Ôn tập môn học Công nghệ nano

Ôn tập môn học Công nghệ nano Câu 1. Phân tích các giai đoạn phát triển của công nghệ điện tử, định luật Moor và khuynh hướng phát triển công nghệ điện tử. Câu 2) Các phương pháp chế tạo vật liệu nano, ưu nhược điểm của từng phương pháp. Công nghệ điện tử nano thường theo phương pháp nào, tại sao? Câu 3) Khái niệm về công nghệ nano, phân loại vật liệu nano và phân tích một số ứng dụng của công nghệ nano. Câu 4) Các cơ sở khoa học của công nghệ nano, các nguyên lý và hiệu ứng dùng trong công nghệ nano. Câu 5) Năng lượng bề mặt, các phương pháp giảm năng lượng bề mặt, tại sao phải giảm năng lượng bề mặt? Tập hợp câu hỏi và đáp án môn học công nghệ nano

MỤC LỤC

Điện tử học truyền thống được hình thành và phát triển chủ yếu trong thế kỷ 20 và trải qua hai giai đoạn

Giai đoạn thứ nhất, bắt đầu vào khoảng cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20 cho đến tận những

năm 70 (thậm chí những năm 80 vẫn còn sử dụng) Đây là thời kỳ của điện tử chân không đánh dấu bằng sự ra đời của ống tia cathode (cathode ray tube, CRT) Braun (1900) và phát triển dựa trên các đèn điện tử chân không Kỹ thuật điện tử đặc thù của giai đoạn này là sử dụng điện tích của điện tử ở trong chân không và điều khiển chúng bằng điện trường (việc kết hợp sử dụng từ trường chủ yếu là để lái chùm tia điện tử trong các màn hình sử dụng ống CRT)

Giai đoạn thứ hai, bắt đầu từ cuối thập kỷ 40, đầu thập kỷ 50 đến tận thập kỷ đầu của thế

kỷ 21 Đây là giai đoạn phát triển của điện tử bán dẫn, trong đó điện tích của điện tử trong chất rắn (bán dẫn) được sử dụng và cũng được điều khiển chủ yếu bằng điện trường (một số kiểu linh kiện khác, như các linh kiện Hall, có sử dụng từ trường bên cạnh điện trường) Giai đoạn thứ hai cũng phát triển qua hai giai đoạn: giai đoạn đầu (1950-1980) là thời kỳ phát triển của công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu silic; giai đoạn sau (1980-2000) phát triển dựa vào công nghệ vi điện tử nhưng trên các vật liệu có cấu trúc tiếp xúc

dị thể kim loại-ôxýt-bán dẫn (MOS), cấu trúc bù MOS (CMOS) và sử dụng hiệu ứng trường (FET) Bên cạnh đó, công nghệ lưu trữ thông tin cũng phát triển hết sức mạnh mẽ, đặc biệt là trong nửa cuối của thế kỷ 20

Sự phát triển mạnh của công nghệ điện tử chất rắn (bán dẫn) trong thế kỷ 20 (chủ yếu ở nửa sau của thế kỷ) cùng với sự phát triển của công nghệ lưu trữ thông tin, đã dẫn đến sự bùng nổ của các công nghệ điện tử-tin học-viễn thông, làm thay đổi hoàn toàn bộ mặt của đời sống toàn cầu trong thời gian qua với các thành tựu tiêu biểu là mạng internet, các thiết bị thông tin di động và các thiết bị ngày càng thông minh hơn

Tuy nhiên, gần đây công nghệ điện tử chất rắn đã bắt đầu bộc lộ những hạn chế về nguyên tắc, mâu thuẫn mang tính chất kinh tế (Định luật Moore II): giá thành nhà máy chế tạo chip tăng lên gấp đôi sau 3 năm, trong khi thị trường tiêu thụ IC đã tăng gấp đôi sau 5 năm Thứ hai là hạn chế về mặt vật lý: mặc dù vật lý bán dẫn được dựa trên cơ học lượng tử, song các điện tử được sử dụng vẫn có tính chất “tập thể” ở trong tinh thể bán dẫn có kích thước vĩ mô Do đó các quy luật vật lý được sử dụng vẫn có tính chất “cổ điển” Khi kích thước của các linh kiện ngày càng nhỏ, hiện nay đã xuống đến kích thước nanômét, sự thăng giáng thống kê sẽ lớn và các quy luật lượng tử đã bắt đầu có hiệu lực, chi phối tính chất của linh kiện và xuất hiện những tính chất mới

Sang thế kỷ 21, khuynh hướng phát triển chung của công nghệ điện tử bán dẫn sẽ

là công nghệ nano, hình thành nên cái gọi là điện tử học nanô (nanoelectronics, so sánh thuật ngữ này với thuật ngữ vi điện tử, microelectronics)

Sự phát triển công nghệ và sự cạnh tranh công nghiệp đã đưa công nghiệp bán dẫn

sản sinh ra các dụng cụ điện tử nhỏ hơn, nhanh hơn, mạnh hơn Mức độ tích hợp tăng gấp đôi sau mỗi 18-24 tháng theo luật Moore, mật độ tích hợp các linh kiện trên chip tăng theo hàm mũ

1965, Intel chế tạo một cái chip có diện tích vài cm2 chứa 30 transistor Chip này

đủ "thông minh" để làm công việc đơn giản cộng trừ nhân chia thay cho cái bàn tính

tháng 11 năm 2007 Intel tung ra thị trường thế giới một transistor mới với kích cỡ

45 nanomét, dùng một nguyên tố gọi là hafnium để thay thế silicon Transistor này nhỏ đến mức người ta có thể xếp 2000 transistor này trong một khoảng không gian dày bằng sợi tóc Hàng tỉ transistor được tập tích trong một chip vi tính cũng chỉ to vài cm2

