Ống nano bán dẫn nhỏ nhất thế giới được chế tạo với đường kính chỉ 1 nanomet

Một nhóm nghiên cứu do Đại học Tokyo dẫn đầu đã chế tạo thành công ống nano bán dẫn nhỏ nhất thế giới, theo nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Science.

Bằng cách sử dụng các ống nano boron nitride (BN) làm khuôn, các nhà khoa học đã tổng hợp thành công các ống nano molybdenum disulfide (MoS₂) đơn lớp có đường kính chỉ 1 nanomet, tương đương khoảng một phần một trăm nghìn bề rộng của sợi tóc người.

Thành tựu này không chỉ xác nhận những dự đoán lý thuyết về đặc tính điện tử của các vật liệu siêu mỏng được đưa ra từ nhiều thập kỷ trước, mà còn mở ra những hướng đi mới cho việc phát triển các thiết bị điện tử thu nhỏ thế hệ tiếp theo.

Trong nhiều năm qua, ống nano carbon đã thu hút sự quan tâm nhờ các đặc tính cơ học và điện vượt trội. Tuy nhiên, chỉ một thay đổi rất nhỏ trong cấu trúc nguyên tử cũng có thể làm thay đổi đáng kể khả năng dẫn điện của chúng, gây ra nhiều thách thức khi ứng dụng vào transistor. Trong khi đó, MoS₂ là vật liệu bán dẫn nội tại với tiềm năng lớn cho ngành điện tử bán dẫn, cảm biến siêu nhạy và nghiên cứu vật lý ở quy mô lượng tử. Tuy nhiên, việc chế tạo các ống nano MoS₂ siêu mỏng với cấu trúc được kiểm soát chính xác vẫn là một thách thức lớn do độ ổn định giảm mạnh khi đường kính ống ngày càng nhỏ.

Để vượt qua những hạn chế này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện phản ứng hóa học bên trong không gian giới hạn của các ống nano BN, tạo ra các ống nano MoS₂ đơn lớp có cấu trúc nguyên tử được kiểm soát chặt chẽ và đường kính chỉ 1 nanomet. Theo nhóm nghiên cứu, không gian hạn chế bên trong các ống nano BN cho phép hình thành những ống nano MoS₂ siêu nhỏ vốn rất khó tạo ra bằng các phương pháp thông thường, đồng thời thúc đẩy sự sắp xếp nguyên tử có trật tự và tính đồng nhất cấu trúc cao.

Nghiên cứu cũng cho thấy vùng cấm năng lượng (bandgap) của các ống nano giảm khi đường kính của chúng nhỏ hơn, qua đó xác nhận một dự đoán lý thuyết đã được đưa ra từ 25 năm trước.

Các kỹ thuật chế tạo ống nano truyền thống chủ yếu tạo ra các ống nano đa lớp với đường kính lớn hơn 10 nanomet, trong khi việc kiểm soát chính xác cấu trúc nguyên tử vẫn rất khó khăn. Ở quy mô nano, ngay cả những thay đổi cực nhỏ trong cấu trúc cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng vật liệu, khiến việc kiểm soát cấu trúc ở cấp độ nguyên tử trở thành yếu tố then chốt cho các thiết bị tương lai.

Các công nghệ bán dẫn hiện nay cũng đang đối mặt với thách thức ngày càng lớn trong việc duy trì độ hoàn hảo của cấu trúc khi kích thước transistor tiếp tục thu nhỏ, khiến các khuyết tật có tác động ngày càng lớn đến hiệu năng. Ống nano carbon cũng gặp phải những vấn đề tương tự. Các nhà nghiên cứu tin rằng ống nano MoS₂ có thể mang lại lợi thế về khả năng kiểm soát kích thước và tính đồng nhất ở cấp độ nguyên tử, từ đó mở ra một hướng tiếp cận mới để phát triển các kênh bán dẫn siêu nhỏ.

Dù vậy, việc thương mại hóa công nghệ này vẫn cần thêm thời gian. Các ống nano được tạo ra trong nghiên cứu hiện chỉ dài vài trăm nanomet. Mục tiêu tiếp theo của nhóm nghiên cứu là kéo dài chúng lên khoảng 1 micromet (1.000 nanomet), đồng thời nghiên cứu khả năng chế tạo các vật liệu ống nano vô cơ khác bằng cùng phương pháp này, bao gồm cả vật liệu từ tính và vật liệu siêu dẫn.