Post by nguyendonganh on Oct 26, 2012 7:37:03 GMT 9
Transistor: Nhân tố của một cuộc cách mạng (phần 2)
Vietsciences- Trương Văn Tân 26/07/2011
"Hạt bụi nào hóa kiếp thân tôi
Để một mai vươn hình hài lớn dậy"
Trịnh Công Sơn
Tóm tắt
Transistor silicon hiện tại sẽ tiến đến mức cực nhỏ và không thể thu nhỏ hơn. Định luật Moore sẽ sụp đổ. Công nghiệp sản xuất máy tính sẽ chết dần. Đây là niềm lo âu đối với công nghiệp điện tử và kinh tế toàn cầu. Các vật liệu hữu cơ như polymer bán dẫn, hợp chất acene, ống than nano và graphene được dùng để chế tạo transistor hữu cơ nhằm thay thế transistor silicon trong chip vi tính. Sau hơn 20 năm, nghiên cứu transistor hữu cơ vẫn còn nhiều vướng mắc kỹ thuật trong việc gia tăng tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng làm chip vi tính. Tuy nhiên, transistor hữu cơ đã khai sáng ra nền công nghiệp "điện tử mềm" (flexible electronics) trong đó các vi mạch được in lên những chất nền polymer hay cao su mềm, trong suốt. Một trong những ứng dụng lớn là màn hình mềm cho tivi hay laptop cuốn tròn, thậm chí có thể dán tường. Mặt khác, cuộc chạy đua tìm kiếm transistor cho máy tính tương lai vẫn tiếp diễn. Người ta nghĩ đến việc dùng transistor siêu phân tử biến máy tính thành hạt bụi rồi nối mạng các "hạt bụi" này thành máy tính cực siêu như bộ não con người. Nhưng, sản phẩm này vượt ra ngoài khả năng của khoa học hiện tại. Thực tế hơn, những nguyên lý "kỳ quặc" của cơ học lượng tử đang được tận dụng để chế tạo máy tính lượng tử. Máy tính lượng tử có tốc độ xử lý siêu việt. Những gì máy thông thường cần 100 năm để tìm giải đáp thì máy lượng tử chỉ cần vài phút. Lạ lùng thay, vi khuẩn quang hợp cũng hành xử như một máy tính lượng tử trong quá trình quang hợp. Mẹ thiên nhiên dường như có câu trả lời cho tất cả!
1. Silicon hay carbon?
Bộ vi xử lý hay còn gọi là chip vi tính giống như chiếc đũa thần. Khi được cài vào máy tính, nó làm máy càng mỏng xử lý càng nhanh; nó đã biến bộ môn nhiếp ảnh thành kỹ thuật số, cũng như đã biến chiếc điện thoại di động nhỏ bé càng mang nhiều chức năng thuận tiện; nó đã làm cho một màn hình trở thành bộ sách chứa hàng trăm quyển sách (e-book reader); nó biến robot mang những cử động và biểu hiện cảm xúc giống như con người, Pinocchio cơ hồ trở thành người thật. Chưa hết. Khi chip hiện diện trong máy bay, nó sẽ biến máy bay trở nên không người lái. "Phi công" ngồi trong một căn phòng thoải mái ở một nơi bí mật nào đó cách xa chiến trường điều khiển những chiếc máy bay tiềm kích không người lái (drone) truy tìm đối phương ẩn nấp trong rừng núi, khởi động tên lửa vào những mục tiêu bằng những cái nhấn trên bàn phím.
Ngoài máy bay không người lái, các nhà khoa học đang nghiên cứu việc dùng chip để điều khiển một hệ thống định vị GPS và các radar đặt trong xe hơi để tạo những chiếc xe không tài xế. Con người rồi đây chỉ là hành khách ngồi ung dung đọc báo, trò chuyện. Xe sẽ biết dừng hay chạy trước tín hiệu giao thông, biết gia giảm tốc độ, biết tránh hay nhường đường với những chiếc xe xung quanh. Những từ như "tài xế" hay "tai nạn giao thông" sẽ tan biến vào quá khứ và không còn nằm trong ngôn ngữ giao tiếp đời thường. Con nguời sẽ hành xử văn minh hơn, không còn những tiếng quát tháo, cử chỉ dung tục giữa các tay lái trên đường phố, hay những lời càm ràm của người ngồi bên cạnh đại loại như "Sao anh chạy nhanh quá", "Anh sao rồi? Làm gì mà chạy như rùa vậy", "Sao bỗng dưng anh thắng gấp làm mẹ con tui giựt mình" v.v...