Vấn đề chính của các transistor thu nhỏ là sự phát nhiệt Càng được thu nhỏ, transistor càng nóng Sự phát nhiệt làm tổn hại và giảm công năng của các dụng cụ điện tử Nhu cầu thu nhỏ hơn nữa và tránh sự phát nhiệt cần phải nhờ đến giải pháp "từ dưới lên" của công nghệ nano và khái niệm "phân tử điện tử học" (molecular electronics) ra đời

ống than nano có đặc tính dẫn điện đạn đạo (ballistic conductivity) mà không gây

sự phát nhiệt

Năm 2000, Intel giới thiệu pentium 4 gồm 42 triệu tranzito, một thành tựu công nghệ kinh hoàng Việc tăng mật độ mạch thực hiện bằng cách rút ngắn đường dây nối mạch, bằng cách giảm kích thước các chức năng, tạo ra các lớp cấu trúc dụng cụ đa mức mỏng hơn Các thay đổi này thực hiện nhờ kỹ thuật sản xuất và các vật liệu cấu trúc

2) Các phương pháp chế tạo vật liệu nano, ưu nhược điểm của từng phương pháp Công nghệ điện tử nano thường theo phương pháp nào, tại sao?

Chế tạo vật liệu nano

Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống

(top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up) Phương pháp từ trên xuống là

phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử

1 Phương pháp từ trên xuống

Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất

hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu) Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh) Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano) Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn(có thể >10) mà không làm phá huỷ vật liệu, đó

là các phương pháp SPD điển hình Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi là biến dạng nguội Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm) Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp

Hình 1-3 Các màng nano Si chế tạo theo hướng trên xuống

a) Khắc các lỗ hổng qua lớp Si loại P+ và đế Si

b) Phủ lớp SiO2 có độ sâu điều chỉnh được độ sâu

c) Lắng đọng lớp Si đa tinh thể trên lớp ôxit và khắc lỗ

d) Nghiền tách lớp cấu trúc bằng axit Flohydric, tự các màng tách thành

các phần tử vừa với đoạn nano có các đặc tính sử dụng theo kiến trúc

nano điều khiển được

2 Phương pháp từ dưới lên

Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này.Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai phương pháp hóa-lý

* Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang) Phún xạ là kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa trên nguyên lý truyền động năng bằng cách dùng các iôn khí hiếm được tăng tốc dưới điện trường bắn phá bề mặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động năng cho các nguyên tử này bay về phía đế và lắng đọng trên đế.

Phương pháp chuyển pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình - tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh) Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính

* Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion Phương pháp

hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel, ) và từ pha khí (nhiệt phân, ) Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,

* Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật

lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí, Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,

Hình 1-4 giới thiệu cây PAMAM (Polyamido Amine) được phát triển theo phương pháp tổng hợp trực giao từ các lõi amin, trường hợp từ amoniac bằng cách thêm dãy Methyl (metyla), tiếp theo là phản ứng độc lập ethylene diamine (hợp chất hữu cơ bao gồm hai nhóm amino) Các cây PAMAM được phân loại từ tạo sinh trưởng G0, G1, G2

Hình 1-4 Phát triển cây PAMAM

Câu 3) Khái niệm về công nghệ nano, phân loại vật liệu nano và phân tích một số ứng dụng của công nghệ nano.

I Một vài khái niệm về công nghệ nano

Công nghệ nano là công nghệ xử lý vật chất ở mức nanomet Công nghệ nano tìm cách lấy phân tử đơn nguyên tử nhỏ để lắp ráp ra những vật to kích cỡ bình thường để sử dụng, đây là cách làm từ nhỏ đến to khác với cách làm thông thường từ trên xuống dưới, từ to đến nhỏ

Vật liệu ở thang đo nano, bao gồm các lá nano, sợi và ống nano, hạt nano được điều chế bằng nhiều cách khác nhau Ở cấp độ nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài của loại vật liệu này

Phân Loại Vật liệu Nano:

Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí

Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:

• Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều

tự do nào cho điện tử), ví dụ, đám nano, hạt nano

• Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử

được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano,

• Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai

chiều tự do, ví dụ, màng mỏng,

• Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một

phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau

Để hiểu rõ về công nghệ nano, ta phải tìm hiểu khái niệm về vật liệu nano

II Những ứng dụng của công nghệ nano

Trong ngành công nghiệp hiện nay, các tập đoàn sản xuất điện tử đã bắt đầu đưa công

nghệ nano vào ứng dụng, tạo ra các sản phẩm có tính cạnh tranh từ chiếc máy nghe nhạc iPod nano đến các con chip có dung lượng lớn với tốc độ xử lý cực nhanh …

Trong y học, để chữa bệnh ung thư người ta tìm cách đưa các phân tử thuốc đến đúng

các tế bào ung thư qua các hạt nano đóng vai trò là “ xe tải kéo”, tránh được hiệu ứng phụ gây ra cho các tế bào lành

Ngoài ra, các nhà khoa học tìm cách đưa công nghệ nano vào việc giải quyết các vấn đề mang tính toàn cầu như thực trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng Việc cải tiến các thiết bị quân sự bằng các trang thiết bị, vũ khí nano rất tối tân mà sức công phá khiến

ta không thể hình dung nổi

Câu 4) Các cơ sở khoa học của công nghệ nano, các nguyên lý và hiệu ứng dùng trong công nghệ nano.

Có ba cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano

Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử

Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó

có các mức năng lượng giống như một nguyên tử

Hiệu ứng bề mặt

Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử Chính vì vậy hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối

một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày Nếu ta

giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử

trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn

đúng nữa Lúc đó điện trở của vật có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử

Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu

Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm Chính vì thế mà người ta gọi ngành

khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ nano.

Bảng 1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu.

