MỸ – Tại Đại học Rice (Rice university), một vật lưu niệm đặc trưng trong phòng thí nghiệm đã góp phần hoàn thiện phương pháp nuôi cấy bề mặt kim cương theo cấu trúc định sẵn. Kỹ thuật này có thể giúp giảm nhiệt độ vận hành của các thiết bị điện tử xuống thêm 23°C.

Cấu trúc vi mô của kim cương được nuôi cấy có chọn lọc theo hình dạng chim cú

Quản lý nhiệt là một trong những thách thức lớn nhất đối với các công nghệ công suất cao ngày nay, từ các bóng bán dẫn gallium nitride (GaN) dùng trong radar và thiết bị mạng 5G, cho đến các bộ vi xử lý vận hành hạ tầng trung tâm dữ liệu được hỗ trợ bởi công nghệ trí tuệ nhân tạo. Kim cương vượt xa hầu hết các vật liệu khác về khả năng dẫn nhiệt, nhưng độ cứng đặc thù khiến loại vật liệu này rất khó gia công. Bên cạnh đó, việc nuôi cấy kim cương dưới các hình thái phù hợp để ứng dụng vào công nghệ cũng là một vấn đề phức tạp.

Ông Xiang Zhang, Trợ lý giáo sư nghiên cứu về khoa học vật liệu và kỹ thuật nano tại đại học Rice, đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Applied Physics Letters, chia sẻ: “Trong thế giới điện tử, nhiệt độ là rào cản lớn nhất đối với hiệu năng của hệ thống. Việc giảm được 23°C là một bước tiến quan trọng, nó có thể kéo dài tuổi thọ của thiết bị và cho phép hệ thống vận hành ở tốc độ cao hơn mà không bị quá nhiệt.”

Ông Zhang nói rằng: “Hầu hết các phương pháp tạo hình kim cương trước đây đều sử dụng phương pháp “top-down”, bằng cách nuôi cấy một khối kim cương, sau đó dùng phương pháp khắc (với dụng cụ cơ học/ tia laser) hoặc làm mòn (etch) (*). Bởi vì kim cương rất cứng và có khả năng kháng hóa chất, quy trình khắc rất phức tạp, mất nhiều thời gian và có thể làm hỏng vật liệu.”
(*) Etch: là phương pháp “ăn mòn” bằng hóa chất mạnh hoặc các luồng ion (plasma) để làm mòn bề mặt của vật liệu.

Ngược lại, phương pháp “bottom-up” thực hiện việc tạo các cấu trúc kim cương ngay trong quá trình nuôi cấy, xây dựng vật liệu theo đúng nghĩa đen từ dưới đi lên. Trong trường hợp này, ông Zhang và các đồng nghiệp trong nhóm nghiên cứu của ông Pulickel Ajayan, Giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật nano, đã sử dụng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (microwave plasma chemical vapour deposition – MPCVD).

Ông Zhang nói tiếp: “Phương pháp này bao gồm một lò phản ứng sử dụng năng lượng vi sóng, tương tự như thiết bị trong bếp nhưng mạnh hơn rất nhiều, kích thích các phân tử khí và biến chúng thành trạng thái plasma (trạng thái thứ tư của vật chất). Chất khí trạng thái plasma này phân tách các loại khí giàu carbon được trộn với hydro, sau đó các nguyên tử carbon sẽ rơi xuống và lắng đọng lên bề mặt đế.”

Nuôi cấy biểu tượng chim cú Rice (Rice Owl) bằng kim cương: tạo cấu trúc từ dưới lên không cần dùng công cụ cắt gọt

Quá trình mà đám mây các nguyên tử carbon đã được phân tách tự tập hợp lại thành một lớp tinh thể kim cương có trật tự trên một bề mặt đế nhất định được gọi là sự tạo mầm (nucleation).

Ông Zhang chia sẻ: “Sự tạo mầm giống như việc gieo hạt. Các tinh thể kim cương không tự nhiên xuất hiện từ hư không. Chúng cần một điểm bắt đầu để bám vào. Việc tạo mầm đơn giản là quá trình cung cấp vị trí bám trụ ban đầu đó để các tinh thể có thể bắt đầu phát triển.”

Để kiểm soát vị trí đặt “hạt giống”, nhóm nghiên cứu đã sử dụng hai kỹ thuật. Đối với các cấu trúc nhỏ và chi tiết, họ dựa vào quang khắc (photolithography), một phương pháp tiêu chuẩn trong vi điện tử bao gồm việc phủ lên các phiến đế một lớp vật liệu nhạy sáng, chiếu sáng một phần để cố định lớp phủ, sau đó rửa trôi mọi vật liệu chưa đông cứng còn sót lại.

Ông Zhang nói rằng: “Cũng giống như khi sử dụng ánh sáng để tạo ra một khuôn mẫu (stencil) chính xác. Những gì còn lại là một chiếc khuôn cho các hạt giống kim cương. Vì vậy, sau khi các phiến đế được chuẩn bị xong, một lớp chất lỏng chứa các hạt kim cương nano được trải lên bề mặt. Những đốm nhỏ này đóng vai trò là mầm mống kích hoạt cho sự tăng trưởng của kim cương.”

