HOA KỲ – Các thiết bị vi điện tử thường phụ thuộc vào những màng siêu mỏng, có độ dày dưới 10 nm (nanomet), có khả năng chuyển từ trạng thái cách điện sang dẫn điện khi được đặt một điện áp nhỏ. Tuy nhiên, để hoạt động đúng trong thiết bị, những màng này cần được tạo trên một lớp đế ở thể rắn.

Các nhà khoa học tại cơ sở nghiên cứu APS, từ trái sang phải, Zahir Islam, Elliot Kisiel và Zhan Zhang đang làm việc tại hệ thống tuyến chùm tia 6-ID-B của APS. Nguồn ảnh: Mark Lopez/ phòng thí nghiệm quốc gia Argonne.

Một nghiên cứu tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne (Argonne National Laboratory) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE – U.S. Department of Energy’s) cùng các đối tác cho thấy, trong những hệ thống này, lớp nền không chỉ là một nền đỡ thụ động để chế tạo thiết bị. Khi nghiên cứu các màng vanadi dioxide (1) được tạo trên sapphire (2), nhóm phát hiện rằng khi màng chuyển từ trạng thái cách điện sang dẫn điện, nó gây biến dạng mạng tinh thể của đế sapphire nằm bên dưới. Tiếp đến, biến dạng trong sapphire tác động ngược trở lại màng, làm thay đổi đặc tính hoạt động của màng.
(1) Vanadi dioxide (VO₂): là hợp chất gồm vanadi và oxy, có khả năng chuyển từ trạng thái cách điện sang dẫn điện khi chịu tác động thích hợp, như thay đổi nhiệt độ hoặc đặt điện áp. Đặc tính này giúp vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị chuyển mạch và điện toán mô phỏng thần kinh.
(2) Sapphire: là dạng tinh thể của oxit nhôm (Al₂O₃), có độ cứng cao, cách điện tốt và chịu nhiệt tốt. Trong nghiên cứu này, sapphire được dùng làm đế để tạo màng VO₂, đồng thời tương tác cơ học với màng, qua đó ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị.

Phát hiện này trái ngược với một giả định phổ biến trong lĩnh vực vi điện tử: bề mặt mà màng được tạo ở phía trên, được gọi là đế, chỉ cung cấp một nền tảng ổn định để chế tạo màng mỏng mà không tham gia vào hoạt động của thiết bị.

Nhà vật lý Zahir Islam tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết: “Đây là một quan sát có khả năng làm thay đổi cơ bản cách nhìn nhận hiện nay. Không thể đơn giản cho rằng đế không liên quan đến các tính chất hay đặc tính hoạt động của thiết bị. Khi hoạt động, thiết bị có thể tác động đến đế, và điều ngạc nhiên là tác động đó có thể lan truyền sâu vào đế hơn so với dự đoán.”

Nhóm nghiên cứu khảo sát vanadi dioxide, một vật liệu đầy triển vọng cho điện toán lấy ý tưởng từ não bộ, được sử dụng trong một linh kiện gọi là “điện trở nhớ” (memristor) và đã được nghiên cứu trong nhiều thập niên. Linh kiện này hoạt động tương tự tế bào thần kinh. Một tế bào thần kinh có thể bỏ qua một tín hiệu yếu khi tín hiệu đó đến lần đầu, có thể cả lần thứ hai, nhưng nó “ghi nhớ” những tín hiệu đầu vào trước đó. Khi các tín hiệu tiếp tục xuất hiện, ngay cả khi chúng yếu hơn, tế bào thần kinh cuối cùng sẽ phản ứng. Tương tự, điện trở nhớ ghi nhớ các xung điện trước đó. Bằng cách kết hợp khả năng ghi nhớ và đáp ứng trong cùng một linh kiện, điện trở nhớ có thể mô phỏng một số đặc điểm của quá trình xử lý thần kinh và tiêu thụ rất ít năng lượng.

Trong thiết bị được khảo sát ở nghiên cứu này, việc đặt điện áp kích hoạt quá trình chuyển đổi cục bộ từ trạng thái cách điện sang dẫn điện, tạo ra một vùng dẫn điện hẹp (có dạng sợi) bên trong lớp màng vốn ở trạng thái cách điện ở những vùng còn lại. Do thiết bị lưu giữ ký ức về lần kích hoạt trước đó, các lần chuyển trạng thái tiếp theo có thể xảy ra ở điện áp thấp hơn, một đặc điểm khiến điện trở nhớ này trở nên hấp dẫn đối với điện toán lấy ý tưởng từ não bộ, hay điện toán mô phỏng thần kinh.