Tuy rằng chip còn cần những phần mềm tin học điều khiển rất đa dạng và những công nghệ đặc dụng khác dùng làm "tai, mắt, chân, tay" cho nó để tạo ra những tiện nghi như vừa kể trên, có thể nói chip đã làm thay đổi bộ mặt của xã hội loài người hơn nửa thế kỷ qua và sẽ tiếp tục tạo những kỳ tích trong vài thập niên kế tiếp. Theo chuyên gia, nếu chip của máy tính vẫn tiếp tục phô diễn sức mạnh xử lý theo định luật Moore thì có lẽ 50 năm sau máy tính sẽ vượt qua bộ óc con người. Nhưng, như đã trình bày trong bài viết trước [1] định luật Moore sẽ sụp đổ theo quy luật vật lý. Mười năm trước đây, giới tiêu thụ có khuynh hướng thay máy tính hay laptop mới mỗi năm vì tốc độ xử lý và sức chứa của bộ nhớ không ngừng gia tăng. Giờ đây, thời gian sử dụng máy tính hay laptop có thể kéo dài hơn 3 năm vì sức mạnh của chip không còn gia tăng nhanh như trước. Mãi lực yếu của người tiêu dùng cho thấy cái khởi đầu của tiến trình đi đến sự sụp đổ của định luật Moore. Nhưng người ta vẫn chưa biết định luật Moore sẽ sụp đổ như thế nào và linh kiện gì sẽ thay thế transistor silicon của chip. Và nếu không có gì để thay thế thì cuộc cách mạng tin học sẽ ngừng lại. Đây là một điều thực sự lo âu cho nền kinh tế toàn cầu.
Một câu hỏi thường xuyên được đặt ra là có một vật liệu nào có thể thay thế được silicon để tạo ra một thời đại hậu-silicon (post-silicon) vừa tiếp tục sự thu nhỏ của transistor vừa khắc phục được các nhược điểm của silicon. Carbon và silicon là hai nguyên tố anh em trong cùng Nhóm IV của bảng phân loại tuần hoàn. Mặc dù cùng ở Nhóm IV, silicon là đại diện của vật chất vô cơ trong khi carbon là nguyên tố chính của vật chất hữu cơ và sự sống. Silicon nổi bật trong thế giới chất rắn vì người ta có thể tinh chế được silicon đến độ nguyên chất gần như tuyệt đối (độ tinh khiết 99.999999999 %, 11 con số 9). Tinh thể silicon là một trong những tinh thể có ít khuyết tật nhất. Trong công nghiệp điện tử người ta biết đến silicon như là một vật liệu toàn bích cho transistor. Trong vật lý nó là một chất bán dẫn tiêu biểu làm sáng tỏ những hiện tượng cơ bản của vật lý chất rắn. Carbon lại là một nguyên tố nổi bật trong bảng phân loại tuần hoàn, nguyên tố chính của hằng trăm triệu hợp chất hữu cơ nhân tạo và toàn thể phân tử của sinh thực vật trên quả đất.
Trong ba thập niên qua, những vật liệu hữu cơ dẫn điện hay bán dẫn như hợp chất họ acene (hợp chất do các nhân benzene nối kết với nhau), polymer bán dẫn, ống than nano và gần đây graphene là những vật liệu được tổng hợp và nghiên cứu cho những ứng dụng điện tử. Cụm từ "transistor hữu cơ" trong bài viết chỉ toàn thể transistor làm từ các vật liệu hữu cơ vừa đề cập, nghĩa là các chất chứa nguyên tố carbon. Trong khi silicon là một trong những chất bán dẫn vô cơ tiêu biểu, vật liệu hữu cơ có độ dẫn điện có thể được điều chỉnh từ mức bán dẫn đến mức dẫn điện của đồng. Ngoài ra, hợp chất hữu cơ hay polymer có thể hòa tan trong dung môi rất tiện lợi cho hóa trình chế tạo linh kiện và vật liệu hình thành là một thể mềm (thí dụ, plastic hay cao su) có thể uốn cong, gấp nhỏ. Sự khác biệt giữa carbon và silicon không chỉ dừng ở đây. Transistor dùng nguyên tố silicon là một thí dụ điển hình của nền công nghệ "từ trên xuống", trong khi polymer bán dẫn, ống than nano và graphene là vật liệu nano mang tiềm năng sáng tạo các công cụ điện tử chế tạo bằng phương pháp "từ dưới lên".
Đây là những ưu điểm của vật liệu hữu cơ nhưng làm thế nào để các ưu điểm này được tận dụng tối đa và liệu các chất này có thể thay thế silicon trong cuộc cách mạng thu nhỏ transistor? Có khả năng nào để ta thiết kế chip chứa hàng trăm triệu hay hàng tỷ transistor hữu cơ bằng phương pháp "từ dưới lên" mô phỏng theo bộ não sinh vật chứa hàng trăm tỷ tế bào não? Một khuynh hướng nghiên cứu khác để cứu vãn sự sụp đổ của định luật Moore là máy tính lượng tử, sử dụng nguyên tử như một transistor. Có khả năng nào máy tính lượng tử sẽ là máy tính của tương lai? Trong nghiên cứu khoa học, mỗi thành quả là một lời giải đáp nhưng cũng ẩn tàng nhiều câu hỏi khác. Dường như Mẹ thiên nhiên nhìn thấy tất cả và đã có câu trả lời cho mọi tình huống. Bài viết này nhằm tìm kiếm câu trả lời cho các câu hỏi trên dựa trên theo các công trình nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực transistor hữu cơ và những tiến triển trong vi tính lượng tử hay những câu trả lời của Mẹ thiên nhiên đã có sẵn đâu đó ở xung quanh ta.
