Mr. Macho
Writer
Trong sự phát triển của thiết bị điện tử, vật liệu silicon luôn chiếm vị trí thống trị. Nhưng với sự phát triển không ngừng của Định luật Moore, giới hạn vật lý của vật liệu gốc silicon dần xuất hiện. Ngày nay, chúng ta đang đứng trước ngưỡng cửa của một cuộc cách mạng công nghiệp, mọi tầng lớp xã hội đang khám phá nhiều loại vật liệu khác nhau, trong đó các vật liệu bán dẫn có dải rộng như SiC và GaN là một trong những trường hợp thành công. Tin đồn mới nhất là graphene.
Graphene đã được ca ngợi là một vật liệu kỳ diệu kể từ khi nó được phát hiện vào năm 2004 bởi hai giáo sư tại Viện Vi điện tử Chernogolovka thuộc Đại học Manchester. Graphene, một vật liệu hai chiều bao gồm một lớp nguyên tử carbon, có ba đặc tính tuyệt vời:
1) cực kỳ bền, graphene cứng hơn thép hơn 200 lần;
2) độ linh động của chất mang cực cao;
3) độ dẫn nhiệt cực cao, điều đó có nghĩa là graphene có thể tản nhiệt một cách hiệu quả và ngăn chặn các thiết bị điện tử quá nóng.
Graphene có vẻ giống như một vật liệu tuyệt vời cho ngành công nghiệp điện tử, nhưng graphene là vật liệu không có khe hở dải và thiếu các đặc tính quan trọng để chuyển mạch bóng bán dẫn. Vì vậy, trong 20 năm qua, người ta đã nỗ lực hết sức để “mở một khoảng trống” trong graphene, đây là vấn đề đầu tiên cần được giải quyết trước khi ứng dụng graphene thương mại.
Graphene được phát hiện vào năm 2004 bằng cách sử dụng băng dính Scotch trên một miếng than chì
Nghiên cứu mới nhất của nhóm Giáo sư Walter de Heer thuộc Viện Công nghệ Georgia và Giáo sư Ma Lei của Đại học Thiên Tân đã tạo thành công khoảng trống vùng cấm trong graphene, mở ra những khả năng mới cho việc ứng dụng graphene trong lĩnh vực bán dẫn. Bằng cách áp đặt các ràng buộc cụ thể trong quá trình tăng trưởng trên SiC, họ đã thể hiện thành công graphene epiticular bán dẫn (SEG) được phát triển trên chất nền cacbua silic đơn tinh thể với khoảng cách dải 0,6 eV và độ linh động ở nhiệt độ phòng vượt quá 5000 cm²V⁻ ¹s⁻¹, gấp 10 lần con số đó silicon và gấp 20 lần so với các chất bán dẫn hai chiều khác. Graphene tỏ ra hiệu quả hơn, cho phép các electron di chuyển qua nó với tốc độ nhanh hơn. Nói một cách sinh động hơn, điều này giống như “xe chạy trên đường rải sỏi cũng như lái xe trên đường cao tốc”. Thành tựu này mở ra những khả năng mới cho việc ứng dụng graphene trong lĩnh vực bán dẫn.
Nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 3 tháng 1 (Nguồn hình ảnh: Christopher McEnany/Viện Công nghệ Georgia)
Phương pháp được nhóm của Giáo sư Walter de Heer của Viện Công nghệ Georgia và Giáo sư Ma Lei của Đại học Thiên Tân áp dụng chính xác là phương pháp thứ hai.
Công việc của họ tập trung vào việc phát triển một “lớp đệm” graphene trên cacbua silic (SiC). Trên thực tế, ngay từ năm 2008, người ta đã biết rằng lớp đệm graphene hình thành trên SiC có thể là chất bán dẫn, nhưng việc thu được các mẫu ở cấp độ tấm bán dẫn là một thách thức.
Chúng hoạt động bằng cách đốt nóng vật liệu bán dẫn cacbua silic (SiC). Sau khi các nguyên tử silicon trên bề mặt thăng hoa từ bề mặt tinh thể SiC, sẽ để lại một lớp giàu carbon. Cacbon giàu cho thấy nó có thể được kết tinh lại để tạo thành nhiều lớp với một cấu trúc graphene. Nói cách khác, đây là graphene được hình thành tự phát trên tinh thể SiC. Một số trong số chúng được liên kết cộng hóa trị với bề mặt SiC và các phép đo quang phổ của lớp đệm này thể hiện các đặc tính bán dẫn.
