6. CÁC GIAI ĐOẠN THỰC HIỆN
2.4.1 Chế tạo transistor graphene trên nền SiO2
Transistor là một linh kiện bán dẫn cơ bản có tầm quan trọng đặc biệt trong họ các linh kiện bán dẫn. Transistor thuộc họ linh kiện lưỡng cực, có hai loại hạt tải điện cùng tham gia dẫn điện đó là điện tử và lỗ trống. Từ transistor có nguồn gốc từ tiếng Anh là transfer resistor, có nghĩa là “chuyển đổi điện trở” giữa đầu vào và đầu ra.
Gần hai thập niên qua sự phát triển của công nghiệp điện tử phần lớn tùy thuộc vào sự thu nhỏ của transistor. Vật liệu chính dùng trong transistor hiện nay là nguyên tố silic. Kích cỡ của transistor hiện nay đang dừng ở 22 nm và chip dùng trong các máy tính chứa hàng tỷ transistor trên một diện tích vài cm2. Kết quả thí nghiệm của transistor graphene trong bài báo cáo đẳng cấp Nobel của nhóm Geim và Novoselov cho thấy graphene với độ dày của một vài lớp nguyên tử có thể kích thích được sự di động của electron trong điện trường (Hình 2.11). Họ đã đo được độ di động của electron và lỗ có tích điện dương trong chiếc transistor "thô thiển" là 10.000 cm2/V.s hay là 7 lần nhanh hơn trong transistor silicon (1.500 cm2/V.s). Trong các cuộc thí nghiệm kế tiếp trên mặt phẳng graphene tinh khiết không chất tạp độ di động đạt đến 100.000 – 200.000 cm2/V.s hay là 70 - 140 lần nhanh hơn trong silicon. Bài báo cáo đã thu hút sự chú ý mãnh liệt của các nhà nghiên cứu trên thế giới. Khả năng chế tạo transistor với độ dày một nguyên tử (0,335 nm), hay nói một cách khác - độ mỏng tận cùng của vật chất với độ di động cao hơn silicon đã mang nhiều hứng khởi đến cộng đồng khoa học điện tử. Tuy nhiên, do graphene cấu tạo chỉ gồm một lớp graphene đơn nguyên tử nên các tấm này phải đặt trên nền silic đioxit, các điện tích bị giữ trong nền SiO2 có thể ảnh hưởng đến electron trong
41 graphene làm giảm tính linh động. Thậm chí dao động mạng tinh thể SiO2 có thể ảnh hưởng đến dao động nguyên tử của chính nó. Nhưng vì các phonon trong bản thân graphene lại không hề có tác dụng trong việc phân tán electron do đó hiệu quả này trở nên rất quan trọng trong graphene. Theo các nhà khoa học, graphene có khả năng làm tăng tốc độ xử lý của chip máy tính hiện tại lên mức 500 đến 1.000 Ghz.
Trong máy tính mọi thông tin và dữ liệu đều được số hóa và chuyển tải ở dạng bit nhị phân 0 và 1. Silic là chất bán dẫn và có vùng cấm ở giữa dải dẫn điện và dải hoá trị. Sự hiện hữu của vùng cấm trong nguyên tố silicon đã cho transistor chức năng nhị nguyên biểu hiện qua số 0 và 1 có tác dụng đóng mở dòng điện tùy vào điện thế của cổng transistor. Nói cách khác, transistor silicon có tác dụng như vòi nước và cổng transistor như là bộ phận khoá mở nước. Graphene không có vùng cấm nên transistor graphene không có chức năng nhị nguyên như transistor silicon. Một thách thức nữa đặc ra là graphene đơn lớp không có vùng cấm năng lượng nên trạng thái đóng trong transistor graphene không hề tồn tại. Nghiên cứu cho thấy với màng kép graphene hay dưới sự tác động của từ trường ngoài thì trong cấu trúc năng lượng của nó xuất hiện vùng cấm. Nhưng tiếc thay khi có vùng cấm thì độ di động của các điện tử trong mạng graphene bị giảm sút. Do đó việc thay thế silicon chế tạo transistor cho máy tính trở nên vô nghĩa. Nhưng điều này không có nghĩa graphene là kẻ thua cuộc trong cuộc chạy đua transistor.
Hình 2.11: Mô phỏng cấu trúc của transistor graphene, có 3 điện cực: 1) Cực phát E, 2) Cực góp C, 3) Cực gốc B
4) Nền SiO2và nối với các điện cực nguồn và máng (Nguồn: www.jameshedberg.com).
1
2 3
42