III. Cỏc lĩnh vực ứng dụng và tiềm năng của khoa học-cụng nghệ nano 3.1 Cỏc lĩnh vực ứng dụng của khoa học-cụng nghệ nano
3.1.3. Lĩnh vực điện tử, quang điện tử và cụng nghệ thụng tin và truyền thụng + Hiện tạ
+ Hiện tại
- Cỏc chớp mỏy tớnh
Xu hướng vi tiểu hỡnh húa cỏc chớp mỏy tớnh được thể hiện ở tiờu chuẩn quy trỡnh chế tạo độ dài chớp được xỏc định trong Lộ trỡnh ITRS. Hiện nay, tiờu chuẩn cụng nghệ 130 nm, dựng để sản xuất bộ xử lý Intel Xeon, xỏc định kớch thước của DRAM (chip bộ nhớ truy cập ngẫu nhiờn) bằng một nửa pitch (khoảng cỏch giữa hai dõy kim loại kề nhau trong một ụ bộ nhớ). Điều này đũi hỏi cụng nghệ in litụ, cụng nghệ sản xuất và Đo lường học cỡ nano phải cú những thay đổi để chế tạo một linh kiện hoạt động phự hợp với dung sai đú. Thử so sỏnh, nếu chip 4004 Intel năm 1971 sử dụng cụng nghệ cú độ phõn giải 10.000 nm, thỡ cỏc con chớp của năm 2007 và 2013 sẽ đũi hỏi cụng nghệ cú độ phõn giải 65 nm và 32 nm tương ứng. Vỡ vậy, cú thể núi cỏc cụng nghệ sử dụng hiện nay đang được phỏt triển hết sức mạnh mẽ. Hơn nữa, khụng chỉ
đơn giản là một DRAM cú chiều dài nửa pitch ở cỡ nm, tất cả cỏc cụng nghệ sử dụng trong nghiờn cứu, đo lường và sản xuất cỏc con chip trong nhiều trường hợp hoạt động ở mức nguyờn tử nhỏ hơn cả cỡ nm. Cỏc cụng cụ ứng dụng CNNN hỗ trợ cho ngành cụng nghiệp cụng nghệ thụng tin (IT) rất đa dạng, bao gồm lập mụ hỡnh cỏc linh kiện và vật liệu tiờn tiến tới từng phõn tử trờn mỏy tớnh, cỏc kớnh hiển vi cú thể cho thấy hỡnh ảnh của từng nguyờn tử, cỏc hệ thống đo lường cú thể xỏc định rừ ràng vị trớ của một độ hụt phõn tử đơn trờn một miếng wafer cú đường kớnh 30 cm, cỏc quy trỡnh phỏt triển cỏc màng mỏng cú thể sản xuất ra cỏc lớp vật liệu với độ chớnh xỏc ở cỡ nguyờn tử và cỏc phương phỏp in litụ cú thể “khắc” lờn những đặc điểm vớ dụ như ụ DRAM, với độ chớnh xỏc dưới 10 nm.
- Lưu trữ thụng tin
Cụng nghệ về bộ nhớ lưu giữ số liệu là một bộ phận rất quan trọng của IT. Bộ nhớ lưu giữ số liệu cú thể chia thành hai dạng: bộ nhớ dạng cứng vớ dụ như DRAM được một chớp xử lý sử dụng hoặc bộ nhớ flash dựng để lưu giữ hỡnh ảnh ở camera kỹ thuật số; và bộ nhớ đĩa vớ dụ như những ổ cứng từ tớnh được sử dụng phổ biến ở tất cả cỏc mỏy tớnh. Về cơ bản, bộ nhớ dạng cứng sử dụng quy trỡnh sản xuất và cụng nghệ giống như của chớp mỏy tớnh, với cựng những quy tắc thiết kế và tầm quan trọng của việc nộn thờm nhiều dung lượng nhớ vào một diện tớch giới hạn để làm tăng tổng thể dung lượng nhớ trờn linh kiện. Tuy vậy, sự phỏt triển của ổ đĩa cứng đó rẽ theo một hướng hoàn toàn khỏc trong cuộc cỏch mạng thụng tin này vỡ nú dựa vào việc đọc và viết thụng tin bằng từ tớnh trờn một chiếc đĩa đang quay. Vỡ vậy, những tiến bộ về mặt cơ và điện cơ là rất quan trọng. Tuy nhiờn, ở đõy một lần nữa, kớch cỡ độ dài lại giữ một vai trũ rất quan trọng vỡ một ổ đĩa lý tưởng