Hiện tại hình ảnh của ngành điện tử còn mang nặng dấu ấn của chip silic và mỏ hàn. Nhưng trong tương lai , đó là một phòng thí nghiệm hóa nhỏ. Việc thu nhỏ các mạch điện tử bằng các phương pháp truyền thống đã đi tới giới hạn cuối cùng Bởi vậy, sắp tới các kỹ sư phải thực hiện các chiến lược mới hoàn toàn cho việc chế tạo các linh kiện điện tử.
Các nhà khoa học đã thiết kế và chế tạo các linh kiện điện tử như transitor, điôt, rơle ở kích thước cỡ nano từ các nguyên tử hữu cơ, cacbon, ống nano và dây nano bán dẫn. Thách thức tiếp theo chính là ghép các linh kiện cực nhỏ này một mạch điện.
Các ứng dụng trong ngành điện tử bao gồm: Ổ cứng máy tính, bộ nhớ từ, cảm ứng, máy dò quặng và la bàn. Như đã biết, chỉ có thể gắn các thành phần vào một chip bán dẫn ở một giới hạn nhất định. Thông thường, các vi mạch được khắc lên chíp bằng cách dùng axít bóc đi một diện tích nhỏ. Tuy nhiên, trên lý thuyết, có thể tạo ra chíp từ từng nguyên tử, giúp cho thiết bị có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với công nghệ khắc axít. Phương pháp này sẽ không tạo ra bất kỳ một nguyên tử nào không cần thiết. Dây dẫn điện công nghệ Nano (Nanowire) có thể chỉ dày 1 nguyên tử. Một cổng logic chỉ cần vài nguyên tử. Một bit dữ liệu có thể được biểu hiện bằng sự có mặt hay không có mặt của một điện tích (electron) đơn lẻ.
2.3.1.Từ vi điện tử đến nanô điện tử
Từ những năm 60 của thế kỷ 20 có một công nghệ nổi trội lên ảnh hưởng to lớn đến nhiều ngành công nghệ khác, làm thay đổi cả đời sống xã hội, đó là công nghệ vi điện tử. Nhờ có công nghệ vi điện tử mới có công nghệ thông tin, công nghệ thông tin đã làm thay đổi toàn xã hội, xuất hiện kinh tế tri thức, xu thế toàn cầu hóa.
Những phát triển nhanh chóng của xã hội hiện nay đều có liên quan với sự phát triển của công nghệ vi điện tử. Từ cuối những năm 1960, Gordon Moore người đồng sáng lập hãng Intel đã đưa ra nhận xét, về sau người ta gọi là quy luật Moore: Cứ 18 tháng số transistor trên một chip mạch vi điện tử tăng lên gấp đôi. Cho đến nay quy luật này vẫn được thực tế kiểm nghiệm đúng.
Số trasistor tích hợp trên một chip tăng nhanh như vậy sẽ đi đôi với việc diện tích cần cho một transisto ở trên chip cũng giảm theo hàm mũ. Như vậy theo quy luật Moore và đúng như diễn biến thực tế của công nghệ vi điện tử, kích thước linh kiện ở mạch tích hợp đến nay đã nhỏ hơn micromet và nếu cứ đúng như quy luật Moore thì đến năm 2010, kích thước của linh kiện chỉ là vài phần trăm micromet. Nhưng kích thước linh kiện , cứ nhỏ đi mãi như vậy làm cho công nghệ vi điện tử đứng trước hai mối lo về tương lai của mình.
Mối lo thứ nhất là tương lai về kinh tế, Kích thước nhỏ thì việc chế tạo càng đòi hỏi tinh vi, chính xác và như vậy là rất đắt tiền.
Mối lo thứ hai quan trọng hơn thuộc về lý do kỹ thuật. Đó là vì khi kích thước linh kiện, ví dụ transistor nhỏ quá mức nào đó thì các hiệu ứng lượng tử thể hiện mạnh, linh kiện sẽ không làm việc được như cũ được nữa.
Con đường từ vi điện tử đến điện tử nanô không phải là con đường tiếp tục làm linh kiện nhỏ dần, từ micromet đến nanômet mà là con đường: Tìm những linh kiện làm việc theo những quy tắc vật lý mới khi kích thước linh kiện quá nhỏ, tìm những công nghệ chế tạo mới khi phải tích hợp quá nhiều linh kiện. Xu hướng này có hai cách: một là tiếp tục con đường vật lý chất rắn nhưng chuyển sáng hẳn các tính chất lượng tử để đến kích thước nanô hai là chuyển sang con đường dùng phân tử, có nhiều đặc thù mà thế giới vật rắn không có.