Vấn đề là liên kết giữa lớp epiticular graphene hình thành tự phát này và chất nền SiC bị rối loạn, dẫn đến độ linh động cực kỳ thấp chỉ 1 cm²V⁻¹s⁻¹, so với các vật liệu khác có độ linh động ở nhiệt độ phòng cao tới 300 cm²V⁻ ¹s ⁻¹. So sánh chất bán dẫn hai chiều kém hơn nhiều.
Do đó, nhóm nghiên cứu đã áp dụng phương pháp ủ gần như cân bằng : như trong Hình b bên dưới, bằng cách kẹp hai chip SiC lại với nhau, bề mặt silicon của chip phía trên đối diện với bề mặt carbon của chip phía dưới, tạo ra một môi trường được kiểm soát, họ gọi là đó là "phương pháp bánh sandwich", có thể ức chế sự phát triển của graphene. Trong argon siêu tinh khiết ở áp suất 1 bar ở nhiệt độ khoảng 1600°C, có thể trồng các ruộng bậc thang phẳng cỡ nguyên tử được phủ đều bằng một lớp đệm. Kết quả là tạo ra một mạng SEG không chỉ thẳng hàng với chất nền SiC mà còn ổn định về mặt hóa học, cơ học và nhiệt, có thể được tạo hình thông qua các kỹ thuật chế tạo chất bán dẫn thông thường và kết nối liền mạch với graphene epiticular bán kim loại. Những đặc tính cơ bản này làm cho SEG phù hợp với điện tử nano.
Ba giai đoạn của quy trình sản xuất graphene epiticular (SEG)
Quy trình sản xuất graphene epiticular (SEG): a. Một nồi nấu kim loại than chì hình trụ kín được lấp đầy bằng hai chip cacbua silic (SiC) 3,5 mm × 4,5 mm và nồi nấu kim loại được cung cấp thông qua một lỗ hở trong ống thạch anh. Nồi nấu kim loại được làm nóng bằng dòng điện xoáy do nguồn tần số vô tuyến gây ra. b, Hai con chip xếp chồng lên nhau, mặt carbon (C) của con chip dưới cùng (nguồn) đối diện với mặt silicon (Si) của con chip trên cùng (hạt giống). Ở nhiệt độ cao, sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ giữa các chip dẫn đến một dòng khối thực từ chip dưới lên chip trên, do đó phát triển các mesas lớn trên chip hạt giống thông qua dòng chảy từng bước và tạo ra một màng SEG đồng nhất trên chúng.
Sự phát triển của SEG được chia thành ba giai đoạn. Ở giai đoạn đầu tiên, chip được làm nóng đến 900°C trong chân không trong khoảng 25 phút. Mục đích của quá trình này là làm sạch bề mặt chip và loại bỏ các tạp chất hoặc cặn có thể ảnh hưởng đến quá trình tăng trưởng tiếp theo; nhiệt độ của mẫu được tăng lên 1300°C, lại tăng lên trong khoảng 25 phút, nhưng lần này là trong môi trường khí argon ở áp suất 1 bar. Sự kết hợp giữa nhiệt độ và môi trường này thúc đẩy sự hình thành các bước cacbua silic (SiC) hai lớp được sắp xếp đều đặn và các mesas rộng khoảng 0,2 micron. Những nền tảng này là cơ sở cho sự phát triển SEG tiếp theo; trong giai đoạn thứ ba, nhiệt độ của môi trường tăng trưởng được tăng thêm lên 1600°C, cũng ở mức 1 bar argon. Giai đoạn nhiệt độ cao này dẫn đến cái gọi là "tập hợp bước" và "dòng chảy bước", cuối cùng tạo thành các mesas lớn, phẳng về mặt nguyên tử. Trên các bậc thang này, lớp đệm của SEG phát triển trong điều kiện gần như cân bằng được hình thành giữa mặt phẳng C (mặt phẳng carbon) và mặt phẳng Si (mặt phẳng silicon).
Cuối cùng, nghiên cứu của họ đã đạt được tiến bộ đáng kể và hình thành thành công lớp đệm graphene trên SiC với độ rộng dải khoảng 0,6 electron volt, bằng khoảng một nửa so với silicon (1,1 eV) và gần với germanium (0,65 eV), và nhiều hẹp hơn vùng cấm của SiC (3eV). Theo blog Georgia Tech, họ phải mất 10 năm để hoàn thiện chất liệu.
