16
cực và điện thế trong các thiết bị do sự phân cực mạnh trong vật liệu sắt điện để có thể nâng cao hiệu suất chuyển đổi.
1.2 Tổng quan về vật liệu Nano và ứng dụng trong lĩnh vực điện – điện tử. Ngày nay, các vật liệu điện – điện tử nói chung và vật liệu sắt điện nói riêng ngày càng trở nên thơng minh hơn, kích thước nhỏ gọn hơn nhưng lại tích hợp nhiều tính năng hơn. Để làm được điều này, một phương pháp đơn giản và hiệu quả là cải tiến tính chất điện của các vật liệu truyền thống sẵn có nhờ kết hợp với một hoặc nhiều vật liệu khác có cấu trúc nano.
Sự tiến bộ của công nghệ hiện đại được thúc đẩy đáng kể bởi khái niệm thu nhỏ của các thiết bị điện tử ba chiều với mạch logic nhúng cho phép vô số ứng dụng bao gồm các thiết bị hiển thị, các thiết bị điện tử đeo được và thiết bị y sinh.
Những cải tiến của vật liệu nano vào nhiều các ứng dụng bao gồm quang điện tử và tốc độ cao điện tử. Hiệu suất đáng chú ý của thiết bị điện tử nano là kết hợp tinh vi của các lớp hợp chất lại với nhau và mang lại các chức năng tuyệt vời của chúng. Các thiết bị thế hệ mới như bộ lưu trữ điện tử tốc độ cao có thể mở rộng ranh giới vượt ra ngoài bộ vi xử lý chứa hàng triệu "bóng bán dẫn" cấu trúc nano và sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ của các thiết bị ở tương lai. Sự tinh vi trong sự phát triển của ngành công nghiệp thiết bị điện tử là thách thức các nhà khoa học nghiên cứu để đạt được các thiết bị hiệu suất bền vững và lâu hơn [30].
17
Bảng 1.1 Danh sách các ứng dụng tiềm năng hiện tại theo nhu cầu của ngành trong lĩnh vực vật liệu kỹ thuật nano
Mục đích cụ thể Thiết bị quang/ điện tử Lưu trữ năng lượng / Cung cấp Lớp phủ điện tử Chất độn dẫn điện x Màn hình hiển thị x
Đầu dị cơ điện tử nano x
Cực âm tổng hợp nano x
Cực âm tổng hợp nano cho lị vi sóng và máy phát
điện x
Bộ nhớ điện tử đơn kích
thước nano x
Cấu trúc nano nhúng cho
cổng logic x
Máy tính lượng tử và thiết
bị x
Quang tử nano tinh thể/
Thiết bị x
Cảm biến nano x
Tụ điện nano công suất cao x
Pin nhiên liệu nano
x Tế bào nano x Lớp phủ nano cho phục hình x Lớp phủ nano chống trầy xước x Kính hiển vi lực nguyên tử x
18 Đối với Nano điện tử tốc độ cao
Vật liệu nano được điều khiển bằng điện là một điều cần thiết và là thành phần để hiện thực hóa thành cơng các thiết bị điện tử kỹ thuật nano. Đó được coi là tiền đề để nghiên cứu tiếp theo trong một loạt các ứng dụng thực tế của điện tử nano tốc độ cao. Ngày nay, vật liệu kỹ thuật nano lai đang rất được quan tâm vì chúng có thể kiểm sốt đặc tính điện được đóng góp từ mỗi thành phần để có tính năng mạnh hơn và hiệu quả hơn [31]. Vật liệu kỹ thuật nano lai (Hybrid nanoengineered materials) là được định nghĩa là sự kết hợp của hai hoặc nhiều vật liệu nano đa năng trong cùng một hệ thống nano.
Điện tử tốc độ cao và công suất thấp tập trung vào vật liệu điện tử nonsilicon làm thành phần chính đã trở thành xu hướng của thiết bị điện hiện nay. Công nghệ ngày nay địi hỏi sự tích hợp các mạch sử dụng cơng nghệ để có độ dài kênh nhỏ hơn 20 nm giới hạn bên ngồi của MOSFET và CMOS thơng thường.
Việc giảm quy mô cần thiết của các thiết bị điện tử ảnh hưởng đến nhu cầu đáp ứng trong ngành cơng nghiệp:
Các bóng bán dẫn nhỏ hơn mang lại kết nối ngắn hơn giữa các mạch trên mỗi tấm wafer (một mảnh mỏng của vật liệu bán dẫn) và dẫn đến các mạch chi phí thấp.
Hình 1.10 Để đạt được một thiết bị điện tử mạnh mẽ với nhiều chức năng bắt nguồn từ các kết hợp vật liệu nano khác nhau [31]
19
Các bóng bán dẫn nhỏ hơn và kết nối ngắn mang lại điện dung thấp hơn và mạch tích hợp tốc độ cao.
Các bóng bán dẫn nhỏ hơn chỉ yêu cầu điện áp cung cấp năng lượng thấp và mức tiêu thụ điện năng thấp.
Hiệu quả trong việc tiêu thụ điện năng tĩnh và động.
Hệ thống sưởi tuần hồn hiệu quả và thốt hơi nước tốt hơn. Giảm điện trường trong oxit và giảm rò rỉ dòng điện.