Một hướng nữa, cũng theo con đường của vật lý chất rắn nhưng chuyển sang điều khiển spin của điện tử bằng từ trường. Đó là spin điện tử học.
Công nghệ vi điện tử gặp phải những khó khăn hạn chế gì khi tiếp tục giảm kích thước linh kiện.
Không ở đâu rõ bằng ở công nghệ vi điện tử: Không tiến lên là lạc hậu mà lạc hậu thì chết. Yêu cầu tiến lên ở công nghệ vi điện tử rất khắt khe: Ít nhất là sau 18 tháng mật độ tích hợp linh kiện phải tăng lên gấp đôi (quy luật
Moore), vậy kích thước linh kiện cũng phải giảm theo quy luật hàm mũ tương tự.
Ta xét riêng về mặt kỹ thuật và chỉ xét linh kiện tiêu biểu là transisto trường MOSFET. Khi kích thước giảm, nhỏ quá một mức nào đó sẽ xuất hiện nhiều khó khăn.
- Khó khăn về điện trường: ở nhiệt độ làm việc bình thường (nhiệt độ phòng) luôn luôn có nhiễu do nhiệt độ vào cỡ 25mV. Muốn transisto làm việc ở ổn định ở nhiệt độ phòng, điện thế tác dụng lên transistor ít nhất cũng bốn năm lần lớn hơn điện thế nhiễu, tức là cỡ trên 100mV. Nhưng khi transistor nhỏ, khoảng cách giữa các cực cũng nhỏ, điện thế 100mV vẫn gây nên điện trường lớn. Đối với bán dẫn cũng như đối với điện môi khi điện trường cao quá một mức nào đó dễ xảy ra sự phóng điện thác lũ, tạo ra dòng điện lớn đủ sức phá hỏng bán dẫn, điện môi.
- Trở ngại vì xuyên hầm: Các transistor trong mạch tổ hợp phải cách điện với nhau (chỉ nối với nhau bằng các đường dẫn điện). Điện tử từ trường transistor này không được rò rỉ qua transistor kia qua các chỗ cách điện.
- Trở ngại về tỏa nhiệt: Số lượng transistor trên một centimet vuông càng tăng, tức là transistor càng nhỏ, khi mạch tích hợp làm việc nhiệt tỏa ra càng nhiều.
Với mức tích hợp như hiện nay, mỗi transistor mới chỉ là hơi nhỏ hơn micromet vấn đề tỏa nhiệt đã bắt đầu khá vất vả. Với công nghệ vi điện tử hiện nay, nhiều trường hợp không thể thiết kế mạch tích hợp cao hơn, số linh kiện trên một chip nhiều không phải vì không khắc hình đủ mức chính xác được mà là vì không giải quyết được tốt hơn vấn đề tỏa nhiệt.
Qua những điều khó khăn trên, chúng ta thấy rõ thêm là nếu cứ dùng công nghệ vi điện tử hiện nay, chỉ cải tiến sao cho linh kiện từ kích cỡ
micromet càng ngày càng nhỏ tiến đến kích cỡ nanomet thì không lâu nữa sẽ gặp bế tắc.
Có hai hướng chính đang được đầu tư nghiên cứu để phát triển:
Một hướng là tiếp tục dùng các vật liệu bán dẫn, theo con đường này phải thay đổi, làm các linh kiện hoạt động theo những nguyên lý mới, dựa theo hiệu ứng lượng tử. Hiện nay đã bắt đầu xuất hiện các linh kiện như transistor đơn điện tử linh kiện tunen cộng hưởng, linh kiện spin điện tử học. Có thể có biện pháp lai, làm linh kiện lai giữa vi điện tử và nanô điện tử. Đây là hướng thực hiện nhiều triển vọng của giai đoạn quá độ.
Một hướng nữa là dùng phân tử làm linh kiện, gọi là điện tử học kích cỡ phân tử. Người ta đã chọn được một số phân tử có khả năng làm dây, làm điốt, làm transistor... Hướng này tuy có khó khăn nhưng có ưu điểm là có thể làm đồng loạt rất nhiều linh kiện một cách rẻ tiền.
Hinh 3.1: Phân tử liên kết động,hữu ích như một chuyển mạch phân tử
2.3.2. Nghiên cứu sử dụng vật liệu nano trong điện tử
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra được chiếc bóng bán dẫn nhỏ nhất trên thế giới – có bề dày chỉ bằng một nguyên tử và rộng 10 nguyên tử, từ loại nguyên liệu được cho rằng sẽ thay thế được silicon trong một tương lai không xa.