2. Transistor carbon: ống than nano và graphene
Kể từ năm 1991 khi tiến sĩ Sumio Iijima tái phát hiện ống than nano và khẳng định vai trò quan trọng của vật liệu này trong khoa học và công nghệ, những phương pháp tổng hợp ống nano đã đạt đến một trình độ tinh vi để hình thành được các loại ống theo yêu cầu của một ứng dụng được định trước. Từ một sản phẩm đầu tiên tạp nhạp chứa những ống than kích thước, đường kính khác nhau, những lớp vỏ nhiều ít khác nhau, các nhà khoa học đã minh định được những yếu tố để kiểm soát phẩm chất của ống theo nhu cầu. Đây cũng là điều kiện tiên quyết trong việc chế tạo transistor ống than nano.
Ống than nano đặc biệt gây được sự chú ý đến các nhà nghiên cứu vật lý chất rắn và kỹ sư thiết kế transistor. Đường kính vài nanomét và tính chất truyền điện đạn đạo (ballistic electrical conduction) là hai điều kiện lý tưởng cho việc chế tạo transistor. Điều kiện thứ nhất cho thấy khả năng thu nhỏ transistor đến kích cỡ vài nanomét. Điều kiện thứ hai mở ra tiềm năng chế tạo một transistor không phát nhiệt hay rất ít phát nhiệt [2-3]. Vì có hình dạng ống, sự di động qua lại của electron trong ống như ra vào ở chỗ không người, không bị vướng mắc va chạm như trong dây đồng hay silicon. Đó là sự truyền điện đạn đạo không gây nhiệt.
Thay thế vật liệu vô cơ bán dẫn silicon bằng vật liệu hữu cơ carbon có thể xem là một bước ngoặt quan trọng trong việc triển khai và thu nhỏ transisitor. Từ hơn một thập niên qua đã có nhiều nỗ lực đơn lẻ [4-6] nhưng công ty IBM vẫn dẫn đầu trong việc đầu tư nghiên cứu transistor ống than nano với mục đích vi mạch hóa và thay thế transistor "cổ điển" silicon [7-10] (Hình 1). Là một công ty hàng đầu làm chip vi tính, việc dấn thân vào nghiên cứu chế tạo transisitor ống than nano cho thấy tiềm năng rộng lớn của ống than nano trong lĩnh vực điện tử. Các kết quả thí nghiệm cho thấy tác động đóng mở của transistor ống than nano có tốc độ nhanh không kém transistor silicon và cho nhiều tiềm năng. Sự thành công của transistor dùng ống than nano sẽ là bước đầu nhiều hứa hẹn dẫn đến ngành điện tử học nano trong đó người ta có thể làm toàn thể mạch điện và các linh kiện điện tử ở cấp nanomét.
Hình 1: Transistor ống than nano. (a) Cấu trúc, S: cực nguồn (source), D: cực máng (drain), Si back gate: cổng silicon. (b): Mặt trên của mẫu transistor với cực S và D là hợp kim Au/Ti được nối với một SWNT bắc ngang.
Ống than nano vỏ đơn (single-wall carbon nanotube, SWNT) có đường kính 1 – 5 nm (nanomét) là một vật liệu chính được dùng để thiết kết cổng transistor có tiềm năng chế tạo transitor thu nhỏ ít phát nhiệt. Nhưng phần lớn trong các bài báo cáo gần đây, các nhà nghiên cứu dường như không nói đến khả năng transistor ống than nano thay thế transistor silicon truyền thống trong quá trình tiếp tục thu nhỏ. Điều này dễ hiểu. Gần một tỷ transistor silicon được cài đặt trong mạch tích hợp làm nên chip của các máy vi tính hiện đại được sản xuất đại trà bằng phương pháp li-tô quang của công nghệ cao. Ngoài việc nâng cao kỹ năng chế tạo chip, bản thân nguyên tố silicon là một vật liệu kết tinh với những mạng tinh thể có độ chính xác đến mức nguyên tử với chất lượng gần như tuyệt đối. Khó có một nguyên tố nào khác có thể bì kịp. Transistor từ ống than nano hay các vật liệu hữu cơ khác chưa có hai ưu điểm này.