Tính siêu dẫn Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1-100

Các nguyên lý và hiệu ứng dùng trong công nghệ Nano

Một trong những tính chất quan trọng của cấu trúc nano là sự phụ thuộc vào kích thuớc

Vật chất khi ở dạng vi thể (nano-size) có thể có những tính chất mà vật chất khi ở dạng nguyên thể (bulk) không thể thấy đuợc.

Khi kích thuớc của vật chất trở nên nhỏ tới kích thuớc nanômét, các điện tử không còn di chuyển trong chất dẫn điện như một dòng sông, mà đặc tính cơ lượng tử của các điện tử biểu hiện ra ở dạng sóng Kích thuớc nhỏ dẫn đến những hiện tượng lượng tử mới và tạo cho vật chất có thêm những đặc tính kỳ thú mới Một vài hệ quả của hiệu ứng lượng tử bao gồm, chẳng hạn như:

• Hiệu ứng đường hầm : điện tử có thể tức thời chuyển động xuyên qua một lớp cách điện Lợi điểm của hiệu ứng này là các vật liệu điện tử xây dựng ở kích cỡ nano không những có thể được đóng gói dầy đặc hơn trên một chíp mà còn có thể hoạt động nhanh hơn, với ít điện tử hơn và mất ít năng lượng hơn những transistor thông thường

• Sự thay đổi của những tính chất của vật chất chẳng hạn như tính chất điện và tính

chất quang phi tuyến (non-linear optical).

Bằng cách điều chỉnh kích thuớc, vật chất ở dạng vi mô có thể trở nên khác xa với vật chất ở dạng nguyên thể

• Hiện nay liên hệ giữa tính chất của vật chất và kích thước là chúng tuân theo "định

luật tỉ lệ" (scaling law) Những tính chất căn bản của vật chất, chẳng hạn như nhiệt

độ nóng chảy của một kim loại, từ tính của môt chất rắn (chẳng hạn như tính sắt

từ và hiện tượng từ trễ), và band gap của chất bán dẫn (semiconductor) phụ thuộc rất nhiều vào kích thước của tinh thể thành phần, miễn là chúng nằm trong giới hạn của kích thước nanômét Hầu hết bất cứ một thuộc tính nào trong vật rắn đều kết hợp với một kích thước đặc biệt, và duới kích thước này các tính chất của vật chất sẽ thay đổi

Mối quan hệ này mở đường cho sự sáng tạo ra những thế hệ vật chất với những tính chất mong muốn, không chỉ bởi thay đổi thành phần hóa học của các cấu tử, mà còn bởi sự điều chỉnh kích thuớc và hình dạng

Các thiết bị dùng trong việc nghiên cứu và quan sát các cấu trúc nano

Một trong những thiết bị được sử dụng nhiều trong công nghệ nano là kính hiển vi quét

sử dụng hiệu ứng đường ngầm (Scanning Tunneling Microscope - STM) Nó chủ yếu bao gồm một đầu dò cực nhỏ có thể quét trên bề mặt Tuy nhiên, do đầu dò này chỉ cách bề mặt của vật cần quan sát vào khoảng vài nguyên tử và đầu dò có cấu trúc tinh vi (kích thuớc cỡ chừng khoảng vài phân tử hoặc nguyên tử), cho hiệu ứng cơ lượng tử xảy ra Khi đầu dò được quét trên bề mặt, do hiệu ứng đường ngầm, các điện tử có thể vượt qua khoảng không gian giữa bề mặt của vật liệu và đầu dò Kỹ thuật này làm cho một máy tính có thể xây dựng và phóng đại những hình ảnh của phân tử và nguyên tử của vật chất.Những phương tiện dụng cụ khác bao gồm:

• Molecular beam epitaxy

• Molecular self-assembly

• Electron beam lithography

• Focused ion beam

• Electron microsopy

• X-ray crystallography

• NMR (nuclear magnetic resonance) spectroscopy

• AFM (Atomic Force Microsopy)

• SEM (Scanning Electron Microscopy)

• TEM (Transmission Electron Microscopy)

Câu 5) Năng lượng bề mặt, các phương pháp giảm năng lượng bề mặt, tại sao phải giảm năng lượng bề mặt?

Nguyên tử và phân tử trên bề mặt chất rắn có ít lân cận gần nhất hoặc số lượng phù hợp vì vậy sẽ có các liên kết lúc lắc trên bề mặt Do các liên kết lúc lắc trên bề mặt

mà các nguyên tử và phân tử bề mặt chịu lực trực tiếp phía trong và khoảng cách giữa các nguyên tử và phân tử hoặc các nguyên tử và phân tử bề mặt phụ nhỏ hơn khoảng cách giữa các nguyên tử và phân tử bên trong Khi các hạt rắn rất nhỏ, kích thước ràng buộc giữa các nguyên tử bề mặt và các nguyên tử bên trong giảm đáng kể, các hằng số lưới của các hạt toàn phần cũng giảm đáng kể Năng lượng phụ có được của các nguyên tử bề mặt được xem như năng lượng bề mặt, năng lượng bề mặt tự do hoặc sức căng bề mặt Năng lượng bề mặt γ được định nghĩa là năng lượng cần để tạo ra một đơn vị diện tích bề mặt mới:

P T

n i

A

G

, ,

Đối với một bề mặt đã cho với diện tích bề mặt cố định, năng lượng bề mặt có thể giảm qua:

(i) Sự dãn bề mặt, các nguyên tử bề mặt hoặc các ion dịch vào trong mà nó xảy ra

trong chất lỏng dễ dàng hơn bề mặt chất rắn do cấu trúc chất rắn cứng hơn

(ii) Tái cấu trúc bề mặt qua việc kết hợp các liên kết lúc lắc bề mặt thành các liên kết

hoá học căng mới

(iii) Sự hút bám bề mặt qua việc hút bám hoá học hoặc vật lý các loại hoá chất thành

bề mặt nhờ hình thành những liên kết hoá học hoặc những lực hút yếu như là các lực tĩnh điện hoặc các lực van der Waals