Để khảo sát những gì xảy ra trong quá trình chuyển trạng thái này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng cơ sở nghiên cứu APS (advanced photon source) (*), thuộc phòng khoa học của bộ DOE, đặt tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne. Đối với các tuyến chùm tia 6-ID-C và 33-ID-D, họ sử dụng kỹ thuật hiển vi tia X trường tối (dark-field X-ray microscopy), một kỹ thuật tạo ảnh tiên tiến, để quan sát những thay đổi cấu trúc trên toàn bộ thiết bị, bao gồm những vùng sâu bên dưới lớp bề mặt.
(*) Advanced photon source: là cơ sở nghiên cứu tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Hoa Kỳ, sử dụng máy gia tốc electron để tạo ra các chùm tia X có độ sáng cao. Những chùm tia này giúp các nhà khoa học khảo sát cấu trúc và tính chất của vật liệu ở kích thước vi mô, đồng thời quan sát những thay đổi diễn ra bên trong mẫu khi thiết bị hoạt động.

Hình minh họa cho thấy việc đặt điện áp 7 volt đã kích hoạt sự hình thành một vùng hẹp (có dạng sợi) dẫn điện trong màng mỏng, làm biến dạng lan truyền sâu vào đế sapphire. Nguồn ảnh: phòng thí nghiệm quốc gia Argonne.

Ông Elliot Kisiel, nghiên cứu viên thuộc chương trình Maria Goeppert Mayer tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne và là một trong những tác giả chính, cho biết: “Khi lần đầu nhìn thấy phản ứng bất ngờ trong đế sapphire, nhóm nghĩ đó có thể là một hiện tượng giả do quá trình đo. Do kết quả quá bất ngờ, nhóm đã kiểm tra nhiều lần trên nhiều thiết bị, mẫu, độ dày màng và các loại đế khác nhau. Hiệu ứng này vẫn được xác nhận.”

Tại cơ sở nghiên cứu APS, nhóm quan sát thấy chiều rộng của sợi dẫn điện tăng lên khi điện áp tăng và tạo ra biến dạng không đồng đều trong sapphire phía bên dưới. Biến dạng lan sâu hàng chục micromet vào sapphire (sâu gấp hàng nghìn lần độ dày của lớp màng) và lớn hơn so với mức có thể dự đoán nếu chỉ xét riêng tác động của sự gia nhiệt.

Ông Kisiel nói rẳng: “Độ sâu đó thực sự gây bất ngờ. Một sự kiện xảy ra trong phạm vi rất hẹp ở màng có kích thước nano có thể gây ra những thay đổi cấu trúc sâu bên trong một đế cứng. Điều này cho thấy liên kết cơ học giữa thiết bị và đế có phạm vi tác động xa.”

Công trình cũng làm nổi bật năng lực của cơ sở nghiên cứu APS. Mặc dù một số quan sát ban đầu được thực hiện trước khi cơ sở này tạm ngừng hoạt động để nâng cấp, độ chói của chùm tia được cải thiện cùng cường độ tia cao hơn tại mẫu đã cho phép nhóm nghiên cứu khảo sát nhiều thiết bị hơn với hiệu suất và độ nhạy cao hơn.

Nhà vật lý Zahir Islam cho biết: “Các chùm tia X có độ chói cao được tạo ra tại cơ sở APS đã thực sự phát huy vai trò, giúp nhóm hoàn thành công trình này. Nhóm có thể nghiên cứu nhiều thiết bị hơn trong thời gian sử dụng chùm tia ngắn hơn, đồng thời thu được thông tin cấu trúc phong phú với độ trung thực cao.”

Kỹ thuật hiển vi tia X trường tối giữ vai trò trung tâm trong quá trình đó. Khác với những kỹ thuật chỉ khảo sát bề mặt hoặc yêu cầu quá trình chuẩn bị mẫu có tính phá hủy, kỹ thuật này có thể đồng thời khảo sát các mặt tiếp giáp giữa màng và đế, cũng như phần thể tích đế bên dưới.

Những phát hiện này có ý nghĩa vượt ra ngoài phạm vi màng mỏng vanadi dioxide. Khi các thiết bị điện tử tiếp tục thu nhỏ và được bố trí với mật độ cao hơn, các tương tác thông qua đế có thể trở thành một vấn đề cần khắc phục hoặc một đặc tính mới để khai thác. Chẳng hạn, hoạt động của một thiết bị có thể tác động về mặt cơ học đến các thiết bị lân cận thông qua đế dùng chung. Khi đó, có thể áp dụng các giải pháp kỹ thuật để tăng cường hoặc hạn chế hiệu ứng liên kết này.

Khả năng đó đặc biệt phù hợp với điện toán mô phỏng thần kinh. Các thiết bị màng mỏng ngày nay chỉ dày ở cấp độ nguyên tử, trong khi não bộ hoạt động như một mạng lưới ba chiều với các kết nối dày đặc. Việc hiểu và kiểm soát tương tác giữa màng và đế cuối cùng có thể mở ra những cách thức mới để tạo ra các kiến trúc điện toán phức tạp hơn.

Để xem các tin bài khác về “Điện trở nhớ”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online