Hiện nay IBM vẫn tiếp tục đầu tư vào các nghiên cứu dùng ống than nano vỏ đơn (SWNT). Đối với một công ty như IBM mà mục tiêu kinh doanh là lợi nhuận, việc duy trì các công trình nghiên cứu transisitor SWNT mang một ý nghĩa đặc biệt. Trong bài tổng quan của Appenzeller [9], tiêu điểm nghiên cứu không còn là việc thu nhỏ transistor mà là phát huy triệt để các đặc tính điện tử của ống nano. Ngoài hiện tượng di chuyển đạn đạo của electron trong ống, một đặc trưng khác của transistor ống nano là hiệu ứng đường hầm của ống. Cổng transistor như cái vòi nước điều khiển dòng electron chảy (on) hay ngừng (off). Điện thế của cổng to hay nhỏ sẽ làm cho dòng chảy nhiều hay ít hay hoàn toàn ngưng lại. Hiệu ứng đường hầm trong ống than nano sẽ giúp cho transitor chỉ cần một điện thế rất nhỏ so với transistor silicon cho việc đóng mở (on/off). Hệ quả là độ nhạy của transistor sẽ gia tăng và sự tiêu thụ năng lượng sẽ giảm đi rất nhiều.
Từ những ưu điểm này, ống than nano giải quyết được vấn đề giảm sự phát nhiệt qua đặc tính di chuyển đạn đạo và độ nhạy của cổng qua hiệu ứng đường hầm. Tuy nhiên, để tiến đến việc chế tạo vi mạch và dụng cụ điện tử chứa transistor SWNT các nhà khoa học cần phải tổng hợp SWNT thuần chất gần như tuyệt đối, đồng nhất đến mức phân tử: đường kính, chiều dài, cấu trúc và độ dẫn điện. Phương pháp tổng hợp SWNT hiện nay thường sản xuất những ống có đường kính khác nhau hay ống nhiều vỏ (multi-wall carbon nanotubes, MWNT) lẫn vào như một chất tạp. Mặc dù đã có hàng trăm báo cáo và đăng ký phát minh về phương pháp tổng hợp ống than nano, chưa có một phương pháp nào có thể sản xuất đại trà SWNT đạt được yêu cầu khắt khe cho quá trình chế tạo transitor. Một bài báo cáo mới đây [10] cho biết việc tinh lọc SWNT bán dẫn đã đạt đến độ tinh khiết 99 % với đường kính 1 nm thích hợp cho việc chế tạo transistor. Một tia sáng ở cuối đường hầm, nhưng đây là một quá trình tốn kém.
Graphene là người anh em của ống than nano trong dòng họ carbon. Tháng 12 năm 2010, Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển trao giải Nobel Vật lý cho công trình nghiên cứu graphene của hai nhà khoa học người Anh gốc Nga, Andre Geim và Konstantin Novoselov (Đại học Manchester, Anh quốc). Graphene là một lớp của than chì (graphite). Từ lâu, người ta đã biết rõ cấu trúc lớp (layered structure) của than chì, vì giá rẻ nên không biết làm gì hơn là dùng làm lõi bút chì. Geim và Novoselov dùng một thao tác nano đơn giản bằng cách áp băng keo lên than chì để tách ra một mảng graphene. Từ đó than chì từ một "phó thường dân" được thăng hoa trở thành hoàng tử. Việc tách rời từng lớp graphene từ than chì lần đầu tiên đã cho ngành vật liệu học một vật liệu nano thuần carbon hai thứ nguyên với độ dày của một nguyên tử. Nó có hình dạng của mạng lưới giây chì làm chuồng gà (Hình 2). Tầm quan trọng trong ứng dụng của graphene và việc mở rộng chân trời nghiên cứu vật lý lý thuyết có lẽ là hai nguyên nhân chính trong việc trao giải Nobel cho Geim và Novoselov, dù rằng hai ông chỉ mới chế tạo graphene vào năm 2004.
(a)
(b)
Hình 2: (a) Một mảng graphene. (b) Phim graphene do các mảng graphene chồng chập tạo nên (Credit: Dr. Dan Li, Monash University, Australia).
Năm 2008, nhóm Manchester của Geim và Novoselov đã chế tạo transistor graphene ở kích cỡ 1 nanomét [11]. Có thể đây là kích cỡ nhỏ tận cùng của một transistor. Rõ ràng là một đột phá nhưng chỉ mang tính hàn lâm. Cũng như ống than nano, để làm transistor graphene cần phải được chế tạo với một chất lượng đồng nhất tuyệt đối và giá rẻ. Theo giá năm 2009, một mảng graphene 30 x 30 cm có giá bán là vài triệu đô la. Sẽ còn rất lâu transistor ống nano hay graphene mới có thể thay thế transistor silicon vì vấn đề kỹ thuật sản xuất và giá cả.