Đối với các phiến đế (wafer) có kích thước lớn hơn, quy trình này cần một phương pháp tiếp cận khác. Đầu tiên, một lớp màng thương mại được ép lên bề mặt phiến đế, sau đó tia laser sẽ cắt các họa tiết mong muốn lên lớp màng này. Những phần không cần thiết được bóc tách ra, và các hạt giống kim cương được phủ lên toàn bộ bề mặt. Sau khi phần màng còn lại được gỡ bỏ, kết quả thu được là một khuôn mẫu sạch sẽ và định hình sẵn cho sự phát triển của kim cương mà không cần sử dụng hóa chất độc hại hay các quy trình xử lý phức tạp.

Ông Zhang nói tiếp: “Phương pháp này cho phép mở rộng quy mô lên toàn bộ phiến đế kích thước 50,8 mm”.

Các phiến đế đã được “gieo mầm” sau đó được đưa vào lò phản ứng plasma vi sóng và được “tắm” trong các nguyên tử carbon; những nguyên tử này lắng đọng lên các “hạt giống”, xây dựng lớp kim cương rắn chắc theo mỗi tầng.

Phương pháp mới này cho phép các nhà nghiên cứu không chỉ kiểm soát vị trí kim cương phát triển mà còn cả cách thức chúng phát triển. Bằng cách điều chỉnh mật độ gieo hạt, họ có thể tác động đến kích thước và cấu trúc tinh thể trong cùng một họa tiết đơn lẻ. Để chứng minh tính khả thi, nghiên cứu đã thử nghiệm trên các bề mặt đế silicon và gallium nitride, nhưng phương pháp này cũng có thể được áp dụng cho các lớp nền khác.

Giáo sư Ajayan chia sẻ: “Điểm mấu chốt là nhóm nghiên cứu đã tìm ra một phương pháp hiệu quả và có khả năng mở rộng quy mô để tích hợp khả năng làm mát bằng kim cương vào các thiết bị điện tử. Điều này rất quan trọng vì nhiệt độ chính là yếu tố giới hạn thời lượng pin điện thoại và tốc độ máy tính. Bằng cách sử dụng kim cương để làm mát các thiết bị này hiệu quả hơn, có thể mở đường cho những công nghệ nhanh hơn, đáng tin cậy hơn và bền bỉ hơn.”

Ý tưởng nuôi cấy kim cương thành các hình thù phức tạp, bao gồm hình chim cú, linh vật của trường, bắt nguồn từ mong muốn tạo ra món quà lưu niệm đặc biệt dành tặng các vị khách quý

Ông Zhang nói rằng: “Nghiên cứu này chứng minh khả năng nuôi cấy kim cương có chọn lọc trên quy mô phiến đế (wafer), tương thích với việc tích hợp đa vật liệu, cho phép quản lý nhiệt hiệu suất cao ở các mức nhiệt độ và cấu trúc sơ đồ phù hợp với thiết bị thực tế”.

Ông Zhang nói thêm rằng ý tưởng nuôi cấy kim cương thành các hình dạng tinh xảo, bao gồm hình chim cú và linh vật của trường, bắt nguồn từ mong muốn tạo ra một vật kỷ niệm đặc biệt dành cho các khách mời danh dự. Ông đã thử nghiệm nhiều phương pháp khác nhau trong một thời gian ngắn trước khi hoàn thiện kỹ thuật cụ thể này để nuôi cấy kim cương trên quy mô lớn.

Ông Zhang chia sẻ: “Ban đầu, nhóm nghiên cứu xem các họa tiết này, như hình chim cú bằng kim cương, thiên về các tác phẩm nghệ thuật khoa học hoặc vật trang trí hơn là các thành phần thiết bị chức năng. Giờ đây, nhóm nghiên cứu đã chuyển đổi những kỹ thuật mang tính nghệ thuật này thành một ứng dụng thực tế để quản lý nhiệt cho các thiết bị điện tử. Thật vinh hạnh khi được làm cầu nối cho sự giao thoa giữa sáng tạo nghệ thuật và khoa học.”

Các bước tiếp theo sẽ bao gồm việc hoàn thiện bề mặt tiếp xúc giữa kim cương và các vật liệu khác để thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị bán dẫn công suất cao thế hệ mới, như các bóng bán dẫn có độ linh động điện tử cao (HEMT – high-electron-mobility transistor) (*).
(*) HEMT: là một loại bóng bán dẫn dị cấu trúc (heterostructure) sử dụng tiếp giáp giữa hai vật liệu có dải năng lượng (bandgap) khác nhau làm kênh dẫn.

Để xem các tin bài khác về “Nuôi cấy kim cương”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online

Lưu ý: 

Để xem và khai thác hiệu quả nội dung của video clip nói trên (từ YouTube/ một dịch vụ của Google), Quý vị có thể thực hiện các bước sau:
1. Nếu tốc độ internet nhanh, có thể mở chế độ xem toàn màn hình bằng cách nhấn vào khung [ ] tại góc phải (phía dưới góc phải của video)
2. Chọn chế độ hình ảnh tốt nhất của đoạn video, hãy click vào hình bánh xe răng cưa và chọn chất lượng cao hơn (hoặc HD) theo ý muốn
3. Để hiển thị nội dung phụ đề, nhấn vào nút biểu tượng phụ đề [cc]. Một số video không có chức năng này sẽ không có biểu tượng phụ đề.
4. Quý vị có thể nghe hiểu tiếng Anh và có nhu cầu chia sẻ thông tin đến cộng đồng, hãy hỗ trợ techMAG biên dịch nội dung video và gửi cho chúng tôi để có cơ hội đăng thông tin lên technologyMag.net