Theo một nghiên cứu mới, vật liệu tương tự hình thành các bóng bán dẫn nguyên thủy đầu tiên cách đây hơn 60 năm có thể được sửa đổi theo cách mới để cải tiến các thiết bị điện tử trong tương lai.
Các nhà hóa học tại Đại học bang Ohio đã phát triển công nghệ chế tạo một tấm Germanium dày một nguyên tử và phát hiện ra rằng nó dẫn điện tử nhanh hơn mười lần so với silicon và nhanh hơn năm lần so với Germanium thông thường.
Cấu trúc của vật liệu có liên quan chặt chẽ với cấu trúc của graphene, một vật liệu hai chiều được chào mời nhiều bao gồm các lớp nguyên tử carbon. Như vậy, graphene cho thấy các thuộc tính độc đáo so với đối tác đa lớp phổ biến hơn của nó, than chì. Graphene vẫn chưa được sử dụng thương mại, nhưng các chuyên gia cho rằng một ngày nào đó nó có thể tạo ra chip máy tính nhanh hơn và thậm chí có thể hoạt động như một chất siêu dẫn, vì vậy nhiều phòng thí nghiệm đang làm việc để phát triển nó.
Joshua Goldberger, trợ lý giáo sư hóa học tại bang Ohio, đã quyết định thực hiện một hướng khác và tập trung vào các vật liệu truyền thống hơn.
Hầu hết mọi người nghĩ về graphene là vật liệu điện tử của tương lai, Tuy nhiên, silicon và gecmani vẫn là nguyên liệu của hiện tại. Sáu mươi năm, bộ não có giá trị trí tuệ đã phát triển các kỹ thuật để tạo ra các con chip từ chúng. Vì vậy, chúng tôi đã tìm kiếm các dạng silicon và gecmani độc đáo với các đặc tính có lợi, để có được lợi ích của một vật liệu mới nhưng với chi phí thấp hơn và sử dụng công nghệ hiện có.
Các nguyên tố gecmani ở trạng thái tự nhiên. Các nhà nghiên cứu tại Đại học bang Ohio đã phát triển một kỹ thuật chế tạo các tấm Germanium dày một nguyên tử để sử dụng cuối cùng trong điện tử. Tín dụng hình ảnh: Wikimedia Commons
Trong một bài báo được công bố trực tuyến trên tạp chí ACS Nano, ông và các đồng nghiệp đã mô tả làm thế nào họ có thể tạo ra một lớp nguyên tử Germanium ổn định, duy nhất. Ở dạng này, vật liệu tinh thể được gọi là Germanane.
Các nhà nghiên cứu đã cố gắng tạo ra Germanane trước đây. Đây là lần đầu tiên bất cứ ai thành công trong việc tăng đủ số lượng của nó để đo các thuộc tính vật liệu của Chi tiết và chứng minh rằng nó ổn định khi tiếp xúc với không khí và nước.
Trong tự nhiên, gecmani có xu hướng hình thành các tinh thể nhiều lớp trong đó mỗi lớp nguyên tử được liên kết với nhau; lớp đơn nguyên tử thường không ổn định. Để giải quyết vấn đề này, nhóm Goldberger Entry đã tạo ra các tinh thể gecmani nhiều lớp với các nguyên tử canxi được nêm vào giữa các lớp. Sau đó, họ hòa tan canxi với nước và cắm các liên kết hóa học trống bị bỏ lại với hydro. Kết quả: họ đã có thể bóc từng lớp Germanane riêng lẻ.
Được gắn với các nguyên tử hydro, Germanane thậm chí còn bền hơn về mặt hóa học so với silicon truyền thống. Nó đã thắng oxy hóa trong không khí và nước, như silicon. Điều đó làm cho Germanane dễ dàng làm việc với việc sử dụng các kỹ thuật sản xuất chip thông thường.
Điều cơ bản khiến người Đức mong muốn đối với quang điện tử là nó có cái mà các nhà khoa học gọi là khoảng cách băng trực tiếp, nghĩa là ánh sáng dễ dàng bị hấp thụ hoặc phát ra. Các vật liệu như silicon và gecmani thông thường có các khoảng trống băng gián tiếp, có nghĩa là vật liệu này khó hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng hơn nhiều.
Khi bạn cố gắng sử dụng một vật liệu có khe hở băng gián tiếp trên pin mặt trời, bạn phải làm cho nó khá dày nếu bạn muốn có đủ năng lượng để đi qua nó có ích.Một vật liệu có khoảng cách băng trực tiếp có thể thực hiện cùng một công việc với một mảnh vật liệu mỏng hơn 100 lần, theo ông Gold Goldberger.
Các bóng bán dẫn đầu tiên được chế tạo từ Germanium vào cuối những năm 1940 và chúng có kích thước bằng một hình thu nhỏ. Mặc dù các bóng bán dẫn đã phát triển cực nhỏ kể từ đó, với hàng triệu trong số chúng được đóng gói vào mỗi chip máy tính, German Germanium vẫn có tiềm năng phát triển điện tử, nghiên cứu cho thấy.
Theo tính toán của các nhà nghiên cứu, các electron có thể di chuyển qua Germanane nhanh hơn mười lần thông qua silicon và nhanh hơn năm lần so với thông qua Germanium thông thường. Phép đo tốc độ được gọi là độ linh động của điện tử.
Với tính cơ động cao, Germanane có thể mang tải tăng lên trong các chip máy tính công suất cao trong tương lai.
Khả năng di động rất quan trọng, bởi vì chip máy tính nhanh hơn chỉ có thể được tạo ra với các vật liệu di động nhanh hơn, theo Gol Golberger. Khi bạn thu nhỏ bóng bán dẫn xuống quy mô nhỏ, bạn cần sử dụng vật liệu di động cao hơn hoặc bóng bán dẫn sẽ không hoạt động, chuyên gia Gold Goldberger giải thích.
Tiếp theo, nhóm sẽ khám phá cách điều chỉnh các thuộc tính của Germanane bằng cách thay đổi cấu hình của các nguyên tử trong lớp đơn.
Qua Đại học bang Ohio