(iv) Phân đoạn kết hợp hoặc làm giàu pha tạp trên bề mặt bằng cách khuếch tán trạng

thái rắn

Một hướng khác để giảm năng lượng bề mặt là phân đoạn kết hợp hoặc làm giàu pha tạp trên bề mặt Phương pháp này hiệu quả với chất lỏng, không giống như chất rắn Trong các chất rắn nguyên thể, phân đoạn kết hợp là không đáng kể nên năng lượng hoạt hoá yêu cầu cho khuếch tán trạng thái rắn là cao, độ dài khuếch tán lớn Trong các cấu trúc nano và vật liệu nano, phân đoạn pha đóng vai trò đáng kể để giảm năng lượng bề mặt, xem như tác động mạnh đến năng lượng bề mặt và độ dài khuếch tán ngắn Mặc dù chưa

có được minh chứng thực tế để chỉ ra tác động của phân đoạn kết hợp vào việc giảm năng lượng bề mặt trong các vật liệu cấu trúc nano, sự khó khăn trong việc pha tạp vật

liệu nano, tính không ràng buộc trong cấu trúc gần hoàn thiện trong vật liệu nano chứng

tỏ rằng các tạp chất và lỗ trống bị đẩy từ trong ra bề mặt cấu trúc và các vật liệu nano.Tại mức cấu trúc nano riêng có hai hướng giảm năng lượng bề mặt tổng cộng Một

là giảm diện tích bề mặt tổng thể với giả thiết vật liệu hoàn toàn đẳng hướng Nước trên

bề mặt không thấm luôn tạo thành các hạt tròn nhỏ tự do trên toàn bề mặt, giống như trên mặt kính, khi nung bằng nhiệt thì chúng sẽ chạy vòng quanh Đối với chất lỏng và chất rắn không định hình, có cấu trúc micro đẳng hướng và do vậy mà năng lượng bề mặt là đẳng hướng Với các vật liệu này, giảm năng lượng bề mặt bằng cách giảm diện tích bề mặt tổng thể Tuy nhiên với chất rắn tinh thể có các mặt cạnh tinh thể khác nhau sẽ có năng lượng bề mặt khác nhau Vì vậy mà các hạt tinh thể thường hình thành các mặt cạnh thay cho các dạng cầu, nói chung chúng thường có năng lượng bề mặt cao hơn các hạt bề mặt Cân bằng động nhiệt học được xác lập cho một tinh thể đã cho có thể xác định được bằng cách năng lượng bề mặt tất cả các mặt cạnh do năng lượng bề mặt cực tiểu khi một nhóm bề mặt được kết hợp dưới một dạng nào đó

Đối với tinh thể cân bằng, nghĩa là năng lượng bề mặt tổng cộng cực tiểu tồn tại một điểm bên trong có khoảng cách vuông góc với mặt cạnh thứ i là hi, tỷ lệ với năng lượng γi:

là xem như bề mặt rắn có nhiệt độ trên nhiệt độ ráp là bề mặt chất lỏng Các tinh thể ở nhiệt độ trên nhiệt độ ráp không hình thành các mặt cạnh Các hệ số động học cũng tránh được sự hình thành mặt cạnh Các nghiên cứu khác cũng chứng tỏ rằng: hầu hết các hạt nano sinh ra từ nhiệt độ nâng cao có dạng cầu và không hình thành mặt cạnh

Ở mức độ hệ thống toàn thể, cơ chế giảm năng lượng bề mặt tổng thể bao gồm:

i Kết hợp các cấu trúc nano riêng biệt thành cấu trúc lớn và như vậy giảm được diện tích bề mặt Thực hiện bằng cách trộn chung các cấu trúc nano riêng biệt lại hoặc

cấy cấu trúc lớn cạnh các cấu trúc nhỏ Theo cách thứ nhất có thể thực hiện với nhiện độ trong phòng, cách kia cần nhiệt độ cao hơn.

ii Tích tụ các cấu trúc nano riêng biệt, không cần thay đổi cấu trúc

tại sao phải giảm năng lượng bề mặt?

Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối

6) Tính chất hoá lý và các hiệu ứng vật lý cơ bản trong cấu trúc nano phân tử.

a Tính chất hoá lý

Hình 2-1 Tỷ lệ nguyên tử bề mặt theo đường kính cụm palladium

Cấu trúc nano và vật liệu nano chiếm một phần lớn các nguyên tử bề mặt trên một đơn vị thể tích Tỷ lệ của các nguyên tử bề mặt với các nguyên tử bên trong thay đổi đáng

kể nếu chúng có thể phân chia được một đối tượng vĩ mô thành các phần nhỏ hơn Ví dụ, đối với một khối lập phương 1 cm3 sắt, tỷ lệ phần trăm của các nguyên tử bề mặt sẽ chỉ là

10-5 % Khi khối hộp được chia thành nhỏ hơn hình khối với một cạnh 10 nm, tỷ lệ phần trăm của các nguyên tử bề mặt sẽ tăng đến 10% Trong một khối lập phương 1 nm3 sắt, mỗi nguyên tử sẽ là một nguyên tử bề mặt Hình 2.1 cho thấy tỷ lệ phần trăm của các nguyên tử bề mặt thay đổi theo đường kính cụm palladium

Như vậy, sự gia tăng đáng kể về tỷ lệ nguyên tử bề mặt với các nguyên tử bên trong các cấu trúc nano và các vật liệu nano minh họa tại sao sự thay đổi trong phạm vi kích thước nanomet được dự kiến sẽ dẫn đến thay đổi lớn về các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu.

b Các hiệu ứng vật lý cơ bản trong cấu trúc nano phân tử

* Hiệu ứng xuyên hầm lượng tử

Hiện tượng xuyên hầm lượng tử là hiện tượng các electron bằng các cơ chế của cơ học lượng tử đã “đi xuyên” qua được bờ rào thế năng chắn giữa hai vùng chứa electron ngay cả khi động năng của electron thấp hơn chiều cao của rào thế