là một ổ đĩa cú kớch cỡ cực nhỏ nhưng lại cú khả năng lưu trữ cực lớn. Điều này đó được phản ỏnh ở sự phỏt triển đột phỏ của ổ đĩa trong suốt 50 năm qua. ổ cứng từ tớnh đầu tiờn được IBM phỏt triển vào năm 1956, cần tới 50 đĩa cú chiều dài 24 inch (xấp xỉ 60 cm) để lưu trữ 5 megabyte (triệu byte) dữ liệu. Năm 1999, IBM giới thiệu ổ 73 gigabyte (hàng ngàn triệu byte) cú thể lắp vừa vặn bờn trong một chiếc mỏy tớnh cỏ nhõn. Đõy là ổ đĩa cú khả năng lưu trữ dữ liệu gấp 14.000 lần ổ đĩa năm 1956 nhưng cú kớch cỡ nhỏ chưa tới 1 phần nghỡn kớch cỡ của chiếc ổ đĩa đú. Mặc dự cụng nghệ hiện thời để viết từng bit thụng tin từ tớnh lờn ổ đĩa đó nhỏ hơn 100 nm, nhưng những động lực nhỏ húa cỏc khớa cạnh khỏc của ổ đĩa đũi hỏi chế tạo cỏc bộ phận với độ chớnh xỏc ngày càng cao vỡ vậy tầm quan trọng của vi tiểu hỡnh húa đối với cỏc ổ đĩa CD và DVD sẽ ngày càng tăng.
- Cỏc ứng dụng trong tương lai
Sự phỏt triển của phần cứng trong ngành cụng nghiệp IT tương lai cú thể được chia theo hai nhỏnh: Một nhỏnh phỏt triển theo Lộ trỡnh ITRS (hoạch định tới năm 2018) và một nhỏnh khai thỏc những cụng nghệ và vật liệu thay thế khụng cú trong Lộ trỡnh.
Theo Lộ trỡnh, vi tiểu hỡnh húa vẫn được coi là động lực chủ chốt, vỡ vậy tiờu chuẩn cụng nghệ với độ phõn giải 22 nm được dự tớnh cho sản xuất tới năm 2018. Do vậy, cú thể dự đoỏn được tất cả những thỏch thức để đạt được cụng nghệ này. Những thử thỏch như vậy được chi tiết húa trong Lộ trỡnh, bao gồm nõng cao hiệu suất bằng cỏch tạo ra vật liệu mới vớ dụ như những chất điện mụi thấp và những liờn kết dõy dẫn điện cao, phỏt triển cỏc cụng nghệ in litụ cú khả năng chế tạo ra cỏc cấu trỳc ở cỡ nhỏ hơn 50 nm, tớch hợp cỏc cụng cụ đo lường tiờn tiến thành một quy trỡnh chế tạo cú khả năng phỏt hiện và xỏc định kớch thước khiếm khuyết nhỏ tới kớch cỡ nm. Như vậy, khoa học nano và CNNN sẽ tiếp tục giữ vai trũ chủ chốt trong việc phỏt triển những thế hệ chip mới. Theo đú, cụng nghệ cú liờn quan, vớ dụ như bộ nhớ flash sẽ phỏt triển theo hướng tương tự, với mục tiờu tối đa húa dung lượng nhớ trờn một linh kiện nhỏ nhất cú thể tạo ra.
Tuy khụng phải là một bộ phận trong Lộ trỡnh ITRS, nhưng cỏc cụng nghệ ổ cứng sẽ tiếp tục làm tăng mật độ lưu trữ dữ liệu. Cỏc cụng nghệ này cũng cú những triển vọng tạo ra một số tiến bộ để đưa ngành cụng nghiệp lưu trữ dữ liệu phỏt triển vượt bậc. Điều này được thể hiện ở xu hướng dựng bộ nhớ dạng cứng thay thế bộ nhớ dựa trờn đĩa. Xu hướng này thể hiện rừ ràng ở dung lượng lưu trữ thụng tin của bộ nhớ dạng cứng trong cỏc mỏy nghe nhạc cỏ nhõn đang ngày càng tăng lờn. Rất cú thể đĩa cứng, dạng từ tớnh hoặc quang học, sẽ vẫn là sự lựa chọn để lưu trữ khối lượng dữ liệu lớn trong tương lai gần, đặc biệt là khi kớch thước của bit cũn được giảm hơn nữa. Đõy là một lĩnh vực rất thiết thực đối với nghiờn cứu khoa học nano.
