Ảnh chụp hiển vi của một công tắc NEMS cho thấy đầu nhọn, đóng vai trò cực gốc. Cực thu là điểm nhọn ở bên trái và cực phát là cấu trúc lớn ở giữa ảnh. (Ảnh: Te-Hao Lee)
Các nhà nghiên cứu ở Mĩ là những người đầu tiên chế tạo ra những mạch lôgic cơ điện nhỏ xíu hoạt động ở nhiệt độ cao đến 500oC. Các mạch trên chứa hai công tắc chế tạo bằng silicon carbide và hoạt động như một cổng NOT lôgic. Đội khoa học tin rằng hệ thống cơ điện nano (NEMS) của họ có thể dùng trong các bộ vi điều khiển nhúng trong máy móc nóng bỏng như động cơ tên lửa hoặc mũi khoan dầu.
Công nghệ hiện đại ngày một tin cậy hơn vào các hệ điều khiển vi tính nhúng trong, nhưng một số thiết bị đơn giản là quá nóng để cho thiết bị điện tử silicon thông thường thực thi chức năng của chúng. Vấn đề là các chip máy tính thông thường không hoạt động ở trên khoảng 300oC vì nhiệt tỏa ra làm cho các tiếp xúc transistor bị thoái hóa – và còn bởi vì các electron bị kích thích nhiệt làm thay đổi các tính chất điện tử của chất bán dẫn.
Các nhà thiết kế giải quyết vấn đề này bằng cách chế tạo ra các bộ vi điều khiển nhiệt độ cao từ silicon carbide (SiC), chất chịu nhiệt tốt hơn so với silicon thuần túy. Ngoài ra, lượng năng lượng cần thiết để kích thích nhiệt một electron là lớn hơn nhiều trong trường hợp SiC. Nhưng thật không may, các transistor chế tạo từ SiC có xu hướng lớn, chậm và tiêu tốn năng lượng và chỉ hoạt động ở những giá trị điện áp cao.
Công tắc đầu nhọn
Nay Mehran Mehregany cùng các đồng nghiệp tại trường Đại học Case Western Reserve ở Cleveland, Ohio, vừa chứng tỏ rằng các bộ vi điều khiển nhiệt độ siêu cao có thể chế tạo từ những công tắc cơ nhỏ xíu kích cỡ chỉ vài trăm nano mét.
Để xây dựng dụng cụ của mình, đội nghiên cứu tráng lên trên bánh xốp silicon một lớp mỏng silicon oxide và sau đó là một lớp SiC dày 400 nm. Sau đó, các nhà nghiên cứu sử dụng kĩ thuật khắc chùm điện tử để chế tạo một công tắc đơn giản gồm hai điện cực SiC (cực phát và cực thu) bắt ngang qua bởi một chùm đầu nhọn SiC (cực gốc). Công tắc SiC được lấy ra khỏi bánh xốp bằng cách sử dụng một hóa chất khắc lên trên silicon oxide.
Khi thiết lập điện áp giữa cực phát và cực gốc, người ta thấy lực tĩnh điện hút chùm tia lại tiếp xúc với cực thu (chứ không phải cực phát). Điều này cho phép dòng điện chạy giữa cực gốc và cực thu, biến dụng cụ thành một transistor hiệu ứng trường NEMS. Mehregany và đồng nghiệp sau đó còn có thể chế tạo ra một cổng lôgic NOT bằng cách kết hợp hai công tắc như vậy.
Đội nghiên cứu cho dụng cụ hoạt động ở 500oC tại tần số 500 kHz và với điện áp lôgic vào ±6 V. Trong khi điện áp này cao hơn nhiều so với ở các dụng cụ lôgic silicon – chúng hoạt động ở 3V hoặc thấp hơn – cổng lôgic NEMS ±6 V sánh ngang với các dụng cụ nhiệt độ cao khác, theo như đội nghiên cứu cho biết. Và vì điện áp chuyển mạch không phải là một tính chất nội tại của dụng cụ - như trong trường hợp chất bán dẫn – cho nên điện áp của dụng cụ trên nguyên tắc có thể giảm thêm nữa bằng cách chế tạo các công tắc thành phần nhỏ hơn.
Không có giới hạn dưới
Đội nghiên cứu đã có thể cho hoạt động một công tắc tiêu biểu trong khoảng 21 tỉ chu kì ở nhiệt độ phòng trước khi chùm đầu nhọn bị gãy. Tuy nhiên, ở 500oC, các công tắc chỉ tồn tại trong khoảng 2 tỉ chu kì. Đội nghiên cứu còn nhận thấy ở nhiệt độ này, có một quả cầu SiC nhỏ xíu tại mỗi đầu của chỗ gãy. Điều này thật khó hiểu vì SiC thường thăng hoa ở 1800oC.
Nhà vật lí Case, Te-Hao cho biết quả cầu chỗ gãy có thể gây ra bởi một xung điện có liên quan đến nhiệt độ xảy ra trong lúc hoạt động chuyển mạch. “Bằng cách tinh chỉnh thiết kế của công tắc trên, người ta có thể làm giảm sức căng uốn trên công tắc và kết quả là tăng thêm tính xác thực và thời gian sống của một công tắc một cách đáng kể”, ông nói.
Hoạt động ở chế độ GHz
Lee tin rằng những cải tiến này cùng những cải tiến khác có thể mang lại những dụng cụ có thể cung cấp một nghìn tỉ chu kì hoạt động xác thực ở tốc độ GHz – vượt quá yêu cầu tốc độ và thời gian sống của một mạch vi điều khiển tiêu biểu.
Ngoài việc tăng cường hiệu năng của từng công tắc, đội nghiên cứu hiện đang tìm cách tích hợp các dụng cụ trên vào những thành phần mạch phức tạp hơn như một máy cộng hay thanh ghi. Họ còn khảo sát vấn đề làm thế nào đóng gói các dụng cụ trên cho những ứng dụng nhiệt độ cao.
Nguồn: physicsworld.com
