) tác dụng như những hàng rào cho các electron chui hầm từ lớp graphene này sang lớp tiếp theo. Ưu điểm của loại cấu trúc này là dòng điện chạy vuông góc với các lớp chất liệu cách điện – nghĩa là dòng điện chui hầm – có thể điều khiển với một điện trường ngoài. “Về mặt kĩ thuật, đây là vì các electron do trường ngoài gây cảm ứng trong graphene có xác suất chui hầm cao hơn và số lượng những electron như vậy tăng lên theo độ lớn điện trường,” Ponomarenko giải thích.
Mặc dù mọi chất cách điện có thể xem là một hàng rào chui hầm, nhưng chỉ khi hàng rào đó dày vài ba nguyên tử thì dòng điện chui hầm mới có thể được đo dễ dàng. BN và MoS2 là chất lí tưởng để sử dụng xét trên phương diện này vì những giàn cực mỏng của những chất liệu này có thể được tạo ra bằng phương pháp “băng dính” dùng để chế tạo graphene.
Tính chất độc nhất vô nhị
Dụng cụ trên hoạt động nhờ một tính chất độc nhất vô nhị của graphene, nhờ đó một điện áp ngoài có thể ảnh hưởng mạnh đến năng lượng của các electron chui hầm, Ponomarenko cho biết. “Tôi nghĩ nghiên cứu của chúng tôi hiện nay mở ra con đường chế tạo các mạch tích hợp graphene.”
Đội nghiên cứu cho biết họ sẽ tiếp tục khảo sát xem graphene có thể kết hợp với những chất liệu 2D khác hay không. “Cái cũng sẽ quan trọng là biết các transistor chui hầm của chúng tôi hoạt động như thế nào khi kích cỡ ngang của chúng giảm xuống còn cỡ nanomet và biết được những dụng cụ như thế có thể hoạt động ở tần số cao nhất là bao nhiêu,” Ponomarenko nói.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science.
Xuân Nguyễn – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com