Mặc dự khụng phụ thuộc vào dung sai về kớch cỡ độ dài và dung lượng lưu trữ dữ liệu như cỏc chip mỏy tớnh, nhưng lĩnh vực quang điện tử vẫn cú những thử thỏch riờng. Cụng nghệ tớch hợp cỏc bộ phận quang học vào cỏc linh kiện silic đó bắt đầu được nghiờn cứu và sẽ phỏt triển xa hơn nữa. Cỏc thử thỏch mà CNNN tỏc động tới sẽ là lĩnh vực vật liệu khe hở băng thụng quang tử (Photonic Band-Gap Material). Đõy là lĩnh vực sử dụng một thiết bị để điều khiển việc truyền ỏnh sỏng nhằm mục đớch tớnh toỏn bằng ỏnh sỏng, trong đú cỏc tinh thể quang tử đúng vai trũ rất quan trọng trong việc điều khiển ỏnh sỏng. Một tinh thể quang tử đặc thự sẽ bao gồm một dóy cỏc hố trong một vật liệu điện mụi, được chế tạo với độ chớnh xỏc nhỏ hơn 10 nm. Sự phỏt triển của cỏc tinh thể quang tử cú nghĩa là cỏc mạch tớch hợp quang học đang được làm nhỏ hơn nữa, tạo nờn tỏc động lớn tới cỏc lĩnh vực vớ dụ như truyền thụng và tin học quang học. Quang điện tử cũng sẽ tạo ra nhiều tiến bộ trong lĩnh vực tin học quang học và mật mó lượng tử. Cả hai cụng nghệ này dựa vào việc cỏc mức lượng tử sẽ ngày càng tăng, khi năng lượng điện từ bị giới hạn trong những cấu trỳc ngày càng bị thu nhỏ. Ngoài ra, nếu điều khiển được vị trớ, thời gian và trạng thỏi xảy ra cỏc tương tỏc ỏnh sỏng bằng những tiến bộ cụng nghệ, cỏc nhà khoa học sẽ cú thể phỏt triển những dạng quang phổ học mới ở cấp từng phõn tử, lắp rỏp cỏc cấu trỳc nano bằng cỏch dựng
cỏc “nhớp” quang học để gắp cỏc phõn tử để ghộp thành cỏc mẫu trờn cỏc bề mặt, cỏc phương phỏp in litụ quang học dựng để chế tạo cỏc chớp mỏy tớnh và cỏc linh kiện quang học hoạt động với vai trũ là cỏc thiết bị cảm biến sinh học cú khả năng dũ từng phõn tử một.
Vi tiểu hỡnh húa của CNNN cũng đúng vai trũ quan trọng trong việc phỏt triển cụng nghệ cảm biến. Trước hết, một thiết bị cảm biến lý tưởng sẽ phải cú khả năng thõm nhập cao vỡ vậy phải cần rất nhỏ. Nú phải cú nguồn cung cấp năng lượng, hoạt động cảm ứng nhờ đú tớnh chất mà nú phỏt hiện ra sẽ được chuyển húa thành một tớn hiệu điện truyền tới một mỏy dũ từ xa. Tớch hợp những hoạt động này vào một thiết bị nhỏ hơn 1 mm2 tất nhiờn sẽ đũi hỏi cỏc kỹ thuật chế tạo cỡ nano giống như những kỹ thuật được ngành cụng nghiệp IT khai thỏc. CNNN cũng nắm vai trũ quan trọng trong việc thiết kế một cỏch chớnh xỏc và rừ ràng chức năng cảm ứng; vỡ kớch thước của cảm biến giảm đi nờn diện tớch tỏc động tới vựng dũ tỡm của chiếc cảm biến cũng sẽ giảm, do vậy cần phải tăng tớnh nhạy lờn. Vỡ vậy, CNNN được hy vọng sẽ sản xuất được những thiết bị cảm biến nhỏ và rẻ hơn với độ nhạy tăng. Những thiết bị cảm biến này sẽ được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng, bao gồm giỏm sỏt chất lượng nước ăn, đo cỏc trọng lực cơ học ở cỏc tũa nhà hoặc phương tiện giao thụng để giỏm sỏt độ hư hại về mặt cấu trỳc, dũ ra và theo dừi những chất gõy ụ nhiễm trong mụi trường, kiểm tra độ an toàn thực phẩm, hoặc giỏm sỏt sức khỏe liờn tục. Ngoài ra, chỳng cũn cú thể sử