Trung Quốc nắm giữ vật liệu tương lai của ngành điện tử?

Các nhà khoa học Trung Quốc đã tìm ra cách ép kim loại thành các tấm siêu mỏng, chỉ dày không quá vài nguyên tử. Một số chuyên gia tin rằng phát minh này có thể cách mạng hóa cách chế tạo các thiết bị điện tử, từ bóng bán dẫn tiêu thụ ít điện năng đến chip thế hệ mới và các cảm biến siêu nhạy.

Lấy cảm hứng từ các kỹ thuật rèn đồng cổ xưa, một nhóm nghiên cứu từ Viện Vật lý Trung Quốc tại Bắc Kinh đã sản xuất ra các tấm bismuth, gali, indi, thiếc và chì, một số chỉ dày một nguyên tử, mỏng hơn hàng trăm nghìn lần so với sợi tóc của con người.

Trong một bài báo được công bố trên tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu cho biết so với các phiên bản cồng kềnh hơn, các tấm kim loại siêu mỏng của họ, đặc biệt là bismuth dày chỉ một nguyên tử thể hiện độ dẫn điện cực kỳ cao cùng với nhiều tính chất độc đáo khác.

Các nhà khoa học đã đánh giá cao kết quả nghiên cứu từ Trung Quốc. Ông Javier Sanchez-Yamagishi, chuyên gia về vật liệu 2D tại Đại học California, Irvine, cho biết mặc dù nhóm nghiên cứu Trung Quốc không phải là nhóm đầu tiên sản xuất kim loại mỏng ở cấp độ nguyên tử, nhưng kết quả của họ nổi bật vì phương pháp mới có thể tạo ra kim loại 2D thực sự ở quy mô lớn so với các kỹ thuật trước đây.

"Tính ổn định và kích thước của những vật liệu này mở ra nhiều khả năng tích hợp với các vật liệu khác, từ đó tạo ra các thiết bị điện hoặc quang tử mới", ông Sanchez-Yamagishi viết trong một bài đánh giá trên tạp chí Nature.

Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng vật liệu 2D sở hữu các tính chất hoàn toàn khác biệt so với các phiên bản 3D của chúng, ngay cả khi có cùng thành phần hóa học. Ví dụ, một tấm carbon dày một nguyên tử, được gọi là graphene, bền hơn và dẫn điện tốt hơn nhiều so với than chì.

Theo các nhà nghiên cứu, trong khi graphene có thể dễ dàng được tách ra từ carbon kết tinh, vốn có cấu trúc lớp tự nhiên xếp chồng lên nhau, thì kim loại lại có cấu trúc nguyên tử được sắp xếp chặt chẽ, khiến việc tách chúng thành các tấm mỏng ở cấp độ nguyên tử trở nên khó khăn hơn.

Zhang Guangyu, một chuyên gia về thiết bị nano và nhóm của ông đã phát triển một cặp tấm sapphire siêu mịn, mỗi tấm được phủ molypden disulfide, một vật liệu giúp ổn định kim loại siêu mỏng.

Các nhà nghiên cứu đã nung nóng một giọt kim loại nhỏ trên một tấm vật liệu, sau đó ép nó bằng một tấm khác. Khi kim loại nguội đi, nó lan rộng thành một tấm siêu mỏng, với các lớp molybden disulfide ngăn chặn quá trình oxy hóa và hỗ trợ tách kim loại dễ vỡ.

Áp dụng kỹ thuật của mình, nhóm đã tạo ra các tấm gồm 5 loại kim loại khác nhau chỉ dày vài nguyên tử, rộng vài trăm micromet, khá lớn đối với một vật liệu mỏng như vậy. Nhóm nghiên cứu cho biết rằng phương pháp này có thể áp dụng cho bất kỳ kim loại nào có điểm nóng chảy thấp.

Theo ông Zhang, kim loại 2D có tiềm năng ứng dụng lớn, có thể sử dụng trong các thiết bị thu nhỏ, xử lý và lưu trữ thông tin lượng tử và phát hiện cực nhạy. "Chúng có thể đóng vai trò là các kết nối trong chip hoặc thậm chí là vật liệu cốt lõi để chế tạo chip", ông nói với đài truyền hình CCTV.

Tuy nhiên, ông Eric Pop, một kỹ sư điện tại Đại học Stanford, đã cảnh báo rằng các tấm kim loại siêu mỏng phải đối mặt với nhiều thách thức trước khi chúng có thể được tích hợp vào các thiết bị điện tử. Một rào cản chính là chứng minh tính ổn định của chúng ở nhiệt độ cao cần thiết để sản xuất chip.

Mặc dù vậy, chuyên gia này nhận định Trung Quốc đã có những bước đột phá trong công nghệ vật liệu để chế tạo chip, có khả năng định hình lại cuộc đua bán dẫn toàn cầu.

Nếu những công nghệ này được thương mại hóa thành công, nó không chỉ có thể thay đổi vị thế của Trung Quốc trong ngành công nghiệp bán dẫn toàn cầu mà còn có thể báo hiệu một kỷ nguyên mới của thiết kế chip, nơi silicon không còn là vật liệu chính cho các bộ xử lý tiên tiến.