Giáo sư gốc Trung Quốc tìm ra vật liệu chất bán dẫn tốt hơn silicon

Giáo sư người Mỹ gốc Trung Quốc Gang Chen cùng các đồng nghiệp tuyên bố phát hiện chất bán dẫn tốt nhất thế giới. Vật liệu được gọi là boron arsenide dạng khối (cubic boron arsenide), có thể dẫn nhiệt tốt hơn gấp 10 lần so với silicon thông thường.

Boron arsenide dạng khối là tương lai của chất bán dẫn

Tháng 7/2022, các nhà khoa học từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), Đại học Houston và các tổ chức khác đã công bố bài báo chứng minh một vật liệu gọi là boron khối arsenide dẫn nhiệt và điện tốt hơn nhiều so với silicon. Theo MIT, phát hiện này có thể mở ra con đường ngắn nhất và nhanh nhất để có được chip.

Trong số các nhà khoa học phát minh ra thành tích này có Gang Chen, một giáo sư kỹ thuật cơ khí của MIT. Giáo sư Chen là người có chuyên môn về công nghệ nano, truyền nhiệt và chuyển đổi năng lượng. Ông đã đưa ra những dự đoán lý thuyết về các đặc tính điện tử độc đáo của boron arsenide dạng khối vào năm 2018.

Nhóm nghiên cứu, bao gồm phó tiến sĩ Jungwoo Shin của MIT và giáo sư Zhifeng Ren của Đại học Houston, đã phát hiện ra rằng độ dẫn nhiệt của boron khối arsenide "lớn hơn gần 10 lần so với silicon", có thể là một "yếu tố thay đổi cuộc chơi". Mặc dù vật liệu mới có vẻ là một chất bán dẫn lý tưởng, giáo sư Chen cho biết vẫn cần phải kiểm tra các tính chất khác của boron arsenide dạng khối, bao gồm cả tính ổn định lâu dài. Nhóm cũng hy vọng sẽ tìm ra cách sản xuất và tinh chế để một ngày nào đó vật liệu mới có thể thay thế silicon trong các ứng dụng công nghiệp.

Boron arsenide dạng khối là một hợp chất hóa học được kết hợp từ nguyên tố hóa học boron và arsenide. Hợp chất này có cơ chế thích hợp và tối ưu cho các lỗ trống điện từ và electron để chúng có thể thay phiên nhau đổi chỗ nhanh hơn, dẫn đến tăng độ linh động điện cao hơn so với silicon thông thường. Kết hợp cùng với độ nhạy nhiệt thấp, đây được hứa hẹn là một siêu vật liệu cho ngành chip trong tương lai.

Thách thức chờ đón boron arsenide

Mặc dù boron arsenide khối được coi như một vật liệu chất bán dẫn lý tưởng, nhưng vẫn chưa ai biết chắc liệu nó có phải là sự thay thế lâu dài cho silicon hay không, đặc biệt trong bối cảnh các nhà nghiên cứu vẫn chưa tìm ra cách để sản xuất số lượng lớn boron arsenide. Gang Chen nói: “Thách thức lớn với chúng tôi là tìm ra cách phát triển tinh thể boron arsenide khối chất lượng cao. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu chỉ có thể thu nhận tinh thể có kích thước nhỏ hơn 1cm, có tính chất nhiệt và điện không đồng nhất”.

Trong một nghiên cứu khác gần đây, Chen cũng xác định các tạp chất làm giảm tính linh động của vật liệu. “Để thương mại hóa vật liệu này, tôi nghĩ rằng cần nhiều nỗ lực hơn để nghiên cứu quá trình tổng hợp các tinh thể có độ tinh khiết cao. Mặc dù boron arsenide khối được ví như một chất bán dẫn lý tưởng, nhưng tôi không chắc liệu nó có thể thực sự xâm nhập vào một thiết bị và thay thế một số thiết bị trên thị trường hiện tại hay không”.

Dẫu cho boron arsenide khối nghe có vẻ như giấc mơ chip thành hiện thực, nhưng nó mới chỉ được chế tạo và thử nghiệm trong quy mô phòng thí nghiệm và các lô không đồng nhất. Thách thức hiện nay là tìm ra cách để sản xuất hàng loạt vật liệu này một cách thực sự kinh tế mà vẫn duy trì chất lượng cao.