Kể từ lần đầu tiên chế tạo các lớp than chì mỏng ở cấp độ nguyên tử - được gọi là graphene - vào năm 2004, người ta đã rất quan tâm đến những vật liệu như vậy cho các ứng dụng tiên tiến và mới lạ do các đặc tính vật lý kỳ lạ và đầy hứa hẹn của chúng. Tuy nhiên, bất chấp hai thập kỷ nghiên cứu, các vi thiết bị chức năng dựa trên các vật liệu 2D này đã tỏ ra khó nắm bắt do những thách thức trong việc chế tạo và xử lý các màng mỏng mỏng manh như vậy.

Lấy cảm hứng từ những thành tựu gần đây trong phòng thí nghiệm của Lanza về phim 2D chức năng, sự hợp tác do KAUST dẫn đầu hiện đã sản xuất và trình diễn một nguyên mẫu vi mạch dựa trên 2D.

Hình ảnh minh họa. Nguồn: internet 

Lanza cho biết: “Động cơ của chúng tôi là nâng cao mức độ sẵn sàng về công nghệ của các mạch và thiết bị điện tử dựa trên vật liệu 2D bằng cách sử dụng các vi mạch CMOS dựa trên silicon thông thường làm cơ sở và các kỹ thuật chế tạo chất bán dẫn tiêu chuẩn. “Tuy nhiên, thách thức là các vật liệu 2D tổng hợp có thể chứa các khiếm khuyết cục bộ như tạp chất nguyên tử có thể khiến các thiết bị nhỏ bị hỏng. Ngoài ra, rất khó để tích hợp vật liệu 2D vào vi mạch mà không làm hỏng nó.”

Nhóm nghiên cứu đã tối ưu hóa thiết kế của chip để giúp chế tạo dễ dàng hơn và giảm thiểu ảnh hưởng của khuyết tật. Họ đã làm điều này bằng cách chế tạo các bóng bán dẫn bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS) tiêu chuẩn ở một mặt của chip và cung cấp các kết nối liên thông đến mặt dưới, nơi vật liệu 2D có thể được truyền một cách đáng tin cậy trong các miếng đệm nhỏ có bề ngang dưới 0,25 micromet.

“Chúng tôi đã sản xuất vật liệu 2D - boron nitride hình lục giác, hay h-BN, trên lá đồng - và chuyển nó vào vi mạch bằng quy trình ướt ở nhiệt độ thấp, sau đó chúng tôi tạo thành các điện cực trên đỉnh bằng phương pháp bay hơi chân không thông thường và quang khắc, mà là những quy trình chúng tôi có nội bộ,” Lanza nói. “Bằng cách này, chúng tôi đã tạo ra một mảng 5×5 gồm các tế bào một bóng bán dẫn/một memristor được kết nối trong một ma trận thanh ngang.”

Các đặc tính kỳ lạ của 2D h-BN, ở đây chỉ dày 18 nguyên tử hoặc 6 nanomet, làm cho nó trở thành một “memristor” lý tưởng - một thành phần điện trở có điện trở có thể được đặt bằng điện áp đặt vào. Trong cách sắp xếp 5×5 này, mỗi miếng đệm memristor kích thước siêu nhỏ được kết nối với một bóng bán dẫn chuyên dụng duy nhất. Điều này cung cấp khả năng kiểm soát điện áp tốt cần thiết để vận hành memristor như một thiết bị chức năng có hiệu suất cao và độ tin cậy qua hàng nghìn chu kỳ, trong trường hợp này là một phần tử mạng thần kinh công suất thấp.

“Với bước đột phá hàng đầu này, chúng tôi hiện đang đàm phán với các công ty bán dẫn hàng đầu để tiếp tục làm việc theo hướng này,” Lanza nói. “Chúng tôi cũng đang xem xét việc lắp đặt hệ thống xử lý công nghiệp quy mô wafer của riêng mình cho các vật liệu 2D tại KAUST để nâng cao khả năng này.”

Theo World Mark (worldmark.world)