Việc phát hiện ra graphene epiticular không chỉ là một bước đột phá trong phạm vi ứng dụng của graphene mà còn có thể gây ra sự thay đổi mô hình trong lĩnh vực điện tử. Nhưng điều cần phải rõ ràng là graphene sẽ không thay thế vật liệu silicon mà có khả năng đóng vai trò là vật liệu phụ trợ. Bước đột phá này trong lớp đệm graphene mang lại động lực mới cho công nghệ “ngoài silicon”, đặc biệt là trong lĩnh vực chất bán dẫn dải rộng và dải cực rộng, chẳng hạn như điện tử công suất cho xe điện và điện tử tàu vũ trụ. được mở rộng hơn nữa. Đồng thời, điều này cũng thúc đẩy nghiên cứu chuyên sâu về việc tích hợp các thiết bị chức năng khác nhau như cảm biến và các thành phần logic tính toán trên SiC, điều này rất quan trọng cho việc phát triển năng lượng tái tạo và quản lý các đầu vào không ổn định.
Viện Công nghệ Tiên tiến Samsung (SAIT) đã công bố ra mắt một loại vật liệu pin cải tiến mang tên "quả bóng graphene" vào đầu năm 2017, cho thấy khả năng lưu trữ tăng 45% và khả năng sạc nhanh hơn 5 lần so với pin lithium-ion tiêu chuẩn. Tuy nhiên, kể từ đó đến nay, có rất ít tiến bộ được báo cáo về công nghệ này. Theo Khasha Ghaffarzadeh, giám đốc IDTechEx, mặc dù Samsung đã đạt được một số kết quả đáng chú ý nhưng vẫn còn một chặng đường dài để thương mại hóa.
Người ta tin rằng với sự phát triển mới này của chất bán dẫn epiticular graphene (SEG), dự kiến sẽ thu hút nhiều công ty hơn trong lĩnh vực bán dẫn gia nhập hàng ngũ này. Từ vật liệu tổng hợp được gia cố đến các giải pháp lưu trữ năng lượng mang tính cách mạng, graphene cho thấy tiềm năng định hình lại các công nghệ và ngành công nghiệp trong tương lai. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng quá trình chuyển đổi graphene từ phòng thí nghiệm sang sản xuất thương mại vẫn phải đối mặt với một số thách thức chính:
Yêu cầu vốn ban đầu cao: Việc sản xuất graphene thường đòi hỏi thiết bị và công nghệ đắt tiền, đây là gánh nặng không nhỏ đối với hầu hết các công ty khởi nghiệp. Các công ty này có thể gặp khó khăn trong việc huy động đủ vốn để hỗ trợ sản xuất ở quy mô này.
Sự không chắc chắn về công nghệ và thị trường: Mặc dù tiềm năng của graphene là rất lớn nhưng các ứng dụng thương mại của nó vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Sự không chắc chắn này có thể khiến các công ty lớn do dự, vốn thường thích đầu tư vào công nghệ và thị trường với lợi nhuận đã được chứng minh.
Những thách thức trong việc mở rộng quy mô sản xuất: Mặc dù graphene chất lượng cao có thể được tạo ra trong phòng thí nghiệm, nhưng việc mở rộng các quy trình này sang quy mô công nghiệp vẫn là một thách thức kỹ thuật. Sản xuất graphene trên quy mô lớn trong khi vẫn duy trì chất lượng đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề về khoa học vật liệu và kỹ thuật.
Chu kỳ hoàn vốn: Đối với các doanh nghiệp lớn, lợi tức đầu tư vào graphene có thể mất nhiều thời gian hơn để hiện thực hóa, không phù hợp với chu kỳ hoàn vốn nhanh mà họ thường mong đợi.
Bất chấp nhiều thách thức, sự phát triển thành công của lớp đệm graphene không chỉ đánh dấu bước đột phá lớn trong bản thân vật liệu graphene mà còn mở ra cánh cửa cho các ứng dụng trong tương lai của chúng ta về vật liệu bán dẫn.