Hiện tượng xuyên hầm lượng tử cộng hưởng là hiện tượng khi một electron đến bờ rào thế năng của một hố thế, nếu năng lượng của nó “trùng khít” với một mức năng lượng rời rạc nào đó trong hố thế thì electron đó sẽ vượt qua bờ rào vào hố thế với xác suất tăng vọt Nếu trong hố thế không tồn tại mức năng lượng nào bằng với năng lượng của electron thì electron đó không thể vượt qua rào thế để vào trong hố thế Điều chỉnh các mức lượng tử trong hố thế lên xuống, ta có thể điều khiển quá trình xuyên hầm của các electron

* Hiệu ứng khoá Coulomb

Xét hai điện cực tích điện q1, q2 và cách nhau một khoảng 100nm - khoảng cách đủ nhỏ để hiện tượng xuyên hầm có thể xảy ra Cả hệ thống được đặt trong môi trường chân không và ở gần 0oK ở điều kiện như vậy, hệ có năng lượng nhỏ nhất và phụ thuộc vào độ chênh lệch điện tích giữa hai cực Nếu ban đầu điện tích ở hai cực là bằng nhau thì theo định luật bảo toàn năng lượng, electron không thể di chuyển từ cực bên trái sang cực bên phải Ta nói đó là khoá Coulomb

Nhưng khi có sự chênh lệch điện tích giữa hai cực, giả sử q1=-e/2 và q2=e/2, thì sẽ

có duy nhất một electron chuyển từ cực bên trái sang cực bên phải Nếu giả sử có thêm 1 electron nữa xuyên hầm từ cực bên trái sang cực bên phải thì hiệu điện tích /q1-q2/ giữa hai cực sau đó sẽ tăng, nên tổng năng lượng của toàn hệ tăng và không còn ở trạng thái

ổn định nữa Do đó chỉ có thể có 1 electron duy nhất xuyên hầm giữa hai điện cực Như vậy ta hoàn toàn có thể chuyển dịch từng electron giữa hai cực bằng cách điều khiển chính xác điện tích trên hai cực

7) Ống nano cacbon- khái niệm phân loại, các đặc điểm và phương pháp chế tạo.

a - khái niệm phân loại ống nano cacbon :

Ống nano carbon do Sumio Lijima của phòng thí nghiệm Nec Tdukuba phát hiện vào năm 1991 CNT có thể xem như một dải băng cắt từ mặt phẳng grafit (được gọi là graphen) và được cuộn thành hình trụ liền rỗng

* Có hai loại ống nano carbon:

 Ống nano đơn thành (SWNT)

 Ống nano đa thành (MWNT) bao gồm nhiều hình trụ được lồng chặt vào nhau.Các ống nano đơn thành (Single-walled carbon nanotubes- SWNTs) bao gồm một lớp Graphen là ứng cử đặc biệt cho sự phát triển ứng dụng điện tử nano do thuận lợi về tỷ

lệ và những đặc tính điện hiếm có của nó Các đặc tính điện của SWNT là độ nhạy rõ rệt của nó với môi trường xung quanh các vỏ cacbon, và từ đó không gian bên trong và bên ngoài của SWNT có điện thế cực lớn để biến đổi các đặc tính điện của nó, mà nó chắc chắn cấu trúc được các mạch điện tinh vi cho các ứng dụng tương lai

b -các đặc điểm và phương pháp chế tạo :

Nếu: n-m ≠ 3q các ống nano cacbon có tính bán dẫn

- Tính dẫn nhiệt: CNT là chất dẫn nhiệt rất tốt nếu xét theo chiều dọc ống nhưng nó là chất cách điện nếu xét theo chiều ngang với trục ống

* Phương pháp :

- Phóng điện hồ quang

- Bốc hơi laser

- Lắng đọng bay hơi hóa học

- Kết tinh lại xâm thực

8) Điện tử phân tử và chấm lượng tử trong vật liệu linh kiện nano.

1 Điện tử phân tử

Điện tử phân tử nghiên cứu các phân tử đơn hoặc nhóm nhỏ các phân tử mà có thể sử dụng cho những đơn vị căn bản cho máy tính (như dây, chuyển mạch, nhớ và các phần tử khuếch đại) Mục đích sử dụng các phân tử này thiết kế từ dưới lên có những đặc tính và chế độ làm việc riêng, thay thế các linh kiện điện tử chất rắn hiện tại sử dụng công nghệ

in khắc từ trên xuống

Hướng từ trên xuống hiện tại sử dụng công nghiệp Si, những chi tiết nhỏ như tranzito được khắc vào trong Si nhờ cản màu và ánh sáng, nhưng nhu cầu tăng mật độ gây áp lực lớn cho nền công nghiệp

Hướng dưới lên thực hiện cấu trúc chức năng vào các chi tiết nhỏ như các phân tử với

cơ hội có được phân tử tự hợp hơn nữa thành các đơn vị cấu trúc bậc cao như các tranzito Phương pháp dưới lên hoàn toàn tự nhiên, tất cả các hệ thống trong tự nhiên đều cấu trúc từ dưới lên

Cuối cùng, với những tiến bộ kỹ thuật đã cho, điện tử phân tử đề xuất thiết kế dưới lên

sẽ hiệu quả hơn từ trên xuống và tính đa dạng cấu trúc không ngờ, dẫn đến các phân tử hiệu quả hơn, và vì vậy hướng tới chức năng tuỳ ý cho mỗi ứng dụng

Điện tử phân tử tập trung vào các điện tử theo thang phân tử thay thế cho các vật liệu phân tử Các vật liệu phân tử phân chia với các màng film hoặc các tinh thể (ví dụ như là

các tranzito màng mỏng hay các điốt phát quang) gồm hàng ngàn tỷ các phân tử trên một

đơn vị chức năng mà các đặc tính của nó được đo theo thang bậc vĩ mô Điện tử thang

phân tử phân chia với số ít ngàn phân tử trên một thiết bị.

