Vật liệu bán dẫn mới vượt trội silicon, hứa hẹn thay đổi ngành điện tử

Silicon là nền tảng của ngành công nghiệp điện tử, tiềm năng của nó trong vai trò chất bán dẫn cũng đáng mong đợi không kém. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã phát hiện ra một vật liệu mới, được gọi là arsenide boron khối (c-BAs), hoạt động tốt hơn silicon nhiều lần. Trên thực tế, nó có thể trở thành chất bán dẫn tốt nhất trong tương lai.

Nguyên tử boron (màu cam) tham gia với các nguyên tử asen [màu đen] để tạo thành cấu trúc tinh thể lập phương được gọi là boron arsenide lập phương (c-BAs).

Silicon là một trong những nguyên tố phong phú nhất trên trái đất. Ở dạng tinh khiết, silicon là chìa khóa của nhiều công nghệ hiện đại, từ vi mạch đến pin mặt trời. Tuy nhiên, các đặc tính của nó khi ở dạng chất bán dẫn còn vượt xa mức lý tưởng.

Tuy nhiên, loại vật liệu thần kỳ này không dẫn nhiệt quá tốt. Điển hình như các máy tính luôn cần hệ thống làm mát đắt đỏ nhưng vẫn xảy ra hiện tượng quá nhiệt. Hơn nữa, mặc dù silicon cho phép các electron chạy qua cấu trúc của nó một cách dễ dàng, nhưng lại ít hỗ trợ sự thiếu vắng electron, còn được biết đến là lỗ trống electron hoặc lỗ trống. Các lỗ trống electron trong một kim loại hoặc mạng tinh thể bán dẫn có thể di chuyển qua mạng tinh thể như các điện tử, và có thể tác động tương tự như các hạt tích điện dương. Chúng đóng một vai trò quan trọng trong việc vận hành các linh kiện bán dẫn. Những điểm yếu này làm giảm hiệu quả bán dẫn tổng thể của silicon. Công bằng mà nói, hầu hết các chất bán dẫn chỉ cung cấp độ linh động cao hoặc là cho electron hoặc là cho lỗ trống electron.

Hành trình cách mạng hóa ngành bán dẫn

Vào năm 2018, nhiều thí nghiệm đã tiết lộ rằng c-BAs - một tinh thể phát triển từ boron và asen, hai nguyên tố khoáng tương đối phổ biến - dẫn nhiệt gần gấp 10 lần silicon. Đây là độ dẫn nhiệt tốt nhất trong số các chất bán dẫn và độ dẫn nhiệt tốt thứ ba trong số các vật chất, sau kim cương và boron nitride khối được làm giàu đồng vị.

Ngoài ra, một số giả thuyết cho rằng c-BAs sẽ có tính linh động rất cao đối với cả electron và lỗ trống. Điều này đã được xác nhận với hai nghiên cứu trên tạp chí Science ngày 22/7.

“Lần đầu tiên chúng tôi đã chứng minh một vật liệu mới có tính linh động vận chuyển và dẫn nhiệt đồng thời cao. Những phát hiện này đã chỉ ra một hướng đi mới cho cuộc cách mạng hóa ngành công nghiệp bán dẫn trong tương lai gần”, Zhifeng Ren, nhà vật lý và nhà khoa học vật liệu tại Đại học Houston, đồng tác giả của cả hai nghiên cứu, cho biết.

Việc phân tích tính linh động của electron và lỗ trống trong c-BAs là một thách thức lớn vì các tinh thể mà nhóm nghiên cứu sở hữu rất nhỏ. Ngoài ra, chúng còn bị lẫn tạp chất làm phân tán các electron và lỗ trống. Song bằng cách thăm dò các tinh thể bằng xung động laze, nhóm nhà nghiên cứu (từ Đại học Houston cũng như MIT, đại học Texas tại Austin và đại học Boston) nhận thấy rằng các điện tử/electron và lỗ trống điện tử/electron có tính linh động cao nhất tại các vị trí trên mạng tinh thể với ít tạp chất nhất.

Vượt qua silicon

Độ linh động của electron và lỗ trống được đo bằng đơn vị cm vuông trên vôn-giây (cm2 / V • s). Silicon có độ linh động electron là 1.400 cm2 / V • s và độ linh động của lỗ trống là 450 cm2 / V • s ở nhiệt độ phòng. Ngược lại, theo phát hiện mới, c-BAs có độ linh động 1.600 cm2 / V • s đối với cả electron và lỗ trống chuyển động cùng nhau ở nhiệt độ phòng.

Hơn nữa, một trong hai nghiên cứu mới trên tạp chí Science đã phát hiện ra rằng độ linh động của electron trong c-BAs có thể lên tới 3.000 cm2 / V • s. Kỳ tích này có thể là do “các electron nóng” có khả năng bảo toàn năng lượng, được tạo ra bởi các xung laze vốn được sử dụng để kích thích các hạt mang điện tích, lâu hơn so với chúng trong hầu hết các vật liệu khác.

Cho đến nay, các nhà khoa học mới chỉ tạo ra c-BAs theo các lô nhỏ, quy mô phòng thí nghiệm và không đồng nhất. Tuy nhiên, Ren cho rằng tiềm năng kinh tế của nó là không thể chối cãi, vì boron, asen và kỹ thuật chế tạo tinh thể đều không quá đắt. Theo ông, để duy trì chất lượng, các tinh thể phải được điều chỉnh đến kích thước lớn hơn nhiều, điều chỉ xảy ra "khi quá trình phát triển được hiểu tường tận".

Ngoài ra, Ren nói thêm: “Nhóm của tôi luôn tin rằng để đạt được độ dẫn nhiệt và tính linh động cao hơn thì chất lượng tinh thể cũng phải cao hơn, vì vậy mục tiêu ngắn hạn của chúng tôi là cải thiện chất lượng tinh thể”.