Các nhà khoa học Mỹ - Trung đạt được bước đột phá, có thể tạo chip siêu tốc dựa trên graphene

Graphene là vật liệu đơn giản, chỉ được tạo thành từ một lớp nguyên tử carbon, mỏng hơn tóc người 1 triệu lần. Thế nhưng, graphene có độ bền vượt trội so với hầu hết vật liệu tự nhiên khác và vượt silicon khi nói đến tiềm năng điện tử.

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

Theo các nhà khoa học nano tại Đại học Thiên Tân (Trung Quốc) và Viện Công nghệ Georgia (Mỹ), những phát hiện được công bố trên tạp chí Nature mới đây cho biết thành công đáng mong đợi này dường như sắp trở thành hiện thực.

Truyền thông nhà nước Trung Quốc ca ngợi thành tựu trên là một bước tiến quan trọng trong việc sử dụng graphene trong sản xuất chip.

Nhật báo Khoa học và Công nghệ có trụ sở tại Bắc Kinh (thủ đô trung Quốc) cho biết trong một báo cáo hôm 5.1.2024: “Nghiên cứu này không chỉ duy trì tính ổn định vượt trội của graphene mà còn đưa ra những đặc tính điện tử mới, mở đường cho các chip dựa trên graphene”.

Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Giáo sư Ma Lei từ Đại học Thiên Tân và Walt de Heer từ Viện Công nghệ Georgia. Cả hai đều tập trung vào thiết bị điện tử graphene và các vật liệu hai chiều khác kể từ khi họ thành lập Trung tâm Hạt nano và Hệ thống nano Quốc tế Thiên Tân tại Đại học Thiên Tân vào năm 2018.

Được biết đến là vật liệu hai chiều ổn định đầu tiên ở nhiệt độ phòng, cấu trúc điện tử đặc biệt của graphene cũng có nghĩa là nó có “khe hở” bằng 0, nghĩa là không có sự chênh lệch năng lượng khi các electron trong chất bán dẫn nhảy giữa các dải năng lượng thấp và cao. Việc thiếu khoảng trống tự nhiên này cản trở khả năng bán dẫn của graphene, khiến nó ít phù hợp hơn với các thiết bị điện tử.

Vượt qua thách thức này mà không làm mất đi các đặc tính nội tại của graphene là một bước quan trọng hướng tới ứng dụng thực tế của nó trong điện tử, Ma Lei nói với trang China Business Network.

“Lý do nghiên cứu của chúng tôi được đánh giá cao là vì thực sự có thể làm cho thiết bị điện tử graphene trở nên thực tế trong tương lai và loại bỏ trở ngại lớn nhất”, ông nhấn mạnh.

Phương pháp mới tạo ra một lớp đặc biệt trên graphene tạo khoảng trống cần thiết cho các electron và giúp chúng chuyển động rất nhanh, hơn nhiều so với silicon và các vật liệu tương tự.

Đây là bước tiến lớn trong việc sử dụng graphene trong các thiết bị điện tử, mang lại cho nó những đặc tính phù hợp để hoạt động tốt như chất bán dẫn.

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

Quá trình này bắt đầu bằng việc nung nóng chất nền cacbua silic trong lò nung và sau đó duy trì nó ở các nhiệt độ khác nhau trong khoảng thời gian cụ thể. Điều này dẫn đến sự hình thành các bề mặt phẳng, nhẵn, lý tưởng để thêm một lớp được gọi là epigraphene. Lớp này rất quan trọng vì tạo ra một khoảng trống điện tử cần thiết, làm cho graphene phù hợp với các thiết bị điện tử. Lớp đó cũng đảm bảo rằng graphene bền và dễ gia công, mang lại triển vọng cho ứng dụng thương mại rộng rãi của graphene trong các thiết bị điện tử.

“

Cacbua silic là vật liệu mài mòn có độ cứng cao cũng như dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, nên thường được sử dụng vào sản xuất công nghiệp.

“Graphene không chỉ mở ra những hướng đi mới cho các thiết bị điện tử hiệu suất cao vượt qua công nghệ dựa trên silicon truyền thống mà còn đưa năng lượng mới vào ngành công nghiệp bán dẫn. Sự xuất hiện của chất bán dẫn graphene là kịp thời, báo trước một sự chuyển đổi cơ bản trong lĩnh vực điện tử. Sự đổi mới này đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ tính toán cao hơn và các thiết bị điện tử tích hợp nhỏ gọn hơn”, theo báo cáo trên trang web của Đại học Thiên Tân.

Về ứng dụng thực tế của chất bán dẫn graphene, Ma Lei cho biết vật liệu này có thể cạnh tranh về mặt chi phí so với các vật liệu bán dẫn hiện có trên thị trường, đồng thời mang lại hiệu suất vượt trội.