2 Chấm lượng tử trong các linh kiện nanô

Cấu trúc thấp chiều hình thành khi ta hạn chế không gian thành một mặt phẳng, một

đường thẳng hay một điểm, tức là ta hạn chế chuyển động của các electron theo ít nhất là một hướng trong phạm vi khoảng cách cỡ bước sóng deBroglie của nó (cỡ nm) Người ta tạo ra được cấu trúc điện tử hai chiều (hay giếng thế lượng tử- quantum well) bằng cách tạo một lớp bán dẫn mỏng, phẳng, nằm kẹp giữa hai lớp bán dẫn khác có độ rộng vùng cấm lớn hơn Các electron bị giam trong lớp mỏng ở giữa (cỡ vài lớp đơn tinh thể) và như vậy chuyển động của chúng là chuyển động hai chiều, còn sự chuyển động theo

chiều thứ ba đã bị lượng tử hoá mạnh Tiếp tục như vậy, ta có thể hình thành nên cấu trúc một chiều (quantum wire-dây lượng tử) và cấu trúc không chiều (quantum dot-chấm lượng tử) Các cấu trúc thấp chiều có nhiều tính chất mới lạ so với cấu trúc thông thường,

cả về tính chất quang, điện cũng như mật độ trạng thái

Trong các linh kiện kích thước nhỏ, đặc tính cơ lượng tử của các điện tử và lỗ trống đóng vai trò đáng kể Trong các linh kiện MOSFET, đặc tính này có thể gây ra các hiện tượng rò nguồn-máng do hiện tượng xuyên hầm Đối với các linh kiện kích thước nhỏ, đặc tính sóng của các phần tử mang điện có điều kiện thuận lợi thể hiện, điều mà trong các linh kiện cỡ lớn không có Các chấm lượng tử là những cấu trúc mà các phần tử mang

bị nhốt lại (confined) trong tất cả 3 chiều thành chấm không chiều Các chấm lượng tử có trên bề mặt chất bán dẫn độ rộng vùng cấm nhỏ, cạnh bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn Trong các trường hợp này, các phần tử mang điện hoạt động như những hạt (particle) trong một chiếc hộp được giới hạn bởi vùng lệch dải năng lượng giữa hai khối bán dẫn Nếu kích thước chấm lớn, phân tách giữa các trạng thái cho phép là nhỏ, kích thước giảm thì phân tách tăng Phân tách trạng thái là định lượng quan trọng Nếu thông số này lớn hơn kB.T (kB là hằng số Boltzmann) thì các phần tử mang điện có tính chất sóng, và nó sẽ vận động tức thì Tương tự như vậy, các hiệu ứng đơn điện tử cũng có thể thấy được trên các đảo kim loại mà ở đó năng lượng bổ sung cho điện tử lớn hơn kB.T Vì vậy, các linh kiện đơn điện tử có thể thực hiện được trong nhiều hệ thống vật liệu khác nhau Nếu như các linh kiện được kéo đến điểm làm việc của các điện tử đơn thì sẽ trở thành các linh kiện rất hữu dụng, sẽ giải quyết được các vấn đề về tiêu hao năng lượng

CÂU 9 Các linh kiện đơn điện tử Đặc điểm và cấu trúc chung của các linh kiện đơn điện tử là gì ?

Các linh kiện đơn điện tử được thể hiện theo tỷ lệ Khái niệm đơn điện tử được dùng cho các linh kiện điều khiển các điện tử riêng biệt, các linh kiện này phải rất nhỏ Những năm 1980, công nghệ chế tạo đã cho thấy rằng: có thể chế tạo các linh kiện đơn điện tử bằng cả kim loại và bán dẫn Các linh kiện đơn điện tử phải trong một số điều kiện, nhưng nhìn chung là cấu trúc tách được các điện tử đơn không chuyển động theo dòng

liên tục mà giống như các hạt riêng lẻ Để hiểu điều này, ta xem như là một chiếc tụ điện Khi nạp, cần có điện áp đặt vào các điện cực, cung cấp một năng lượng:

trong đó, C là điện dung của tụ, V là điện áp đặt vào, Q là điện tích nạp được: Q=CV muốn nạp thêm 1 điện tử cho tụ cần năng lượng là bao nhiêu Hãy thay Q trong công thức là e và E c thay cho E Với C=1pF thì với nhiệt độ trong phòng, năng lượng

E c =8x10 -8 eV, nhỏ hơn k B T nhiều Điều này cho thấy, các điện tử đến và đi khỏi tụ nó chỉ

sử dụng năng lượng nhiệt mà nó chiếm đóng, vì vậy mà số lượng các điện tử nạp cho tụ không thể xác định được Điện áp đặt vào xác định lượng trung bình các điện tử, còn số lượng chính xác từng thời điểm đến và đi khỏi tụ thay đổi theo năng lượng nhiệt Nếu điện dung nhỏ, năng lượng nạp phải lớn, nếu lớn hơn k B T thì các điện tử không còn đến

và đi theo nhiệt năng nữa Lúc này số các điện tử trên tụ được lượng tử hoá Việc nạp cho tụ bằng cách nối nguồn với tụ bằng dây dẫn nên không xác định được điểm đầu và cuối tụ điện, các dây dẫn có thể làm giảm năng lượng nạp cho tụ Vì vậy cần phải xác định không gian tụ mà các điện tử được lượng tử hoá Vấn đề là dây dẫn có nhiều kênh dẫn mở và các điện tử có thể chuyển động từ bản cực này đến bản cực kia một cách liên tục Việc xác định vị trí các điện tử ở bản cực nào không phải nối cực liên tục Điều này nghĩa là phải ép dây dẫn xuống cho đến khi không còn kênh dẫn mở, các điện tử không còn chuyển động thông thường mà phải xuyên hầm Theo Landauer, mỗi kênh dẫn có độ dẫn 2e 2 /h bao gồm cả spin tương đương điện trở 1/2R Q , với R Q là điện trở lượng tử (∼25

kΩ) Nếu điện trở cao hơn R Q thì điện tử phải xuyên hầm

Đặc điểm và cấu trúc chung

điều khiển và tạo ra các điện tử đơn cần điện dung linh kiện đủ nhỏ để năng lượng nạp

