Trung Quốc – Mỹ phối hợp tạo ra chất bán dẫn “thần kỳ”

Graphene được mô tả là một vật liệu đơn giản, tạo thành từ một lớp nguyên tử carbon, mỏng hơn tóc người khoảng 1 triệu lần.

"Graphene mạnh hơn hầu hết mọi vật liệu khác trong tự nhiên và đánh bại cả silicon khi nói đến tiềm năng điện tử" – nhóm các nhà khoa học Trung Quốc – Mỹ cho biết.

Kể từ khi graphene được phát hiện lần đầu tiên vào năm 2004, các nhà khoa học đã cố gắng kết hợp graphene với các vật liệu carbon khác nhằm tạo ra một loại chip mới tiêu thụ năng lượng ít hơn và hoạt động nhanh hơn bất kỳ chất bán dẫn hiện có nào.

Theo báo South China Morning Post, kết quả nghiên cứu mới nhất về graphene được dẫn dắt bởi giáo sư Ma Lei tại Trường ĐH Thiên Tân (Trung Quốc) và giáo sư Walt de Heer tại Viện Công nghệ Georgia (Mỹ). Cả hai đều tập trung vào thiết bị điện tử graphene và các vật liệu hai chiều khác, kể từ khi thành lập Trung tâm Hạt nano và Hệ thống nano quốc tế Thiên Tân tại Trường ĐH Thiên Tân vào năm 2018.

Các nhà khoa học lần đầu tiên tổng hợp thành công chất bán dẫn làm bằng graphene, có khả năng đánh bại cả silicon về tiềm năng điện tử. (Ảnh tư liệu: South China Morning Post).

Được biết đến là vật liệu hai chiều ổn định đầu tiên ở nhiệt độ phòng, cấu trúc điện tử đặc biệt của graphene khiến nó có "khe hở" bằng 0 – đồng nghĩa không có sự chênh lệch năng lượng khi các electron trong chất bán dẫn dịch chuyển giữa các dải năng lượng thấp và cao.

Các nhà khoa học Trung Quốc – Mỹ bằng phương pháp mới giúp hình thành một lớp đặc biệt trên graphene, gọi là "epigraphene", nhằm tạo ra khoảng trống cần thiết cho các electron chuyển động rất nhanh, nhanh hơn nhiều so với silicon và các vật liệu tương tự.

Lớp này rất quan trọng vì nó tạo ra một khoảng trống điện tử cần thiết, làm cho graphene phù hợp ứng dụng trong các thiết bị điện tử. Nó cũng đảm bảo rằng graphene bền và dễ gia công, mang lại triển vọng lớn về thương mại, theo nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature của nhóm nhà khoa học trên.

Để đạt được bước đột phá này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp gọi là "ủ gần như cân bằng", bao gồm việc làm nóng và làm lạnh vật liệu một cách cẩn thận để thay đổi cấu trúc của nó.

"Bước tiến này không chỉ mở ra những hướng đi mới cho thiết bị điện tử hiện đại, vượt xa công nghệ dựa trên silicon truyền thống mà còn tiếp thêm nguồn năng lượng mới cho công nghiệp bán dẫn" - báo cáo trên trang web Trường ĐH Thiên Tân khẳng định.

"Nghiên cứu này không chỉ duy trì tính ổn định vượt trội của graphene mà còn tạo ra những đặc tính điện tử mới, mở đường cho việc chế tạo chip làm bằng graphene trong tương lai" - báo Khoa học và Công nghệ có trụ sở tại Bắc Kinh viết hôm 5-1.

Dẫu vậy, các nhà khoa học Trung Quốc – Mỹ tại Trường ĐH Thiên Tân đánh giá có thể phải mất từ 10 -15 năm nữa để đưa chất bán dẫn graphene vào sản phẩm công nghiệp và thương mại hóa.