Một trở ngại khác là việc chế tạo vi mạch. Phương pháp li-tô quang là một phương pháp truyền thống tạo mẫu cho cho các mạch tích hợp chứa hàng trăm triệu và đang tiến đến một tỷ transitor silicon. Bằng phương thức này từ một mảng silicon vĩ mô người ta thiết kế vi mạch chi chít những linh kiện ở mức nanomét. Li-tô quang càng lúc càng tinh vi và tốn kém, bao gồm nhiều công đoạn như dùng tia năng lượng cao như tia tử ngoại, nhiệt và hoá chất để tẩy rửa. Những yếu tố này làm biến chất hay phân hủy các hợp chất hữu cơ kể cả ống than nano và graphene. Do đó, đây không phải phương pháp thích hợp chế tạo vi mạch cho các transistor hữu cơ. Các nhà khoa học vẫn còn đang loay hoay tìm một phương pháp tương đương với li-tô quang để sản xuất vi mạch có thể chứa một số lớn transistor và các phụ kiện hữu cơ hay nói rộng hơn một hệ thống tích hợp cấp nano giống như vi mạch silicon.
3. Phương pháp tự lắp ghép
Để chế tạo một linh kiện như transistor, vấn đề cơ bản cho trường hợp của vật liệu hữu cơ là làm sao có một sự sắp xếp thứ tự ở cấp độ phân tử. Người ta liên tưỏng đến cơ chế "tự lắp ghép" (self-assemble) của các phân tử sinh học tạo ra những bộ phận trong sinh thực vật có chức năng khác nhau. "Trật tự" là một đặc trưng của các các cơ quan sinh học được hình thành qua quá trình tự lắp ghép. Nó là một kết quả của sự tiến hóa qua hàng tỷ năm, xuất phát từ các đơn bào đơn giản cho đến các loài sinh thực vật phức tạp biết tư duy mà đỉnh cao là con người. Sinh học là một thí dụ điển hình của phương pháp "từ dưới lên". Cơ chế tự lắp ghép quán xuyến toàn bộ các quá trình sinh học theo một tôn ti (hierarchy) từ thấp đến cao, từ đơn giản đến phức tạp và phức tạp hơn nữa, tạo ra như đơn vị, bộ phận, cơ quan có chức năng nhất định, biết ứng đối với hoàn cảnh xung quanh, có khả năng tự sinh sản, tự bảo vệ và tự tu sửa (self-repair). Trải qua hàng tỷ năm, phương pháp "từ dưới lên" trong sinh học mang cơ chế tự lắp ghép cũng đã trải qua một quá trình tiến hóa hàng tỷ năm theo sự chọn lọc tự nhiên đã được nhà khoa học vĩ đại Darwin đề xướng.
Ta có thể so sánh transistor như tế bào của một dụng cụ điện tử và chip là tập hợp của các tế bào điều khiển sự vận hành của máy vi tính. Trong việc chế tạo mạch tích hợp chứa transistor hữu cơ, nếu ta có thể mô phỏng thiên nhiên thì phương pháp "từ dưới lên" sẽ là một con đường sản xuất lý tưởng. Như đã nói ở trên, cơ chế tự lắp ghép của phân tử là bước đầu tiên của quá trình "từ dưới lên". Khả năng tự lắp ghép của các phân tử sinh học quả thật nhiệm mầu, nhưng ta cũng có thể nhìn thấy hiện tượng này ở mức độ đơn giản nhất trong nhà bếp. Ai có kinh nghiệm rửa chén bát đều thấy một giọt mỡ lan rất nhanh trên mặt nước tạo thành một màng cực mỏng do sự tự lắp ghép các phân tử mỡ trên bề mặt của nước. Một muỗng dầu có thể tích khoảng 2 ml (mililít) lan trên mặt hồ có thể phủ kín một diện tích rộng 2.000 m2. Ta có thể tính được độ dày của lớp phủ khoảng 1 nm (nanomét) hay là kích thước trung bình của một phân tử. Như vậy, màng dầu lan tỏa trên mặt hồ là màng cực mỏng hai thứ nguyên có độ dày của một phân tử. Tương tự, chất hoạt tính bề mặt (surfactant) trong bột giặt tự lắp ghép sao cho đầu thích nước sẽ nằm trong nước và đuôi ghét nước chĩa ra ngoài (Hình 3).
Hình 3: Sự tự lắp ghép đơn giản của các phân tử hoạt tính bề mặt ở mặt tiếp giáp nước và không khí.
Cụm từ "tự lắp ghép" mang ý nghĩa của một quá trình xảy ra tự nhiên, nhưng nó không phải là một quá trình "từ trên trời rơi xuống" mà ta chỉ ngồi đó chờ sung rụng… Nếu ta không tạo điều kiện và môi trường thích hợp thì sự tự lắp ghép sẽ không xảy ra. Sự lắp ghép của các phân tử là do sự kết hợp của các loại nối liên phân tử như nối hydrogen, nối van der Waals hay nối ion. Ta phải chọn lọc nhiệt độ, áp suất, độ pH thích hợp để sự lắp ghép của một tập hợp của phân tử hay vật liệu nano có cơ hội xảy ra theo ý muốn của mình. Sự kỳ diệu trong các sinh thực vật là tất cả mọi quá trình lắp ghép đi từ vi mô đến vĩ mô đều ở một nhiệt độ bình thường của môi trường xung quanh, áp suất không khí và môi trường nước có độ pH trung tính (pH ~ 7). Mô phỏng thiên nhiên quả là một việc không dễ khi thiên nhiên đã có một bề dày lịch sử tiến hóa hơn 4 tỷ năm so với kinh nghiệm nghiên cứu khoa học của con người chỉ hơn 400 năm.