đủ lớn (lớn hơn kB.T) và nó chuyển động trong linh kiện bằng cách xuyên hầm Điều này cần điện trở lớn hơn điện trở lượng tử Linh kiện đơn giản nhất có hiệu ứng đơn điện tử được biểu diễn như một hộp đơn điện tử:

Hình 2-15 Hộp đơn điện tử

Hộp đơn điện tử gồm một tụ điện tiếp giáp xuyên hầm đơn Cj ghép với đảo cách điện nối tiếp với một tụ không xuyên hầm Cs Để có hiệu ứng đơn điện tử, điện dung tổng cộng phải cho nạp một năng lượng lớn hơn kB.T Điện áp U đặt vào Cs sinh thế năng làm điện tử vào đảo Năng lượng để n điện tử vào đảo sẽ là:

(2.7)

với Q=U.Cs là điện tích trên tụ Năng lượng của một cấu hình gồm n+1 điện tử cư trú trên đảo có thể được tính theo công thức trên chỉ thế n bằng n+1 năng lượng của mỗi cấu hình là hàm parabol đối với U Giả thiết có n điện tử trên đảo tại U=0, với điện áp này năng lượng nhỏ nhất coi như đất (hình 2-16a) Tại đây, không một điện tử nào được thêm vào hay lấy đi, gọi là khoá Coulomb

Hình 2-16 phân bố năng lượng và cư trú điện tử theo điện áp

Khi điện áp U tăng, năng lượng của cấu hình n điện tử tăng, của cấu hình n+1 điện tử lại giảm Khi q=1/2 e thì hai năng lượng này như nhau Khi điện áp U tăng tiếp thì năng lượng của cấu hình n+1 điện tử giảm về giá trị thấp nhất (đất) Tại trạng thái đất, một điện tử xuyên hầm qua tụ Cj, chuyển mức cư trú (population) đảo lên n+1 Theo điện áp

U quét, các cấu hình có số các điện tử khác nhau trở về năng lượng đất, các điện tử xuyên hầm qua Cj và về trạng thái đất Cư trú các điện tử trên đảo theo hàm bậc thang đối với U

10) Khái niệm về QCA, phân tích hoạt động và ví dụ minh hoạ.

KHÁI NIỆM

Khái niệm QCA

QCA là mẫu mới, có thể giải quyết được vấn đề tiêu hao năng lượng Điểm chốt là mã hoá thông tin cho một cấu hình điện tích mà trong đó, điện tích không nạp bằng điện áp với đất QCA dùng các mảng ghép các chấm lượng tử Dot, thực hiện các hàm lôgic

Boole, có lợi thế là mật độ đóng gói cực cao do kích thước chấm lượng tử rất nhỏ, kết nối đơn giản và trễ năng lượng rất thấp

Tế bào QCA cơ bản gồm 4 chấm lượng tử Dot trong một mảng vuông ghép bởi hàng rào đường hầm Ở đây, một chấm lượng tử Dot có thể chứa một điện tử bất kỳ, các điện

tử có khả năng xuyên hầm giữa các Dot, nhưng không thể rời khỏi tế bào Nếu có hai điện tử trong một tế bào thì do lực đẩy Coulomb, đẩy các điện tử về hai góc, sẽ có hai phân cực trạng thái đất có thể ký hiệu lôgic 0 và 1 (hình 2-22)

Hình 2-22 Hai phân cực trạng thái đất của tế bào QCA 4dot cơ bản

Nếu đặt hai tế bào gần nhau, lực tương tác Coulomb giữa các điện tử sẽ làm cho các tế bào có cùng phân cực Nếu phân cực của một tế bào thay đổi dần từ trạng thái này sang trạng thái kia, tế bào thứ hai sẽ chuyển đột biến sang phân cực lưỡng ổn

Hình 2-23 là một số ví dụ mảng QCA

Hình 2-23 a)Dây tế bào QCA, b)bộ đảo QCA,

c)Cổng đầu vào phức hợp

Hình 2-23a là dây tế bào, các tế bào có khả năng ghép với tế bào lân cận thành dây Trạng thái đất của dây là tất cả các tế bào có cùng phân cực Trường hợp này, các điện tử luôn dãn rộng ra, năng lượng là thấp nhất

phân tích hoạt động và ví dụ minh hoạ

Để mô tả hoạt động của QCA, ta hãy bắt đầu bằng trường hợp đơn giản nhất là chuyển mạch dốc (abrupt) Đầu vào bên trái, ngắt suy biến trạng thái đất tế bào thứ nhất, đẩy nó tới một phân cực Tế bào thứ nhất và thứ hai có phân cực đối nhau, hai điện tử gần nhau, dây ở mức năng lượng cao Vi sai giữa năng lượng trạng thái này với trạng thái đất gọi là năng lượng xoắn (kink) là năng lượng đặc trưng của hệ thống QCA Đó là năng lượng cần để hai tế bào lân cận có phân cực đối nhau Điều này xảy ra khi có đầu vào của dây, đồng thời cũng xảy ra khi dây có lỗi Nếu có năng lượng ngoài như nhiệt năng gần bằng năng lượng xoắn, các lỗi xuất hiện trong hệ thống QCA, vì vậy mà năng lượng xoắn cần phải lớn hơn kBT Khi năng lượng xoắn thấp hơn năng lượng nạp, hệ QCA cần nhiệt độ thấp hơn SET cùng một công nghệ Quay lại với chuyển mạch dốc của đường dây QCA, sau khi tế bào thứ nhất của đường dây được chuyển mạch, tất cả các tế bào sau bị đẩy phân cực về trạng thái đất mới của đường dây

