Silicon là một trong những nguyên tố có trữ lượng dồi dào nhất trên Trái Đất, và cũng đã trở thành nền móng xây dựng nên xã hội công nghệ cao ngày nay. Tuy nhiên, đặc tính của silicon chưa cho phép vật liệu đại trà này trở thành chất bán dẫn hiệu quả nhất.
Dù cấu trúc silicon cho phép các hạt electron di chuyển dễ dàng bên trong, nó lại không dễ dàng tương thích với các lỗ trống điện tử - khái niệm vật lý có thể mang tính chất của một hạt mang điện tích dương; trong một số công nghệ nhất định, vật liệu phải tận dụng được cả electron và lỗ trống điện tử (hay còn gọi tắt là “lỗ trống”) mới có hiệu năng cao.
Hơn nữa, silicon không phải chất dẫn nhiệt tốt, đó là lý do đồ điện tử thường gặp phải tình trạng quá nhiệt và cần tới những hệ thống tản nhiệt đắt đỏ.
Để giải quyết vấn đề hóc búa, một nhóm các nhà khoa học tới từ Viện Công nghệ Massachusetts, Đại học Houston và nhiều viện nghiên cứu khác tìm kiếm một chất bán dẫn khác hiệu quả hơn. Thử nghiệm với boron arsenide dạng lập phương, nhóm đã phá bỏ được những giới hạn có trên silicon: boron arsenide vận chuyển tốt cả electron và lỗ trống, đồng thời có khả năng dẫn nhiệt tốt.
Nhóm nghiên cứu khẳng định đây là vật chất bán dẫn hiệu quả nhất từng được khoa học phát hiện ra, thậm chí có thể là chất bán dẫn tốt nhất.
Cho đến giờ, boron arsenide mới chỉ được chế tạo trong phòng thí nghiệm và tham gia vào các bài thử quy mô nhỏ. Các nhà nghiên cứu phải sử dụng tới phương pháp đặc biệt phát triển bởi giáo sư Song Bai từng công tác tại MIT để thử nghiệm từng khu vực nhỏ, riêng biệt bên trong boron arsenide.
Sẽ cần các nghiên cứu sâu hơn để khẳng định tiềm năng của boron arsenide, đồng thời xác minh khả năng thay thế silicon của nó. Tuy nhiên, trong tương lai gần, những đặc tính đặc biệt của vật liệu này vẫn có thể có ích.
Boron arsenide, vật liệu bán dẫn tốt nhất mà ta biết.
Trong báo cáo khoa học mới đăng tải hồi cuối tháng Bảy trên tạp chí Science, các kết luận đều cho thấy boron arsenide đạt được những kỳ vọng ban đầu. Những nghiên cứu trước đây đã nêu giả định rằng vật liệu này có khả năng dẫn nhiệt tốt, đồng thời dẫn hiệu quả cả electron và các lỗ trống điện tử. Thử nghiệm thực tế cho thấy khả năng dẫn nhiệt của boron arsenide tốt gấp gần 10 lần silicon.
Báo cáo mới chỉ ra rằng boron arsenide đã sở hữu mọi đặc tính cần có để trở thành một chất bán dẫn lý tưởng. “Điều này quan trọng, bởi lẽ các chất bán dẫn chứa cả các hạt mang điện tích âm và dương. Vậy nên nếu muốn chế tạo một thiết bị, bạn phải có vật chất cho phép cả electron và lỗ trống lưu thông với ít điện trở nhất có thể”.
Silicon luân chuyển electron rất tốt nhưng không cho phép các lỗ trống điện tử trôi hiệu quả, một số vật liệu khác, đơn cử như gallium arsenide được dùng trong công nghệ laser, cũng gặp tình trạng tương tự.
“Hiện tại nhiệt là một trong những vấn đề gây nghẽn cổ chai’ trong nhiều thiết bị điện tử”, một trong hai tác giả chính của nghiên cứu mới, ông Shin Jungwoo nhận định. “Silicon carbide đang dần thay thế silicon trong sản xuất đồ điện ở một số công ty xe điện hàng đầu, trong đó có Tesla, nhờ khả năng dẫn nhiệt nhanh gấp 3 lần silicon, mặc dù khả năng truyền hạt mang điện không hiệu quả bằng. Thử tưởng tượng xem boron arsenide có thể làm được gì với hiệu năng dẫn nhiệt lớn gấp 10 lần”.
Cũng theo lời các nhà khoa học, vật liệu mới không chỉ có khả năng dẫn nhiệt tốt nhất trong số các chất bán dẫn, mà khả năng này còn tốt thứ ba trong toàn bộ số vật chất mà ta biết - chỉ đứng sau kim cương và boron nitride được làm giàu đồng vị.
“Quả thực ấn tượng, bởi lẽ tôi không biết tới vật liệu nào khác ngoài graphene chứa tất cả những đặc tính này”, đồng tác giả nghiên cứu Chen Gang nhận định.
Cách sắp xếp carbon tạo nên cấu trúc graphene.
Theo lời ông, thử thách hiện tại là tìm ra cách sản xuất hiệu quả để cho ra nguyên vật liệu boron arsenide với số lượng lớn. Tổng hợp hóa học tạo nên boron arsenide rất khó thực hiện, bên cạnh đó dạng tinh thể đơn của vật chất này thường có tì vết. Chưa hết, dù các đặc tính siêu việt đã được chứng minh, các nhà khoa học “không rõ liệu vật liệu có được dùng hay ứng dụng được vào ngành nào hay không”.
“Silicon vẫn là trụ cột của cả ngành công nghiệp”, nhà nghiên cứu Gang nhận định. “Đúng là chúng tôi có được một vật liệu tốt hơn, nhưng liệu nó có làm rung chuyển cả ngành được không? Chúng tôi không hay”. Dù vật liệu mới dường như là chất bán dẫn lý tưởng, chưa thể chứng minh nó có thể phù hợp với thiết bị điện tử ta đang sở hữu ngày nay.
Mặc dù khả năng dẫn hạt mang điện và dẫn nhiệt đều đã được chứng minh, những đặc tính khác như độ bền, khả năng tái chế, v.v… đều chưa sáng tỏ. Điều đó ngăn boron arsenide có thể trở thành “silicon mới” của ngành công nghiệp. Các nhà khoa học mong rằng báo cáo nghiên cứu mới sẽ giúp boron arsenide nhận được những sự chú ý đáng có.
Theo lời nhà nghiên cứu Shin Jungwoo, để dùng được vào mục đích thương mại, quá trình sản xuất và tinh luyện boron arsenide phải hiệu quả ngang ngửa silicon. “Silicon mất nhiều thập kỷ để có được ngôi vương ngày hôm nay, khi có độ tinh khiết lên tới 99,99999999%, hay 10 số 9, trên dây chuyền sản xuất hàng loạt”.
Để có thể có chỗ đứng trên thị trường, ông Chen Gang nhận định sẽ cần tới “nhiều người phát triển nhiều cách chế tạo, phân loại các vật liệu”. Tuy nhiên chưa rõ số vốn để thực hiện tất cả những hoạt động tốn kém đó lấy được từ đâu.
Theo MIT