Ngay từ thập niên 90 của thế kỷ trước, nhiều nhóm nghiên cứu đã chú ý đến tầm quan trọng của cơ cấu tự lắp ghép của các phân tử trên một diện rộng cho việc thực hiện mạch tích hợp với các vật liệu hữu cơ. Cho đến nay thành quả của các nỗ lực này vẫn còn một giới hạn. Nếu so với hệ thống sinh học với cấu trúc tự lắp ghép đa tầng từ vi mô đến vĩ mô, từ phân tử đến con người, càng to càng tinh vi, thì khả năng hiện tại của con người tạo ra điều kiện tự lắp ghép của các vật liệu chỉ vỏn vẹn từ một tầng phân tử đến đa tầng phân tử. Tuy nhiên, phải nói rằng phương pháp tự lắp ghép của polymer bán dẫn để hình thành dây nano (nanowire) cho transistor là một tiến bộ đáng kể của cơ chế này.
Việc sử dụng các loại polymer bán dẫn như polypyrrole, polyaniline và polythiophene thay cho silicon trong transistor đã được đề xuất từ ba thập niên trước, ngay sau khi lúc các vật liệu này được phát hiện bởi Alan MacDiarmid, Alan Heeger và Hideki Shirakawa (Nobel Hóa học 2000) [12]. Kể từ khi transistor polymer bán dẫn polythiophene đầu tiên được báo cáo vào năm 1987 (Hình 4), transistor polymer tạo ra những đột phá trong hai thập niên phát triển nhờ vào cơ chế tự lắp ghép và trở nên thông dụng dưới dạng transistor phim (thin film transitor). Như ta đã biết trong silicon, sự di động của electron trong transistor đòi hỏi một con đường thông thoáng được thành hình bởi độ trật tự của tinh thể silicon. Tương tự, vật liệu polymer cần phải có cấu trúc tinh thể với độ trật tự thật cao. Để thực hiện điều này, ta phải tạo điều kiện để các phân tử polymer có thể tự lắp ghép tạo thành một dây nano có một trật tự nhất định (Hình 5) [13].
Hình 4: Cấu trúc hóa học của poly(3-hexylthiophene), một polymer bán dẫn thông dụng dùng trong transistor.
(a)
(b)
Hình 5: (a) Các phân tử poly(3-hexylthiophene) tự lắp ghép bằng cách chồng chập theo chiều vân đạo p và cũng là trục của dây nano. Dây nano vắt ngang hai điện cực nguồn và máng của transistor. (b) Ảnh minh họa của transitor dây nano. S: cực nguồn, D: cực máng, Dielectric: lớp cách điện, Gate: cổng.
Các loại transistor với cổng logic làm từ ống than nano, dây nano của polymer bán dẫn và gần đây graphene đã cho thấy những ưu điểm của vật liệu một chiều (1D) và hai chiều (2D). Tuy nhiên, việc thu nhỏ vẫn không vượt qua được kích cỡ của transistor silicon đang có trên thương trường. Cơ cấu tự lắp ghép có lẽ là một phương pháp hữu hiệu để thực hiện mạch tích hợp của các linh kiện điện tử hữu cơ nhưng với khả năng hiện tại người ta chỉ có thể thực hiện cơ cấu này ở mức sơ đẳng nhất so với hệ thống sinh học.
4. Kỹ thuật in phun
Lắm lúc những dụng cụ trong cuộc sống đời thường có thể là một khuôn mẫu cho một ứng dụng mới trong khoa học. Các nhà nghiên cứu thường nhìn xung quanh tìm ý tưởng vì những cái trông rất bình thường và đương nhiên lắm khi lại hàm chứa nhiều ý tưởng thú vị. Chiếc máy in phun (inkjet printer) để bàn hầu như trở nên một vật dụng cần thiết đi đôi với chiếc máy tính. Nó lọt vào mắt xanh của các nhà khoa học vì khả năng phun mực in ở cấp độ nanolít (1 phần tỷ lít). Sự hoà tan thường thấy trong dung môi hay dung dịch keo (colloids) của các hợp chất hữu cơ là một ưu điểm cho quá trình chế tạo vi mạch làm từ các vật liệu hữu cơ. Với một vài thao tác hoá học các loại dung dịch hay chất keo vật liệu hữu cơ có thể biến thành "mực" in.