Đưa lôgic 1 vào dây tế bào, lấy ra lôgic 1 nên dây tế bào còn gọi là dây nhị phân

Với bộ đảo hay NOT (hình 2-23b) Trước hết, đầu vào được tách thành hai đường dây sau đó lại chập thành một tại tế bào xoay 450 so với hai đường dây Vị trí 450 của tế bào sinh ra phân cực đối nghịch với phân cực của hai dây như phần tử đảo

Các cổng AND và OR thực hiện theo hình 2-23c, gọi là cổng phức hợp Trong cổng này, ba đầu vào “đề cử” phân cực của tế bào trung tâm, sau đó phân cực trung tâm được truyền tới cửa ra Một trong các đầu vào được sử dụng làm đầu vào chương trình để chọn AND hoặc OR Đầu vào chương trình lôgic 1 thì là cổng OR, lôgic 0 là cổng AND Các cổng đảo và phức hợp này có thể thực hiện được tất cả các hàm lôgic tổ hợp

Ta hãy phân tích một chuyển mạch đột biến để hiểu hoạt động của hệ thống QCA Trong các hệ thống QCA thực tế, dạng làm việc hơi khác, sử dụng chuyển mạch đoạn nhiệt (do Keyes và Landauer) Trong chuyển mạch, một điện tử nằm trong một trong hai giếng, tách ra bởi một rào chắn năng lượng như trên hình 2-24.

Hình 2-24 Quá trình năng lượng chuyển mạch

Để điện tử chuyển giữa hai giếng, rào chắn năng lượng phải thấp Khi tác động vào đầu vào với các điểm gãy năng lượng, điện tử sang một giếng, rào chắn năng lượng tăng đẩy điện tử sang một giếng đã chọn Khi rào chắn năng lượng tăng cao, điện tử bị khoá lại (clock) trong giếng, đầu vào có thể được lấy ra Do vậy linh kiện này hoạt động như một chốt Bằng cách cho chuyển mạch hoạt động chậm, tương ứng thời gian lắng (settl) của điện tử, năng lượng điện tử có thể hạ thấp dưới kBT ln2

Ngoài ra, điện thế mà nó điều biến rào chắn cho hoạt động trên hệ thống sinh ra độ lợi (khuếch đại) công suất Độ lợi công suất rất quan trọng trong các hệ thống số vì nó cần để lưu trữ các mức lôgic cũng như xử lý tín hiệu qua hệ thống Thiếu độ lợi công suất, mức tín hiệu bị giảm ở mỗi phần tử cho đến khi mất hẳn trong nhiễu Trong các QCA, rào chắn được điều chế bởi tín hiệu clock và tín hiệu có thể của tế bào lân cận Nếu ghép giữa các tế bào yếu, độ lợi công suất có thể đạt được khi điểm gãy dìm điện tử về phía Dot

đúng, trong khi clock không làm việc đẩy điện tử tới dot này Clocking hệ thống QCA cũng cho phép điều khiển dòng thông tin trong hệ thống và thực hiện chốt, nhớ, dẫn ống (pipelining) Chuyển mạch có thể thực hiện trong cả các hệ thống QCA bán dẫn cũng như kim loại

Câu 11: Tế bào QCA, phân tích hoạt động của các tế bào QCA

Bước đầu tiên của phát triển các hệ thống QCA là tế bào QCA chức năng mà ở đó

ta có thể chuyển đổi phân cực tế bào được Trứơc hết là mẫu QCA mà ở đó chuyển mạch điện tử đơn giữa các chấm lượng tử dot ghép có thể điêù khiển vị trí điện tử đơn trong tập các dot khác Sơ đồ đơn giản của hệ thống QCA trên hình 2-26a Sơ đồ gồm máy đo điện

tử ghép với D3, D4 Tế bào 4 chấm dot hình thành từ các dot D1, D4 được ghép trong một vòng các tiếp giáp đường hầm

Cực nguồn tiếp giáp đường hầm hoặc máng được nối với mỗi một dot trong tế bào Linh kiện có nhiệt độ cơ bản khoảng 10mK, được đặc trưng bằng cách đo độ dẫn qua các nhánh của mạch sử dụng kỹ thuật khoá xoay chiều Từ trường 1T được đặt vào vùng cấm (suppress) siêu dẫn của nhôm

Hoạt động của QCA được thực hiện nhờ thiên áp tế bào sử dụng các điện áp cổng

để một điện tử quá mức trên điểm chuyển mạch giữa`các dot D1 và D2 và điện tử thứ hai tại điểm chuyển mạch giữa D3 và D4 Điện áp vi sai sau đó được đặt vào các cổng V1 và

V2 (V1=-V2), trong khi tất cả các điện áp cổng khác giữ không đổi Do điện áp vi sai đầu vào quét từ âm đến dương điện tử lúc đầu ở D1 sau đó chuyển sang D2, đẩy điện tử từ D4

sang D3 Thực nghiệm đo chế độ này, sử dụng các tín hiệu đo điện tử, có thể tính được giá trị vi sai đầu ra nửa tế bào: VD3 – VD4 như một hàm của vi sai đầu vào được vẽ trên đồ thị trên cùng hình 10b so với tính toán lý thuyết ở nhiệt độ 70mK Mặc dù ở nhiệt độ 00 K điện thế thay đổi đột biến (abrupt), điện thế quan sát được cho thấy những ảnh hưởng của nhiễu nhiệt độ, về lý thuyết ở nhiệt độ 70mK có kết quả tốt hơn thực nghiệm