Cách tạo dây nano chỉ rộng ba nguyên tử bằng chùm electron

Junhao Lin, Tiến sĩ Đại học Vanderbilt. sinh viên và nhà khoa học đến thăm tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL), đã tìm ra cách sử dụng chùm electron tập trung tinh vi để tạo ra một số dây nhỏ nhất từng được chế tạo. Các dây kim loại dẻo chỉ có chiều rộng bằng ba nguyên tử: Chiều rộng bằng một phần nghìn chiều rộng của các dây cực nhỏ được sử dụng để kết nối các bóng bán dẫn trong các mạch tích hợp ngày nay.

Thành tích của Lin được mô tả trong bài viết đăng trực tuyến ngày 28/4 của tạp chí Công nghệ nano tự nhiên. Theo cố vấn của ông, Sokrates Pantelides, Giáo sư Vật lý và Kỹ thuật xuất sắc tại Đại học Vanderbilt, và các cộng tác viên của ông tại ORNL, kỹ thuật này thể hiện một cách mới thú vị để điều khiển vật chất ở cấp độ nano và sẽ thúc đẩy nỗ lực tạo ra các mạch điện tử từ đơn lớp nguyên tử, hệ số dạng mỏng nhất có thể có của vật thể rắn.

Pantelides nói: “Junhao đã nhận dự án này và thực sự thành công.

Lin đã tạo ra những sợi dây nhỏ xíu từ một họ vật liệu bán dẫn đặc biệt tạo thành các lớp đơn một cách tự nhiên. Những vật liệu này, được gọi là dichalcogenides kim loại chuyển tiếp (TMDC), được tạo ra bằng cách kết hợp các kim loại molypden hoặc vonfram với lưu huỳnh hoặc selen. Thành viên nổi tiếng nhất của họ là molypden disulfide, một loại khoáng chất phổ biến được sử dụng làm chất bôi trơn rắn.

Ngày nay, các lớp đơn nguyên tử là đối tượng được khoa học quan tâm đáng kể vì chúng có xu hướng có một số đặc tính vượt trội, chẳng hạn như độ bền và tính linh hoạt đặc biệt, độ trong suốt và độ linh động của điện tử cao. Mối quan tâm này được khơi dậy vào năm 2004 nhờ việc khám phá ra một phương pháp dễ dàng để tạo ra graphene, một mạng lưới tổ ong cỡ nguyên tử gồm các nguyên tử carbon đã thể hiện một số tính chất phá kỷ lục, bao gồm độ bền, điện và dẫn nhiệt. Bất chấp những đặc tính vượt trội của graphene, các chuyên gia vẫn gặp khó khăn khi chuyển đổi chúng thành các thiết bị hữu ích, một quá trình mà các nhà khoa học vật liệu gọi là chức năng hóa. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng các vật liệu đơn lớp khác như TMDC.

Các nhóm nghiên cứu khác đã tạo ra các bóng bán dẫn hoạt động và cổng bộ nhớ flash từ vật liệu TMDC. Vì vậy, việc khám phá ra cách chế tạo dây dẫn cung cấp phương tiện để kết nối các phần tử cơ bản này. Bên cạnh các bóng bán dẫn, hệ thống dây điện là một trong những phần quan trọng nhất của mạch tích hợp. Mặc dù ngày nay mạch tích hợp (chip) có kích thước bằng hình thu nhỏ, chúng chứa hơn 20 dặm dây đồng.

Lin cho biết: “Điều này có thể sẽ kích thích sự quan tâm nghiên cứu rất lớn đối với thiết kế mạch đơn lớp”. “Bởi vì kỹ thuật này sử dụng sự chiếu xạ điện tử nên về nguyên tắc nó có thể áp dụng cho bất kỳ loại thiết bị dựa trên điện tử nào, chẳng hạn như quang khắc chùm tia điện tử.”

Một trong những đặc tính hấp dẫn của mạch đơn lớp là độ bền và tính linh hoạt của nó. Còn quá sớm để dự đoán những loại ứng dụng nào nó sẽ tạo ra, nhưng “Nếu bạn để trí tưởng tượng của mình bay bổng, bạn có thể hình dung ra máy tính bảng và màn hình tivi mỏng như một tờ giấy mà bạn có thể cuộn lại và nhét vào túi hoặc ví,” Pantelides nhận xét.

Ngoài ra, Lin hình dung rằng kỹ thuật mới có thể tạo ra các mạch ba chiều bằng cách xếp chồng các lớp đơn lớp “như các khối Lego” và sử dụng chùm tia điện tử để chế tạo các dây kết nối các lớp xếp chồng lên nhau.

Việc chế tạo dây nano được thực hiện tại ORNL trong nhóm kính hiển vi do Stephen J. Pennycook đứng đầu cho đến gần đây, như một phần của sự hợp tác Vanderbilt-ORNL đang diễn ra, kết hợp kính hiển vi và lý thuyết để nghiên cứu các hệ vật liệu phức tạp. Junhao là một nghiên cứu sinh theo đuổi cả lý thuyết và kính hiển vi điện tử trong nghiên cứu tiến sĩ của mình. Người hướng dẫn kính hiển vi chính của ông là đồng nghiệp của ORNL Wigner, Wu Zhou.

“Junhao đã sử dụng máy quét kính hiển vi điện tử truyền qua (STEM) có khả năng tập trung một chùm electron xuống độ rộng nửa angstrom (khoảng một nửa kích thước của một nguyên tử) và nhắm vào chùm tia này với độ chính xác tuyệt vời”, Chu nói.