Năm 2007, Khám phá trong nghiên cứu về lớp tiếp xúc của các oxit kim loại chuyển tiếp dự báo có thể tạo ra một cuộc cách mạng tiếp theo đối với lĩnh vực khoa học vật liệu. Khi các tinh thể oxit được tạo thành từng lớp mỏng với mặt phân cách lí tưởng , ảnh hưởng của một tinh thể lên các lớp tinh thể khác có thể dịch chuyển vị trí của nguyên tử ở lớp phân cách, đảo lộn mật độ điện tử, thậm chí thay đổi cả sự phân bố điện tích xung quanh nguyên tử.
Để hiểu tầm quan trọng của phát hiện này, chúng ta hãy bắt đầu từ cấu trúc tinh thể: như đã biết vật liệu bán dẫn có 3 dạng cấu trúc là vô định hình, đơn tinh thể (single crystal) và đa tinh thể (polycrystalline)
- vật liệu bán dẫn vô định hình: giá thành sản xuất rẻ, nhưng hiệu suất chuyển hóa năng lượng không cao (trong ứng dụng pin mặt trời), khả năng ứng dụng của loại vật liệu này càng ngày càng giảm do không thể khắc phục được những điểm yếu của nó (sự sắp xếp mất trật tự của các nguyên tử).
- vật liệu bán dẫn đơn tinh thể: hiện tại đang được nghiên cứu nhiều nhất và có nhiều ứng dụng nhất. Mặc dù giá thành sản xuất rất cao do yêu cầu phải tạo ra cấu trúc đơn tinh thể thuần khiết (rất khắt khe về điều kiện nhiệt độ và thời gian kết tinh) nhưng hiệu suất chuyển hóa năng lượng rất tốt do cấu trúc tinh thể gần như hoàn hảo, không có khuyết tật (defect).
- vật liệu bán dẫn đa tinh thể: rất phổ biến, sản xuất dễ dàng nên giá thành rẻ nhưng hiện tại có rất ít ứng dụng do hiệu suất kém và nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường xung quanh.
*cấu trúc đa tinh thể: gồm có nhiều hạt (grain - phân biệt với hạt mang điện là electron hoặc hole), mỗi hạt là một đơn tinh thể, giữa các hạt là grain boundary.
nhược điểm của đa tinh thể so với đơn tinh thể là: nếu các thiết bị điện bán dẫn được làm từ vật liệu đa tinh thể thì dòng dịch chuyển điện tích có thể bị cản trở hoặc bị triệt tiêu tại ranh giới giữa các hạt (grain boundary) do tại đây các nguyên tử sắp xếp rất mất trật tự, có nhiều khoảng trống (vacancy) khiến cho dòng điện tích không liên tục và bị ngắt quãng.
Nhược điểm trên có thể khắc phục được nhờ khám phá về lớp tiếp xúc giữa các oxit:
- tạo ra những màng oxit rất mỏng (chiều dày của vật liệu càng lớn, càng dễ hình thành cấu trúc đa tinh thể)
- giảm chiều dày của grain boundary: có nghĩa là lớp tiếp xúc (mất trật tự, nhiều lỗ trống) giữa các màng oxit gần như không có, khi đó các hạt mang điện (electrons or holes) dịch chuyển từ màng oxit này sang màng oxit kia không bị cản trở. Chúng ta có thể hình dung điều này qua cái nhìn vĩ mô như sau: có 2 tấm gương, mỗi tấm gương là một lớp oxit, ép 2 mặt của tấm gương lại với nhau, nếu giữa 2 mặt đó có cát + nước thì khoảng cách giữa 2 mặt gương là lớn, muốn đi từ bên này sang bên kia phải vượt qua vùng cát + nước ---> khó. Nếu 2 mặt gương được sứ lý sạch, không có bụi bẩn thì khi ép 2 mặt lại với nhau chúng chặt khít như là 1. Điều này hình dung thì dễ nhưng làm được thì vô cùng khó vì người ta phải tạo ra được những màng oxit rất mỏng (chỉ vài lớp nguyên tử) và bề mặt gần như phẳng tuyệt đối.
Khám phá này có thể tạo ra đột phá: vật liệu bán dẫn hiệu quả cao không bắt buộc phải là cấu trúc đơn tinh thể mà có thể gồm nhiều lớp oxit, vật liệu bán dẫn loại này sẽ có tính chất mạnh hơn hẳn các chất bán dẫn thông thường vì khi các hạt mang điện dịch chuyển từ lớp oxit này sang lớp oxit kia nó sẽ kèm theo nhiều hiệu ứng phụ có ảnh hưởng tốt.
References:
1.
http://www.tiasang.com.vn/news?id=2322
2. D. Shahrjerdi, I. Garcia-Gutierrez, T. Akyol, S. R. Bank, E. Tutuc,
J. C. Lee, and S. K. BanerjeeGaAs metal-oxide-semiconductor capacitors using atomic layer deposition of HfO2 gate dielectric: Fabrication and characterization, Applied physics letters 91, 193503, 2007
3. William D. Callister, Jr., Material science and engineering: an introduction, 7th edition, pp 665-715, 2007
4. Richard C. Neville, Solar energy conversion, 2th edition, pp 71-150, 1995
Bước tiến mới trong khoa học bán dẫn
Linear Mode
