Vì sao lại NANO?

SGTT.VN - Nano là nói tắt đơn vị nanomét (nm), bằng một phần tỉ mét (10 ^{– 9}m). Và, khi nói “công nghệ nano” là nói về công nghệ mà đối tượng của nó (hạt, hệ, linh kiện…) có kích thước cỡ nm. Vì sao người ta lại đầu tư rất nhiều tiền của và công sức để nghiên cứu các đối tượng nhỏ bé đến như vậy? Tất nhiên là có lý do.

Máy tính điện tử thế hệ 1, dùng đèn điện tử,  nặng một tấn và chất đầy một phòng lớn (ảnh 1948).

Nhỏ, nhỏ nữa, nhỏ mãi

Trước những năm 1950, các thiết bị điện tử, mà đại diện tiêu biểu là máy tính, đều làm việc dựa trên một linh kiện chủ gọi là đèn điện tử. Hoạt động theo nguyên tắc phóng điện trong chân không, một chiếc đèn điện tử to cỡ ngón chân cái, cao chừng 10cm, và khi làm việc thì đỏ rực như hòn than. Cồng kềnh, dễ vỡ, dễ cháy và ngốn nhiều điện như vậy, nên một cái radio xoàng chỉ gồm dăm bóng điện tử mà kích cỡ đã ngang cái tủ đầu giường, thử hỏi cái máy tính gồm nhiều ngàn bóng sẽ phải to chừng nào (khả năng của máy tính tỷ lệ thuận với số lượng bóng có trong máy)? Với loại linh kiện chủ như thế, thì rõ là không thể có máy tính mạnh.

Sự phát hiện ra chất bán dẫn (semiconductor) đã mang lại một cuộc đại cách mạng trong công nghệ điện tử. Dựa vào tính “bán dẫn” của Ge, vào năm 1947 – 1948 Bardeen, Brattain, và Shockley (Mỹ) đã phát minh ra chiếc transistor lưỡng cực (bipolar) đầu tiên (được tặng giải Nobel 1956). Phát minh này mở ra một kỷ nguyên mới trong khoa học công nghệ, kéo dài đến tận ngày nay. Transistor có vai trò như bóng điện tử, nhưng ưu việt hơn nhiều: nhỏ (chỉ cỡ cái khuy bấm), chắc chắn (chẳng lo rơi vỡ), tiêu tốn ít năng lượng, tuổi thọ gần như vô hạn, lại có giá thành công nghệ rất rẻ, nên chúng nhanh chóng thay thế bóng điện tử ở khắp nơi, từ các thiết bị gia dụng đến các máy tính cỡ lớn. Nhờ transistor khá nhỏ, người ta có thể lắp đặt một lượng lớn các transistor trong mỗi máy tính, khả năng của máy tăng đột biến. Dù vậy, một máy tính thời những năm 1960 – 1970 này vẫn lủng củng với các phụ tùng thường chiếm đầy cả một tầng nhà tầm trung. To là thế, nhưng chúng vẫn không đáp ứng kịp nhu cầu phát triển vũ bão của khoa học công nghệ những năm cuối thế kỷ 20. Muốn đồng thời giảm thiểu kích thước và gia tăng công năng của các thiết bị điện tử, trước hết phải giảm thiểu thật mạnh kích thước của mỗi chiếc transistor!

Transistor.