Tuy nhiên, cuộc hành trình có thể sẽ còn dài. Ma Lei ước tính rằng có thể phải mất từ 10 đến 15 năm nữa để hiện thực hóa đầy đủ việc sản xuất và triển khai chất bán dẫn graphene trong ngành.

Dùng graphene tạo ra nước uống

Nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Khalifa (UAE) gần đây khám phá một ứng dụng khác của graphene là tạo nước uống. Giáo sư Hassan Arafat thuộc Trung tâm nghiên cứu và sáng tạo Vật liệu graphene và 2D cho biết: “Tại UAE, tất cả nước uống đều là nước khử mặn, vì vậy đây là lĩnh vực vô cùng quan trọng với nền kinh tế”.

Khử mặn là quá trình loại bỏ muối khỏi nước biển và làm sạch chúng để có thể uống được. Công nghệ này không chỉ quan trọng ở UAE, biến đổi khí hậu cùng ô nhiễm ngày càng trầm trọng đang đe dọa đến nguồn cung nước ngọt vốn hạn chế trên toàn cầu. Thế nhưng, khử mặn đắt đỏ và tiêu tốn nhiều năng lượng. Nghiên cứu của Đại học Khalifa có thể đem lại thay đổi khi Hassan Arafat cùng đồng nghiệp nghiên cứu một loại màng tăng cường graphene giúp quá trình loại bỏ muối khỏi nước biển hiệu quả hơn mà chi phí lại rẻ hơn.

Hassan Arafat giải thích graphene có thể kéo dài tuổi thọ màng lọc bằng cách ngăn ngừa hiện tượng vi khuẩn tích tụ làm giảm hiệu quả, qua đó giảm mức sử dụng năng lượng khiến chi phí không tăng lên.

“Ngay cả chỉ với lượng nhỏ, graphene vẫn cải thiện được hiệu suất tạo nước”, Hassan Arafat nói. Màng đang ở giai đoạn phát triển nhưng sẽ được sản xuất tại Đại học Manchester (Anh) vào năm tới, sau đó đưa đến một nhà máy khử mặn thử nghiệm.

Nhóm nghiên cứu Đại học Khalifa không phải đơn vị duy nhất xem graphene như giải pháp khử mặn tiềm năng, mà các công ty khởi nghiệp chẳng hạn như Watercycle Technologies hiện cũng phát triển loại màng tương tự để loại bỏ một số khoáng chất cụ thể trong nước.

Với đặc tính độ dẫn điện cao, độ bền và tính nhẹ, graphene đã thu hút sự chú ý lớn từ cộng đồng nghiên cứu và công nghiệp.

Graphene có khả năng dẫn điện tốt, đàn hồi và cực kỳ mỏng, chỉ một lớp nguyên tử. Nó cũng có các đặc tính quan trọng khác như độ cứng, độ bền cơ học và khả năng truyền nhiệt độ tốt. Điều này làm cho graphene trở thành một ứng cử viên xuất sắc cho nhiều ứng dụng, bao gồm điện tử, vật liệu siêu mỏng và năng lượng.

Dù graphene mang lại nhiều tiềm năng đáng kể, nhưng cũng có thách thức trong việc sản xuất lớn và tích hợp nó vào ứng dụng công nghiệp do các phương pháp sản xuất và chi phí đang là những vấn đề đang được nghiên cứu và giải quyết.

Sản xuất graphene quy mô lớn rất khó khăn và tốn kém. Phương thức sản xuất phổ biến là loại bỏ từng lớp graphene đơn lẻ ra khỏi graphite. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu Đại học Khalifa muốn tìm cách cắt giảm chi phí lẫn thời gian mà không ảnh hưởng đến chất lượng vật liệu thu được.

Còn một phương thức sản xuất nữa là dùng plasma hóa học tách carbon từ các loại khí như methane (sản phẩm phụ của ngành dầu khí).

Là một trong số quốc gia sản xuất dầu mỏ hàng đầu thế giới nhưng UAE mong muốn đa dạng hóa nền kinh tế và hướng tới mục tiêu không phát thải vào năm 2050. Graphene có thể giúp họ đạt hai tham vọng này, Trung tâm nghiên cứu và sáng tạo Vật liệu graphene và 2D đang hợp tác với công ty Levidian (Anh) phát triển quy trình plasma hóa học riêng.

Giáo sư James Baker (Đại học Manchester) nói bất cứ vật liệu gốc carbon nào, gồm cả chất thải ngành dầu khí lẫn sản phẩm từ dầu mỏ như lốp xe, đều có thể được sử dụng để sản xuất graphene bằng phương pháp hóa học. Hơn nữa, sản xuất graphene từ methane còn đem lại hydro nhiên liệu.