Ngày nay, để tiếp tục thúc đẩy sự phát triển của mạch tích hợp, giới học viện và ngành công nghiệp đã tiến hành thăm dò sâu rộng và nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu cốt lõi, cấu trúc thiết bị và kiến trúc hệ thống của thiết bị điện tử trong tương lai. Điều đáng nói là trong việc nghiên cứu vật liệu mới, vai trò của các nhà nghiên cứu Trung Quốc ngày càng trở nên nổi bật. Ngoài sự đóng góp của nhóm nghiên cứu của Giáo sư Ma Lei tại Trung tâm nghiên cứu hạt nano và hệ thống nano quốc tế Thiên Tân tại Đại học Thiên Tân cho việc epitaxy graphene bán dẫn, nhóm Zhang Zhiyong-Peng Lianmao từ Đại học Bắc Kinh đã đạt được tiến bộ quan trọng trong lĩnh vực carbon nút tiên tiến. dựa trên các mạch tích hợp. , các bóng bán dẫn ống nano carbon đã cho thấy tiềm năng vượt qua các bóng bán dẫn dựa trên silicon thương mại và do đó có nhiều hy vọng vào các ứng dụng mạch tích hợp kỹ thuật số trong tương lai. Họ đã khám phá khả năng thu nhỏ hơn nữa các bóng bán dẫn dựa trên carbon đến nút 10 nm.
Chúng ta có thể thấy trước một kỷ nguyên tích hợp vật liệu bán dẫn đa chức năng sẽ mở rộng đáng kể ranh giới ứng dụng của các thiết bị điện tử dựa trên silicon hiện có.
Tham khảo: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06811-0 và https://www.nature.com/articles/s41928-023-00983-3
Graphene đã được ca ngợi là một vật liệu kỳ diệu kể từ khi nó được phát hiện vào năm 2004 bởi hai giáo sư tại Viện Vi điện tử Chernogolovka thuộc Đại học Manchester. Graphene, một vật liệu hai chiều bao gồm một lớp nguyên tử carbon, có ba đặc tính tuyệt vời:
1) cực kỳ bền, graphene cứng hơn thép hơn 200 lần;
2) độ linh động của chất mang cực cao;
3) độ dẫn nhiệt cực cao, điều đó có nghĩa là graphene có thể tản nhiệt một cách hiệu quả và ngăn chặn các thiết bị điện tử quá nóng.
Graphene có vẻ giống như một vật liệu tuyệt vời cho ngành công nghiệp điện tử, nhưng graphene là vật liệu không có khe hở dải và thiếu các đặc tính quan trọng để chuyển mạch bóng bán dẫn. Vì vậy, trong 20 năm qua, người ta đã nỗ lực hết sức để “mở một khoảng trống” trong graphene, đây là vấn đề đầu tiên cần được giải quyết trước khi ứng dụng graphene thương mại.
Nghiên cứu mới nhất của nhóm Giáo sư Walter de Heer thuộc Viện Công nghệ Georgia và Giáo sư Ma Lei của Đại học Thiên Tân đã tạo thành công khoảng trống vùng cấm trong graphene, mở ra những khả năng mới cho việc ứng dụng graphene trong lĩnh vực bán dẫn. Bằng cách áp đặt các ràng buộc cụ thể trong quá trình tăng trưởng trên SiC, họ đã thể hiện thành công graphene epiticular bán dẫn (SEG) được phát triển trên chất nền cacbua silic đơn tinh thể với khoảng cách dải 0,6 eV và độ linh động ở nhiệt độ phòng vượt quá 5000 cm²V⁻ ¹s⁻¹, gấp 10 lần con số đó silicon và gấp 20 lần so với các chất bán dẫn hai chiều khác. Graphene tỏ ra hiệu quả hơn, cho phép các electron di chuyển qua nó với tốc độ nhanh hơn. Nói một cách sinh động hơn, điều này giống như “xe chạy trên đường rải sỏi cũng như lái xe trên đường cao tốc”. Thành tựu này mở ra những khả năng mới cho việc ứng dụng graphene trong lĩnh vực bán dẫn.
Vậy làm thế nào mà graphene lại có vùng cấm?
