Các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản vừa công bố một nguyên mẫu của “transistor Mott”. Nếu được triển khai thương mại, một transistor như thế có thể mang lại những lợi thế vượt trội so với những thiết kế hiện nay về mặt hiệu quả năng lượng và tốc độ chuyển mạch.
Vì transistor là cơ sở của điện tử học hiện đại, nên các nhà khoa học liên tục đi tìm các phương pháp cải tiến và nâng cao hiệu quả của chúng. Các transistor dùng để chuyển mạch trong máy vi tính hiện đại hoạt động dựa trên hiệu ứng trường. Ở những transistor như vậy, một điện áp đặt giữa cực cổng và cực máng làm tăng độ dẫn của một chất bán dẫn, cho phép dòng điện chạy qua giữa cực nguồn và cực máng. Transistor mang dòng điện nhỏ khi không có điện áp giữa cực cổng và cực máng (trạng thái off) và mang dòng điện lớn khi có điện áp cổng (trạng thái on). Dòng điện nhỏ quan trọng vì hiệu quả năng lượng, còn dòng điện lớn quan trọng vì nó cho phép mạch điện chạy nhanh hơn.
Minh họa ở bên trái là một transistor hai lớp điện bình thường. Còn ở bên phải là transistor hai lớp điện gốc vanadium dioxide. (Ảnh: Masaki Nakano, RIKEN)
Transistor lí tưởng
Một transistor lí tưởng sẽ là một chất cách điện hoàn toàn ở trạng thái off và là một chất dẫn hoàn hảo ở trạng thái on. Do đó, một số đo quan trọng của chất lượng của một transistor là tỉ số của dòng điện on so với dòng điện off. Tuy nhiên với transistor hiệu ứng trường chuẩn (FET), sự biến thiên độ dẫn này chỉ bị ảnh hưởng bởi một lớp mỏng nằm gần nơi dòng điện chạy qua giữa cực cổng và cực máng. Điều này làm hạn chế tỉ số dòng điện on / dòng điện off có thể thu được.
Các nhà khoa học đã đề xuất rằng có thể cải thiện tỉ số này bằng cách khai thác các chất cách điện Mott trong transistor. Chất cách điện Mott là những chất liệu hành xử giống như các kim loại theo các lí thuyết dải dẫn thông thường nhưng lại tác dụng như những chất cách điện dưới những điều kiện nhất định tuân theo các tương quan cơ lượng tử giữa các electron láng giềng. Tuy nhiên, vì những lí do phức tạp và chưa được hiểu hết, các chuyển tiếp pha đột ngột có thể sinh ra giữa trạng thái cách điện và trạng thái kim loại. Ngoài ra, sự chuyển tiếp kim loại-chất cách điện này còn có thể được gây ra bởi một điện trường. Trong khi điện áp cổng ở một transistor thông thường làm điều biến điện trở của một chất bán dẫn, thì điện áp cổng ở một transistor Mott có thể biến một chất cách điện thành kim loại.
Những chuyển tiếp hàng loạt
Trước đây, những nhóm nghiên cứu khác nhau đã cố gắng chế tạo transistor Mott, nhưng họ đều không tạo ra được những điện trường cần thiết để gây ra sự chuyển tiếp kim loại-chất cách điện tại bề mặt của chất cách điện Mott. Nay các nhà khoa học tại Viện Khoa học Cao cấp RIKEN ở Wako, Nhật Bản, cho phủ lên bề mặt của chất cách điện vanadium dioxide một giọt chất lỏng nhiễm ion. Khi đặt một điện áp cổng nhỏ lên chất lỏng nhiễm ion đó, điện áp này sinh ra một điện trường khổng lồ tại bề mặt của chất cách điện Mott, làm cho nó chuyển sang trạng thái kim loại. Cái đáng chú ý nhất là, không giống như ở một transistor bình thường, sự chuyển tiếp pha đó – và do đó là sư biến thiên độ dẫn – không chỉ xảy ra ngay tại bề mặt, mà còn trong nguyên khối chất liệu. Các nhà nghiên cứu vẫn chưa hiểu hoàn toàn nguyên nhân vì sao như vậy, nhưng họ đoán rằng điện trường tại bề mặt của chất cách điện Mott gây ra một chuyển tiếp pha trong một lớp mỏng ở gần bề mặt đó, và sự chuyển tiếp này truyền năng lượng cho mạng tinh thể của chất, do đó gây ra một loại hiệu ứng thác lở với ranh giới pha truyền vào trong chất liệu giống như sóng.
Các nhà nghiên cứu đã thu được tỉ số dòng điện on / dòng điện off là 100 / 1. Con số này có vẻ khiêm tốn so với FET hiện đại, chúng có thể thu được tỉ số cao đến 1 triệu / 1, nhưng Jochen Mannhart, một nhà vật lí nghiên cứu vật chất ngưng tụ tại Viện Nghiên cứu Chất rắn Max Planck ở Stuttgart, Đức, cho rằng không hẳn thế. “Đặc điểm nổi bật nhất của nghiên cứu này,” ông nói, “là các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng ở một số chất liệu – trong trường hợp này là vanadium dioxide – bằng cách đặt một điện áp cổng, người ta có thể chuyển nguyên khối chất liệu từ đang cách điện thành dẫn điện và do đó chuyển một thể tích rất lớn electron từ không linh động sang linh động. “ Ông giải thích rằng, trong khi FET hiện đại là kết quả của 30 năm tối ưu hóa, thì transistor Mott là một minh chứng nguyên lí và chưa được tối ưu hóa. Mannhart cho biết trở ngại thật sự duy nhất với dụng cụ trên là sự có mặt của chất lỏng nhiễm ion, đó là cái phi thực tế trong một linh kiện và cần được thay bằng một chất cách điện rắn.
Masaki Nakano, người đứng đầu nghiên cứu trên, đồng ý rằng đó sẽ là cái quan trọng, nhưng ông nói rằng, hiện nay, nhóm của ông không tập trung vào việc phát triển thêm dụng cụ của mình. “Hiện nay, chúng tôi vẫn phải bỏ nhiều thời gian tìm hiểu dụng cụ của mình,” ông giải thích, “và có nhiều cái vẫn chưa rõ ràng.”
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature.
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