dụng trong an ninh, quốc phũng, y tế và mang lại những lợi thế cho kinh doanh (vớ dụ theo dừi, quản lý vật liệu và sản phẩm). Những ứng dụng tiềm năng khỏc rất đa dạng từ việc giỏm sỏt trạng thỏi, sản xuất cỏc sản phẩm và vật liệu cho tới việc cảnh bỏo sớm về nhu cầu phục hồi hoặc thay đổi để nõng cao thể lực của con người bằng cỏch nõng cao hoạt động thể chất. Dạng mới nhất của thiết bị cảm biến, cú khả năng dũ ra sự hiện diện của một phõn tử đơn, vớ dụ trong một giọt mỏu, thể hiện là một trong những thành cụng lớn nhất của CNNN. Khụng chỉ đũi hỏi độ chớnh xỏc trong chế tạo, mà nú cũn đũi hỏi một cỏch thức kết hợp điện tử, quang học, húa học, sinh húa và y học để tạo ra những thiết bị cú thể được sử dụng một cỏch phổ biến, rẻ và cú độ tin cậy cao để giỏm sỏt tỡnh trạng sức khỏe của con người. Một vớ dụ thể hiện điều này là việc “xột nghiệm sức khỏe ngay tại chỗ”, trong đú một giọt mỏu trờn một chip cảm biến sẽ được phõn tớch ngay tức thỡ để cung cấp những dữ liệu hỗ trợ cho việc chẩn đoỏn. Cụng nghệ này cần cú một con chip silic cú năng lực xử lý với độ nhạy sinh húa để xỏc định rất nhiều thành phần của mỏu. Con chớp này cũng sẽ được tớch hợp vào bờn trong cơ thể để giỏm sỏt sức khỏe, vớ dụ để theo dừi bệnh tiểu đường và cỏc căn bệnh nan y khỏc. Cũn cú nhiều ứng dụng tiềm năng khỏc trong lĩnh vực thiết bị y tế, khiến cho cỏc thiết bị cảm biến trở thành một lĩnh vực ngày càng được đầu tư nghiờn cứu.
Như vậy, trong KH-CN NN, những cụng nghệ khụng cú trong Lộ trỡnh ITRS sẽ cú tầm quan trọng ngang với tầm quan trọng của cỏc cụng nghệ được hoạch định trong Lộ trỡnh, nhưng được tự do khai thỏc cỏc vật liệu và cỏc cấu trỳc. Linh kiện điện tử dựa trờn chất dẻo là một vớ dụ cụ thể. Nú khụng cạnh tranh trực tiếp với cỏc linh kiện dựa trờn silic, nhưng do giỏ thành chế tạo rẻ hơn nhiều, nờn nú đó tạo ra một cụng nghệ thay thế rẻ hơn. Đối với cỏc ứng dụng điện tử và quang điện tử rẻ, khụng cần tốc độ và dung lượng nhớ cao, vớ dụ như những thẻ thụng minh, thỡ chất dẻo sẽ là một vật liệu thớch hợp. Cỏc linh kiện điện tử dựa trờn chất dẻo đang bắt đầu được thương mại húa và cú tiềm năng tăng trưởng mạnh. Tương tự như vậy, việc sử dụng cỏc phõn tử đơn với vai trũ là cỏc bộ phận chức năng trong cỏc mạch sẽ tiếp tục là một lĩnh vực nghiờn cứu quan trọng của khoa học nano vỡ kớch thước của phõn tử, cú đặc thự là nhỏ hơn 1 nm, sẽ tạo ra sự “nhỏ húa” nhỏ nhất. Trờn thực tế, mục tiờu của việc giảm chức năng xuống tới cỏc phõn tử và nguyờn tử đơn, được Richard Feynman dự bỏo vào năm 1959, là phương phỏp duy nhất để vượt ra ngoài giới hạn phỏt triển hiện nay của Lộ trỡnh ITRS: đú là cỏc transitor silic thụng thường cú giới hạn kớch thước của cỡ hàng chục nanomet. Cỏc nhà nghiờn cứu về lĩnh vực KH-CN NN sẽ theo đuổi khỏi niệm lưu trữ và xử lý thụng tin ở cỡ nguyờn tử với hy vọng khỏm phỏ ra những lĩnh vực mới, vớ dụ, tin học lượng tử và bộ nhớ nguyờn tử, trong đú mỗi một bớt dữ liệu được lưu trữ trong một nguyờn tử đơn.