Ứng dụng trực tiếp của ưu điểm này là khả năng in phun lên trên một chất nền mềm và mỏng tạo ra những mô dạng vi mạch cho một ứng dụng điện tử. Đã có nhiều phòng nghiên cứu trên thế giới dùng máy in phun văn phòng để in dung dịch của các hợp chất hữu cơ, polymer bán dẫn hay dung dịch keo của ống than nano, graphene, hạt nano kim loại hay bán dẫn. Chiếc máy in phun được cải biến để in các lằn gạch, chấm có tính dẫn điện hay bán dẫn ở kích cỡ micromét tạo hình các vi mạch trên chất nền polymer dẻo. Như thế, người ta có thể sản xuất các dụng cụ điện tử mềm có thể cuốn tròn hay co dãn (Hình 6) [14].
Hình 6: Mạch tích hợp chứa transistor ống than nano được in trên chất nền polymer mềm và trong suốt.
Bộ phận chính của máy in phun là hệ thống điện cơ vi mô (micro electromechnical system, viết tắt MEMS) điều khiển đầu phun thành chữ viết theo mệnh lệnh phát ra từ máy tính. Đầu phun có thể tạo ra dấu chấm, đường thẳng, đường cong ở mọi kích cỡ. Dấu chấm của chữ i là kích cỡ nhỏ nhất (60 – 70 mm) máy có thể in, tương đương với một giọt mực có thể tích là 1 nanolít. Ngày nay máy in phun văn phòng không được giới tiêu thụ ưa chuộng như máy in laser nhưng các nhà khoa học và kỹ sư điện tử đang tiếp tục cải thiện máy in phun chuyên dụng trong việc thiết kế vi mạch của linh kiện điện tử cho nền công nghiệp "điện tử mềm" (flexible electronics) [15]. Phương pháp in phun không tinh vi như phương pháp li-tô quang; giới hạn độ nhỏ hiện nay của in phun là vài mươi micromét trong khi li-tô đã tạo ra vi mạch ở mức nanomét, vài ngàn lần nhỏ hơn. Nhưng in phun là phương pháp ít phức tạp, ít tốn kém và sẽ là một trong những công cụ tạo vi mạch cho các sản phẩm "điện tử mềm" của tương lai.
5. Công nghiệp "điện tử mềm"
Việc sử dụng vật liệu hữu cơ bán dẫn thay thế silicon trong transistor trong 20 năm qua mang đến những thành quả rõ rệt với nhiều tiềm năng thương phẩm hoá cho công nghiệp điện tử. Nhưng, dựa trên cơ sở của các công trình nghiên cứu mới nhất vật liệu hữu cơ không thể đánh bại được silicon trong cuộc chạy đua thu nhỏ transistor và chế tạo mạch tích hợp chứa hàng trăm triệu transistor. Silicon vẫn thống trị chip vi tính nếu transistor vẫn theo thiết kế cổ điển "nguồn – cổng – máng" (source – gate – drain) đóng mở dòng điện [16]. Trong ý nghĩa này, transistor hữu cơ không đạt được cái kỳ vọng ban đầu nhằm thay thế transistor silicon, nhưng sự phát triển của transistor hữu cơ theo dòng thời gian đã mở màn cho một nền công nghệ mới, đó là công nghiệp "điện tử mềm" (flexible electronics).
Transistor hữu cơ hiện tại tuy không có một kích cỡ nhỏ hay tốc độ xử lý nhanh như transistor silicon, nhưng nó có thể được sử dụng trong những dụng cụ không có yêu cầu cực nhanh chẳng hạn như điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số hay màn hình sách điện tử (e-book reader). Các bộ cảm ứng (sensor) hóa học hay sinh học áp dụng trong công nghiệp hay y khoa được chế tạo dưới dạng transistor để khuếch đại độ nhạy của bộ cảm ứng (Hình 7) [17].
Hình 7: Transistor hữu cơ với hệ thống mạng ống nano hay dây nano (Assembly of NT/NW networks) có ứng dụng trong bộ cảm ứng (Sensors), dụng cụ điện tử mềm (Flexible devices) và mặt tiếp giáp sinh học (Bio-interfaces) của bộ cảm ứng sinh học.
Một ứng dụng của transistor hữu cơ đang có tầm ảnh hưởng lớn trong công nghiệp điện tử là chức năng hỗ trợ cho các điểm sáng diode (light emiting diode, LED). LED là loại bóng đèn dựa vào sự kích hoạt electron lên bực năng lượng cao hơn bởi dòng điện. Khi electron nhảy xuống bực năng lượng cũ thì năng lượng dư thừa được phát ra dưới dạng photon phát ra ánh sáng. LED là một thương phẩm rất phổ cập vì vừa túi tiền người mua vừa ít tiêu hao năng lượng so với bóng đèn giây tóc (điện trở). LED có thể là chiếc đèn nhấp nháy khiêm tốn của người đi xe đạp nhưng cũng là hàng ngàn, chục ngàn chiếc đèn đủ màu sắc trang trí trên những cây Giáng Sinh lộng lẫy. Ta không cần phải đợi đến mùa Giáng Sinh để bị cuốn hút bởi màu sắc của LED. LED là đơn vị phát quang cơ bản của những màn hình quảng cáo hay màn hình tivi khổng lồ đặt trước những quảng trường của các thành phố lớn trên thế giới. LED trong các màn hình này không còn nhấp nháy tùy tiện như chiếc đèn xe đạp hay đèn Giáng Sinh. Mỗi LED được gắn với transistor hỗ trợ để điều khiển màu và độ sáng cho ta những hình ảnh sống động của một màn hình.