Cấu trúc thiết bị nano màng mỏng tích hợp trên chip Si có đã xâm nhập vào ngành công nghiệp bán dẫn. Các ứng dụng gần đây bao gồm chuyển mạch cực nhanh, máy dò từ trường nhiệt độ phòng giá rẻ, ống nano áp điện cho hệ thống vi lưu (kiểm sốt dịng chảy của chất lỏng đo bằng micro, nano), bộ làm mát điện cực cho máy tính, Cơng nghệ siêu âm (Chất sắt điện tử màng mỏng thể hiện sự giảm nhiều trong hằng số điện môi với ứng dụng của điện áp bình thường) và tụ điện cho truy cập ngẫu nhiên cho các bộ nhớ (RAM, DRAM, MRAM, FeRAMs). Cuối cùng, sự phát xạ điện tử từ chất sắt điện tử mang lại giá rẻ, thiết bị vi sóng cơng suất cao và các tia Xquang thu nhỏ.
Ứng dụng dây Nano:
Dây nano có rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực điện tử, pin nhiên liệu, pin, khí động học, nơng nghiệp, cơng nghiệp thực phẩm và thuốc, v.v. Dây nano nắm giữ các tính chất hóa học, vật lý và cơ học khác nhau. Hơn nữa, vì khả năng định hình vượt trội của chúng, chất kết hợp thơng thường có thể bị chia tách bởi dây nano [32].
Các Transistor bán dẫn được thu nhỏ thành các cụm lắp ráp của hệ thống điện tử và tạo ra các thiết bị ngày càng nhỏ hơn, và đó là một thách thức để tạo ra các đường giao nhau chất lượng cao. Việc thay đổi tỷ lệ xúc tác của vật liệu để thu được khoảng cách ngắn hơn khoảng 10 nm. Các nhà nghiên cứu đã đạt được cơ sở bằng cách chế tạo bóng bán dẫn khơng mối nối có tính chất điện thơng thường. Chúng có
20
thể hoạt động nhanh hơn và tiêu thụ ít hơn cơng suất hơn bóng bán dẫn thơng thường khác trên thị trường hôm nay.
Thiết bị bao gồm một ống nano silicon bên trong dòng điện được điều khiển bởi một cổng silicon có giữa một lớp vật liệu cách nhiệt mỏng. Tuy nhiên, do sự tồn tại của lớp vật liệu khơng thuần khiết, nó làm cạn kiệt số lượng điện tử trong vùng của ống nano ở lớp dưới. Cũng thế, thiết bị hoạt động như một bóng bán dẫn hồn hảo nhất vì nó có đặc tính điện gần như lý tưởng, khơng bị khỏi rị rỉ dòng điện như trong các thiết bị thông thường, hoạt động nhanh hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn. Ứng dụng của vật liệu nano trong ngành kỹ thuật điện, điện tử.
Vật liệu graphene (kiểu tấm cấu tạo từ các nguyên tử cacbon liên kết với nhau theo kiểu hình lục giác tuần hồn) có độ dày một nguyên tử cacbon và do đó có thể được phân loại là vật liệu nano - vật liệu có ít nhất một kích thước bên ngồi có kích thước nhỏ hơn 100nm. Mặc dù có kích thước nhỏ nhưng vật liệu nano mang đầy tiềm năng cho tương lai của ngành điện tử, tạo ra các thiết bị nhanh hơn, nhỏ hơn và mạnh hơn. Chính nhờ các đặc tính vật lý của chúng mà các vật liệu nano như graphene có nhiều tiềm năng đối với ngành công nghiệp điện tử. Sử dụng các đặc tính độc đáo của chúng, vật liệu nano có thể tạo ra các thiết bị điện tử nhỏ hơn, nhẹ hơn, sử dụng ít tài nguyên hơn để xây dựng và cải thiện độ chính xác của việc xây dựng mạch xuống cấp độ nguyên tử.
Vật liệu nano có xu hướng mở rộng ranh giới cho những nghiên cứu phát triển đi xa hơn trong tương lai của ngành điện tử nói riêng và các ngành cơng nghiệp khác nói chung.
Vât liệu cacbon đều được ứng dụng vào ngành điện tử bao gồm máy dò, bộ điều biến, máy chụp ảnh, cảm biến và máy thu phát.
Vật liệu cacbon cũng có thể được sử dụng cho các thiết bị điện tử quang học và quang tử. Tấm nannocacbon _graphene hấp thụ một loạt các bước sóng quang học - từ tia cực tím đến tia hồng ngoại xa - cho phép truyền thông băng thông siêu rộng.
21
Trong ứng dụng các thiết bị quang học, Tấm nannocacbon _graphene biến đổi gần như tất cả ánh sáng mà nó nhận được thành tín hiệu điện. Đặc điểm này dẫn đến các thiết bị tiêu thụ ít điện năng hơn và hoạt động hiệu quả hơn.
Với độ mỏng, độ bền và độ đàn hồi cực cao cảu vật liệu nano cacbon, nên nó được ứng dụng cho các thiết bị điện tử linh hoạt, có thể đeo được, hàng dệt dẫn điện, thiết bị điện tử cho các sản phẩm thơng minh dùng một lần - như bao bì thơng minh. 1.3 Ứng dụng của ống nano cacbon trong lĩnh vực điện-điện tử.
Ống nano cacbon đa vách được biết đến với các ứng dụng nổi bật trong chắn nhiễu điện từ, các bộ chuyển hóa năng lượng, tụ điện, cảm biến v.v. Ưu điểm nổi bật của ống nano cacbon nằm ở khả năng dẫn điện tốt, độ bền nhiệt – điện cao, có độ rộng bề mặt lớn nhờ kích thước nano cùng với mật độ thấp giúp tương tác điện dễ dàng, từ đó giúp cải tiện đáng kể tính chất điện của các vật liệu chứa nó.