Có hai cách chính để mở vùng cấm graphene: một là phương pháp nanoribbon, đó là cắt hoặc tạo hình graphene thành những dải nano cực mịn. Thông qua các kỹ thuật chế tạo nano, các dải nano graphene hiện có thể được chế tạo với độ chính xác gần như nguyên tử. Trong các dải nano này, do hiệu ứng giam giữ lượng tử, các electron bị hạn chế chuyển động theo một chiều, dẫn đến việc mở ra vùng cấm. Thách thức với phương pháp này là sự phức tạp của quy trình sản xuất và tính biến thiên giữa các mẫu, khiến việc sản xuất ở quy mô lớn trở nên khó khăn, đặc biệt là ở quy mô đáp ứng nhu cầu của thiết bị điện tử tiêu dùng; thứ hai là phương pháp tương tác chất nền, mà sự tương tác giữa graphene và chất nền tăng trưởng được sử dụng để tạo ra khoảng cách dải. Cách tiếp cận này thường liên quan đến việc lựa chọn vật liệu nền cụ thể và điều chỉnh các điều kiện tăng trưởng để thay đổi tính chất điện tử của graphene.Phương pháp được nhóm của Giáo sư Walter de Heer của Viện Công nghệ Georgia và Giáo sư Ma Lei của Đại học Thiên Tân áp dụng chính xác là phương pháp thứ hai.
Công việc của họ tập trung vào việc phát triển một “lớp đệm” graphene trên cacbua silic (SiC). Trên thực tế, ngay từ năm 2008, người ta đã biết rằng lớp đệm graphene hình thành trên SiC có thể là chất bán dẫn, nhưng việc thu được các mẫu ở cấp độ tấm bán dẫn là một thách thức.
Chúng hoạt động bằng cách đốt nóng vật liệu bán dẫn cacbua silic (SiC). Sau khi các nguyên tử silicon trên bề mặt thăng hoa từ bề mặt tinh thể SiC, sẽ để lại một lớp giàu carbon. Cacbon giàu cho thấy nó có thể được kết tinh lại để tạo thành nhiều lớp với một cấu trúc graphene. Nói cách khác, đây là graphene được hình thành tự phát trên tinh thể SiC. Một số trong số chúng được liên kết cộng hóa trị với bề mặt SiC và các phép đo quang phổ của lớp đệm này thể hiện các đặc tính bán dẫn.
Vấn đề là liên kết giữa lớp epiticular graphene hình thành tự phát này và chất nền SiC bị rối loạn, dẫn đến độ linh động cực kỳ thấp chỉ 1 cm²V⁻¹s⁻¹, so với các vật liệu khác có độ linh động ở nhiệt độ phòng cao tới 300 cm²V⁻ ¹s ⁻¹. So sánh chất bán dẫn hai chiều kém hơn nhiều.
Do đó, nhóm nghiên cứu đã áp dụng phương pháp ủ gần như cân bằng : như trong Hình b bên dưới, bằng cách kẹp hai chip SiC lại với nhau, bề mặt silicon của chip phía trên đối diện với bề mặt carbon của chip phía dưới, tạo ra một môi trường được kiểm soát, họ gọi là đó là "phương pháp bánh sandwich", có thể ức chế sự phát triển của graphene. Trong argon siêu tinh khiết ở áp suất 1 bar ở nhiệt độ khoảng 1600°C, có thể trồng các ruộng bậc thang phẳng cỡ nguyên tử được phủ đều bằng một lớp đệm. Kết quả là tạo ra một mạng SEG không chỉ thẳng hàng với chất nền SiC mà còn ổn định về mặt hóa học, cơ học và nhiệt, có thể được tạo hình thông qua các kỹ thuật chế tạo chất bán dẫn thông thường và kết nối liền mạch với graphene epiticular bán kim loại. Những đặc tính cơ bản này làm cho SEG phù hợp với điện tử nano.
Quy trình sản xuất graphene epiticular (SEG): a. Một nồi nấu kim loại than chì hình trụ kín được lấp đầy bằng hai chip cacbua silic (SiC) 3,5 mm × 4,5 mm và nồi nấu kim loại được cung cấp thông qua một lỗ hở trong ống thạch anh. Nồi nấu kim loại được làm nóng bằng dòng điện xoáy do nguồn tần số vô tuyến gây ra. b, Hai con chip xếp chồng lên nhau, mặt carbon (C) của con chip dưới cùng (nguồn) đối diện với mặt silicon (Si) của con chip trên cùng (hạt giống). Ở nhiệt độ cao, sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ giữa các chip dẫn đến một dòng khối thực từ chip dưới lên chip trên, do đó phát triển các mesas lớn trên chip hạt giống thông qua dòng chảy từng bước và tạo ra một màng SEG đồng nhất trên chúng.