Trong cuộc chiến “nhỏ, nhỏ nữa, nhỏ mãi” này có một mốc son chói lọi ghi nhận vào những năm 1960, đó là sự ra đời của loại transistor hoạt động trên cơ sở lớp khí electron hai chiều xuất hiện trên bề mặt bán dẫn, gọi chung là MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor), phổ biến nhất là Si-MOSFET (dựa trên bán dẫn silicon). Ưu điểm quan trọng nhất của các MOSFET là chúng có thể lắp ráp một cách tối ưu trên một bề mặt, rất thuận tiện để chế tạo các mạch tích phân (con chip). Hơn nữa Si-MOSFET kích thước nhỏ, tốc độ làm việc cao, con chip silicon lại dễ chế tạo đại trà và giá thành thấp nên chúng nhanh chóng chiếm vai trò chủ đạo trong công nghệ điện tử cho đến tận hôm nay. Trong mấy chục năm đó, cuộc chiến nóng bỏng ở các “thung lũng silicon” chủ yếu là tìm cách tiếp tục giảm thiểu kích thước của Si-MOSFET, nhỏ, nhỏ nữa, để không chỉ tăng số lượng transistor có thể lắp ráp trong một con chip mà còn tăng tốc độ làm việc của mỗi transistor (và do đó của cả thiết bị) nữa.

Bóng đèn điện tử.

Đâu là giới hạn?

Nhờ liên tục giảm thiểu kích thước Si-MOSFET và hoàn thiện công nghệ mạch tích phân, số linh kiện có trong một con chip tăng tương ứng theo từng năm, và đến năm 2000 con số này đã là khoảng 100 triệu. Điện tử học đã bước qua giới hạn micro (micro-electronic) sang nano (nano-electronic). Ngày nay đã xuất hiện nhiều Si-MOSFET thương mại có kích thước vài chục nm. Và như vậy, cái giới hạn chót – cỡ một tỉ linh kiện trên một con chip, sẽ đạt được sớm hơn dự đoán (2020). Hãy tưởng tượng, một tỉ linh kiện xếp gọn trên một tấm phẳng nho nhỏ cài trong laptop của bạn và cái laptop to bằng cuốn vở ấy mạnh hơn nhiều lần so với những máy tính khổng lồ thời 1960. Quá kỳ vĩ, hỏi còn muốn gì hơn. “Than ôi, lòng tham vốn vô hạn”, người ta đang muốn bán cho bạn cái mobile phone thật nhỏ thật xinh với đủ chức năng, kiêm luôn cả vai trò một laptop. Vậy thì, cuộc chiến “nhỏ nữa” vẫn cứ phải tiếp diễn. Tiếc thay, cái gì cũng có giới hạn của nó. Chưa rõ kích thước nhỏ nhất cho phép của một Si-MOSFET là bao nhiêu (10nm?), nhưng chắc chắn là công nghệ sắp chạm giới hạn dưới này rồi và số linh kiện tối đa có thể có trong một con chip cũng chỉ đâu đó 1 tỉ là cùng. Vì sao Si-MOSFET lại có kích thước giới hạn dưới như vậy? Số là, cho đến nay, tất cả các MOSFET (cũng như các đời transistor trước) đều hoạt động dựa trên các nguyên lý của vật lý cổ điển (nên gọi là classical transistor). Khi kích thước của linh kiện đủ nhỏ, thì các quy luật lượng tử (quantum) trở nên quan trọng và Si-MOSFET vốn dựa trên các quy luật cổ điển sẽ mất các chức năng cần có của một transistor. Tiên đoán sự tận thế tất yếu của “kỷ nguyên silicon”, ngay từ những năm 1980, các nhà vật lý đã tập trung nghiên cứu các cấu trúc bán dẫn/ vật liệu mới có kích thước cỡ nano. Họ tin rằng, chính các quy luật lượng tử (phá huỷ Si-MOSFET) sẽ là chìa khoá để tìm ra một thế hệ transistor hoàn toàn mới (quantum transistor) không chỉ nhỏ hơn mà còn đa năng hơn nhiều so với Si-MOSFET.

Và đó là lý do chính vì sao các quốc gia, các công ty, các nhà khoa học lại đang bỏ nhiều tiền của và công sức như vậy cho nano.

Nguyễn Trần,
Viện Vật lý, viện Khoa học và công nghệ Việt Nam

Kỳ 2: Máy tính lượng tử: ước mơ và hiện thực