Chiếc bóng bán dẫn này, về bản chất là một công tắc bật tắt, được sử dụng công nghệ Graphene, một nguyên liệu chỉ mới được phát hiện ra cách đây khoảng 4 năm. Graphene là một lớp đơn nhất của than chì, được tìm thấy ở những chiếc bút chì đơn thuần. Chiếc bóng bán dẫn là thiết bị quan trọng của một bảng vi mạch và là nền tảng của bất cứ thiết bị điện tử nào.
- Nano transistor
Transistor phân tử có thể sẽ là các linh kiện cơ bản cho điện tử nano. Mỗi phân tử sẽ dẫn điện như một dây dẫn mảnh, một khi có phản ứng hóa học làm thay đổi cấu hình nguyên tử của chúng và qua đó đóng điện.
Những dây nano giao nhau giải quyết được bài toán khó của điện tử học ở kích cỡ nano: Làm sao có thể nối các dây dẫn với các linh kiện – chẳng hạn transistor hay điôt? Các dây có chức năng kép, chúng vừa là dây dẫn mà vừa là linh kiện. Mỗi giao điểm là một linh kiện, trong trường hợp này là một vi rơle. Để đóng hoặc ngắt một rơle người ta phải đặt một điện thế nhất định lên các dây nano giao nhau. Sau đó rơle sẽ mãi mãi ở trạng thái này. Các dây nano bán dẫn giao nhau cũng đã được dùng làm rơle hoạt động bằng phương pháp điện tử, nghĩa là không có chuyển động cơ học.
- Siêu nguyên liệu
Graphene từ lâu đã được ca ngợi là một siêu nguyên liệu vì nó có rất nhiều khả năng ứng dụng. Đó là một phân tử phẳng, với chiều dày chỉ bằng một nguyên tử, rất ổn định và rất mạnh. Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm cách ứng dụng Graphene vào công nghệ biểu diễn vì nó trong suốt.
Grapene không còn là chủ đề nóng đối với các nhà nghiên cứu bóng bán dẫn bởi vì nó vốn là một chất dẫn điện tuyệt vời. Không giống như Silicon, bóng bán dẫn Graphene càng nhỏ lại càng hoạt động tốt hơn.
- Hở điện
Ngành kinh doanh chất bán dẫn hiện nay đang được tiến hành trên cơ sở chắc chắn, loại bỏ những chip siêu nhỏ làm từ nguyên liệu silicon mỏng manh. Các công ty như Intel đã có một lộ trình để giảm kích cỡ của các mạch sử dụng silicon, xuống còn khoảng 10 nanomet - nhỏ hơn bề ngang của một sợi tóc đến 10,000 lần.
Nhiều nhà nghiên cứu tin rằng việc sản xuất ra các mạch nhỏ hơn 10 nanomet bằng silicon sẽ quá khó bởi vì ở kích thước đó, chúng sẽ làm hở điện. Kế hoạch triển khai sản xuất mạch bằng silicon dự định sẽ kết thúc vào năm 2020, khiến cho cuộc chạy đua tìm ra nguyên liệu thay thế tiềm năng trở nên rất có lợi.
- Các ống Nano tạo ra sự nối điện
Các ống Nano bán dẫn lại là một loại khác nữa. Chúng lớn bằng các ống nano cacbon, nhưng thành phần của chúng dễ được điều khiển chính xác. Để chế tạo những dây này phải bắt đầu với một chất xúc tác kim loại quy định từ trước đường kính của dây đang lớn dần lên và quyết định các phân tử của vật liệu cần được tạo phải tập trung lại ở đâu. Trong quá trình lớn lên, dây được pha tạp các nguyên tử tạp chất để tạo ra bán dẫn loại n hay loại p. Loại n thừa điện tử, loại p thiếu điện tử (thừa lỗ trống) tích điện dương.
Việc chế tạo được các vật liệu loại n hay loại p là các vật liệu cơ bản cho transistor, điôt và những linh kiện điện tử khác đã mở cửa sang một thế giới mới. Vậy là đã xây dựng được nhiều linh kiện mới, chẳng hạn như hai loại transistor là MOSFET và transistor lưỡng cực, các linh kiện này có thể chuyển đổi để chuyển mức ”0” sang mức “1” và các điôt phát sáng đã mở ra con đường mới dẫn đến các kết nối quang học. Những transistor lưỡng cực này là linh kiện đầu tiên ở kích cỡ phân tử có thể khuếch đại được dòng điện. gần đây đạt tiến bộ nữa là đặt dây nano pha tạp loại n thẳng góc lên dây pha
tạp loại p và như vậy tạo ra được bộ nhớ có thể nhớ thông tin trong vòng 10 phút; khi đó điện tích được giữ lại tại điểm giao nhau của hai dây nano.