Sự phát triển của SEG được chia thành ba giai đoạn. Ở giai đoạn đầu tiên, chip được làm nóng đến 900°C trong chân không trong khoảng 25 phút. Mục đích của quá trình này là làm sạch bề mặt chip và loại bỏ các tạp chất hoặc cặn có thể ảnh hưởng đến quá trình tăng trưởng tiếp theo; nhiệt độ của mẫu được tăng lên 1300°C, lại tăng lên trong khoảng 25 phút, nhưng lần này là trong môi trường khí argon ở áp suất 1 bar. Sự kết hợp giữa nhiệt độ và môi trường này thúc đẩy sự hình thành các bước cacbua silic (SiC) hai lớp được sắp xếp đều đặn và các mesas rộng khoảng 0,2 micron. Những nền tảng này là cơ sở cho sự phát triển SEG tiếp theo; trong giai đoạn thứ ba, nhiệt độ của môi trường tăng trưởng được tăng thêm lên 1600°C, cũng ở mức 1 bar argon. Giai đoạn nhiệt độ cao này dẫn đến cái gọi là "tập hợp bước" và "dòng chảy bước", cuối cùng tạo thành các mesas lớn, phẳng về mặt nguyên tử. Trên các bậc thang này, lớp đệm của SEG phát triển trong điều kiện gần như cân bằng được hình thành giữa mặt phẳng C (mặt phẳng carbon) và mặt phẳng Si (mặt phẳng silicon).
Cuối cùng, nghiên cứu của họ đã đạt được tiến bộ đáng kể và hình thành thành công lớp đệm graphene trên SiC với độ rộng dải khoảng 0,6 electron volt, bằng khoảng một nửa so với silicon (1,1 eV) và gần với germanium (0,65 eV), và nhiều hẹp hơn vùng cấm của SiC (3eV). Theo blog Georgia Tech, họ phải mất 10 năm để hoàn thiện chất liệu.
Việc phát hiện ra graphene epiticular không chỉ là một bước đột phá trong phạm vi ứng dụng của graphene mà còn có thể gây ra sự thay đổi mô hình trong lĩnh vực điện tử. Nhưng điều cần phải rõ ràng là graphene sẽ không thay thế vật liệu silicon mà có khả năng đóng vai trò là vật liệu phụ trợ. Bước đột phá này trong lớp đệm graphene mang lại động lực mới cho công nghệ “ngoài silicon”, đặc biệt là trong lĩnh vực chất bán dẫn dải rộng và dải cực rộng, chẳng hạn như điện tử công suất cho xe điện và điện tử tàu vũ trụ. được mở rộng hơn nữa. Đồng thời, điều này cũng thúc đẩy nghiên cứu chuyên sâu về việc tích hợp các thiết bị chức năng khác nhau như cảm biến và các thành phần logic tính toán trên SiC, điều này rất quan trọng cho việc phát triển năng lượng tái tạo và quản lý các đầu vào không ổn định.
Tương lai của graphene: có hoa và có gai
Những đặc tính vượt trội của graphene thực tế đã thu hút sự chú ý của nhiều công ty lớn từ lâu và họ đã đầu tư nguồn lực để khám phá lĩnh vực graphene. Đặc biệt trong nghiên cứu pin graphene, nó được coi là vật liệu “siêu tụ điện” lý tưởng. Siêu tụ điện lưu trữ điện giống như pin truyền thống nhưng sạc và xả cực kỳ nhanh chóng. Các công ty như Samsung, Huawei và LG Electronics đã lên kế hoạch phát triển công nghệ pin graphene. Gần đây, truyền thông Hàn Quốc đưa tin Samsung Electronics và LG Electronics đang đẩy nhanh phát triển các linh kiện dựa trên graphene để cải thiện độ bền và hiệu quả sử dụng năng lượng của chất bán dẫn và thiết bị gia dụng.Viện Công nghệ Tiên tiến Samsung (SAIT) đã công bố ra mắt một loại vật liệu pin cải tiến mang tên "quả bóng graphene" vào đầu năm 2017, cho thấy khả năng lưu trữ tăng 45% và khả năng sạc nhanh hơn 5 lần so với pin lithium-ion tiêu chuẩn. Tuy nhiên, kể từ đó đến nay, có rất ít tiến bộ được báo cáo về công nghệ này. Theo Khasha Ghaffarzadeh, giám đốc IDTechEx, mặc dù Samsung đã đạt được một số kết quả đáng chú ý nhưng vẫn còn một chặng đường dài để thương mại hóa.