Tuy vậy, việc chế tạo các linh kiện có kích cỡ nanomet và phân tử mới chỉ là bước đầu. Thách thức còn lớn hơn nữa là kết nối rồi tổ hợp chúng sao cho có ý nghĩa. Đầu tiên là phải nối các linh kiện nano với các dây kích cỡ phân tử. Cho đến nay các linh kiện bằng phân tử hữu cơ vẫn được gắn với dây kim loại thông thường, được chế tạo bằng phương pháp quang khắc. Việc ứng dụng dây nano là không dễ, bởi lẽ chúng ta chưa biết làm sao qua đó vẫn tạo được liên kết điện hoàn hảo mà không phá hủy dây. Nếu như chúng ta có thể dùng dây và ống nano là cả linh kiện lẫn dây nối thì vấn đề này coi như đã giải quyết xong.
Thứ hai là sau khi các dây nano được nối với linh kiện thì chúng phải tự sắp xếp lại. Chẳng hạn theo những trường hai chiều. Mới đây người ta đã đạt được một tiến bộ mang tính đột phá: Tạo được các mạch nano nhờ các dòng chất lỏng. Tương tự như các thanh gỗ và các mảnh bè bị dòng nước cuốn trôi, dây nano cũng được chất lỏng xếp thành hàng song song, chất lỏng ở đây có thể là etanol hay một dung môi nào đó. Dòng chất lỏng này được điều khiển bằng cách dẫn qua những khe đã được khía vào các tấm nhựa. Đơn giản là đặt các tấm này lên đế mà chúng ta muốn bố trí linh kiện.
Qua phương pháp nêu trên ta đã tạo được ra các liên kết theo chiều dòng chảy: Chừng nào dòng chảy chỉ chảy theo một hướng thì chúng ta có các dây nano song song. Để bổ sung thêm những dây theo hướng khác, dòng được lái đi, quá trình được lập lại, và như vậy chúng ta đã tạo được các lớp dây nano bổ sung. Chẳng hạn để tạo được một mạng vuông góc , trước hết chúng ta xếp các dây nano thành những hàng song song, sau đó quay dòng chảy đi 900 , rồi lập các hàng tiếp theo. Bằng cách dùng các dây có thành phần khác nhau cho mỗi một lớp dây, rất nhanh chúng ta tạo được các linh kết nano đầy hiệu quả
mà chỉ sử dụng những thiết bị đơn giản như thiết bị của một phòng thí nghiệm. Một mạng điôt chẳng hạn gồm mặt phẳng các ống nano dẫn điện nằm trên một mặt khác gồm các ống nano bán dẫn. Hoặc người ta xếp một lớp ống nano đã cấy1 loại n lên trên một lớp cấy loại p. Trong hai trường hợp này những điểm giao nhau có tác dụng như điôt.
Tiền đề này mang tính quyết định : Phải tạo được các cách sắp xếp nhất định, mang tính tiên định. Hình thức tuân thủ chức năng. Một sáng kiến khác là : Ghép nối các liên kết một cách ngẫu nhiên. Sau đó mới nghiên cứu và xác định xem liệu bằng cách nào thì chúng có thể dùng làm bộ nhớ hay linh kiện máy tính. Trong trường hợp này thì chức năng tuân thủ hình thức. Vấn đề ở phương pháp này là sẽ khó nắm bắt được là một mạng phức tạp như thế sẽ sử dụng vào việc gì.
CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN
Vi điện tử đã và đang phát triển rất nhanh, tiếp theo vi điện tử là nano điện tử để làm những linh kiện có kích cỡ nhỏ hơn nhưng mang tính ưu việt hơn.
Luận văn đã khai thác và giới thiệu về công nghệ nano. Qua quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã thu được những kết quả cụ thể:
Đã tìm hiểu được cơ sở khoa học và các phương pháp chế tạo vật liệu nano.
Đã tìm hiểu, nghiên cứu về fuloren và ống cacbon: một vật liệu nano có rất nhiều ứng dụng trong ngành điện tử.
Giới thiệu những ứng dụng của nano trong những lĩnh vực của ngành công nghiệp đặc biệt là ngành điện tử.
Đề tài sẽ có ý nghĩa hơn khi được tiếp tục nghiên cứu cả về cơ sở khoa học cũng như được kiểm chứng thông qua thực nghiệm.