Người ta tin rằng với sự phát triển mới này của chất bán dẫn epiticular graphene (SEG), dự kiến sẽ thu hút nhiều công ty hơn trong lĩnh vực bán dẫn gia nhập hàng ngũ này. Từ vật liệu tổng hợp được gia cố đến các giải pháp lưu trữ năng lượng mang tính cách mạng, graphene cho thấy tiềm năng định hình lại các công nghệ và ngành công nghiệp trong tương lai. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng quá trình chuyển đổi graphene từ phòng thí nghiệm sang sản xuất thương mại vẫn phải đối mặt với một số thách thức chính:
Yêu cầu vốn ban đầu cao: Việc sản xuất graphene thường đòi hỏi thiết bị và công nghệ đắt tiền, đây là gánh nặng không nhỏ đối với hầu hết các công ty khởi nghiệp. Các công ty này có thể gặp khó khăn trong việc huy động đủ vốn để hỗ trợ sản xuất ở quy mô này.
Sự không chắc chắn về công nghệ và thị trường: Mặc dù tiềm năng của graphene là rất lớn nhưng các ứng dụng thương mại của nó vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Sự không chắc chắn này có thể khiến các công ty lớn do dự, vốn thường thích đầu tư vào công nghệ và thị trường với lợi nhuận đã được chứng minh.
Những thách thức trong việc mở rộng quy mô sản xuất: Mặc dù graphene chất lượng cao có thể được tạo ra trong phòng thí nghiệm, nhưng việc mở rộng các quy trình này sang quy mô công nghiệp vẫn là một thách thức kỹ thuật. Sản xuất graphene trên quy mô lớn trong khi vẫn duy trì chất lượng đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề về khoa học vật liệu và kỹ thuật.
Chu kỳ hoàn vốn: Đối với các doanh nghiệp lớn, lợi tức đầu tư vào graphene có thể mất nhiều thời gian hơn để hiện thực hóa, không phù hợp với chu kỳ hoàn vốn nhanh mà họ thường mong đợi.
Bất chấp nhiều thách thức, sự phát triển thành công của lớp đệm graphene không chỉ đánh dấu bước đột phá lớn trong bản thân vật liệu graphene mà còn mở ra cánh cửa cho các ứng dụng trong tương lai của chúng ta về vật liệu bán dẫn.
Ngày nay, để tiếp tục thúc đẩy sự phát triển của mạch tích hợp, giới học viện và ngành công nghiệp đã tiến hành thăm dò sâu rộng và nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu cốt lõi, cấu trúc thiết bị và kiến trúc hệ thống của thiết bị điện tử trong tương lai. Điều đáng nói là trong việc nghiên cứu vật liệu mới, vai trò của các nhà nghiên cứu Trung Quốc ngày càng trở nên nổi bật. Ngoài sự đóng góp của nhóm nghiên cứu của Giáo sư Ma Lei tại Trung tâm nghiên cứu hạt nano và hệ thống nano quốc tế Thiên Tân tại Đại học Thiên Tân cho việc epitaxy graphene bán dẫn, nhóm Zhang Zhiyong-Peng Lianmao từ Đại học Bắc Kinh đã đạt được tiến bộ quan trọng trong lĩnh vực carbon nút tiên tiến. dựa trên các mạch tích hợp. , các bóng bán dẫn ống nano carbon đã cho thấy tiềm năng vượt qua các bóng bán dẫn dựa trên silicon thương mại và do đó có nhiều hy vọng vào các ứng dụng mạch tích hợp kỹ thuật số trong tương lai. Họ đã khám phá khả năng thu nhỏ hơn nữa các bóng bán dẫn dựa trên carbon đến nút 10 nm.
Chúng ta có thể thấy trước một kỷ nguyên tích hợp vật liệu bán dẫn đa chức năng sẽ mở rộng đáng kể ranh giới ứng dụng của các thiết bị điện tử dựa trên silicon hiện có.
Tham khảo: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06811-0 và https://www.nature.com/articles/s41928-023-00983-3