Vật liệu phát quang của LED thường là chất bán dẫn vô cơ, nhưng các chất hữu cơ và polymer bán dẫn dần dần thay thế chất vô cơ để tạo ra LED hữu cơ (organic light emitting diode, OLED). Mỗi OLED được thu nhỏ đến kích thước micromét để tạo những điểm chấm sáng li ti (từ chuyên môn là pixel) trên màn hình tivi, máy tính, máy ảnh và điện thoại di động. Những điểm sáng được hỗ trợ bởi transistor phía sau màn hình. Hãng điện tử Samsung (Hàn Quốc) là một trong những công ty hàng đầu trong lĩnh vực màn hình đang đầu tư rất nhiều vào các công trình nghiên cứu và thương phẩm hóa màn hình OLED. Màn hình OLED mang đến cho giới tiêu thụ nhiều ưu điểm như ít tiêu hao năng lượng, độ sáng tuyệt vời, màu sắc đậm nét và có khả năng thay thế màn hình tinh thể lỏng (liquid crystal display, LCD) hiện đang rất phổ cập trên thị trường. Các transistor silicon hỗ trợ đã có đóng góp to lớn vào những vượt trội này cho màn hình OLED. Gần đây transistor hữu cơ dần dần thay thế transistor silicon trong các màn hình OLED kích thước nhỏ cho điện thoại di động hay máy ảnh (Hình 8) [18]. Đặc điểm của transistor hữu cơ là có thể dùng ở điện áp thấp và tiêu hao ít năng lượng hơn transistor silicon. Đối với những dụng cụ điện tử cầm tay dùng pin transistor hữu cơ quả là một linh kiện lý tưởng. Công ty Samsung tiếp tục gia tăng độ lớn màn hình OLED cho tivi và máy tính, nhưng giá thành sản xuất màn hình này còn quá cao. Tivi với màn hình OLED 15 inch có giá bán $2,300 khi màn hình LCD chỉ là $200. DuPont sử dụng phương pháp in phun chế tạo các điểm sáng OLED giảm giá sản xuất. Gần đây, nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Andrew Rinzler (University of Florida, Mỹ) sử dụng ống than nano trong transistor hữu cơ gia tăng tiềm năng sản xuất đại trà màn hình OLED kích cỡ lớn [19-20]. Như vậy, chúng ta sẽ sở hữu màn hình "toàn hữu cơ" vừa túi tiền, chất lượng tốt, có thể cuốn tròn hay trang trí trên tường vào một ngày không xa.
Hình 8: Mặt trên và dưới của mạng transistor hữu cơ (16 x 16 đơn vị) hỗ trợ cho màn hình OLED cỡ nhỏ (8 x 8 cm) được in chất nền polymer.
6. Con thoi siêu phân tử
Kể từ lúc được phát minh với độ lớn vài cm đến transistor hiện đại có kích cỡ vài mươi nanomét, mô dạng của một transistor với ba chấu: nguồn, máng và cổng, vẫn không thay đổi theo thời gian. Những vật liệu bán dẫn hữu cơ đã được đưa vào transistor để thiết kế cổng logic cho mục đích thu nhỏ, giảm nhiệt, nhưng vẫn bị đóng khung trong mô dạng cổ điển. Ngoài những vướng mắc cơ bản của transistor ống nano, graphene hay polymer bán dẫn đã được đề cập ở trên, dùng vật liệu hữu cơ làm cổng logic nhưng vẫn duy trì mô dạng cũ được kích hoạt bởi dòng điện chẳng qua là hội chứng "bình cũ rượu mới". Transistor cần phải thoát ly ra ngoài khuôn khổ này với một cấu trúc mới được vận hành bởi năng lượng ánh sáng (hay sóng điện từ). Ta hãy xem tiềm năng của con thoi siêu phân tử như một transistor không có "nguồn – cổng – máng". Và khi ta thoát ra được cái vòng kim cô "nguồn - cổng – máng", ta sẽ không còn lo âu về sự phát nhiệt của chip.
Siêu phân tử (supra-molecule) trong hóa học hữu cơ là một mô phỏng gần nhất của sự tự lắp ghép của phân tử sinh học mang những chức năng "sống" của một động cơ, biết xoay, biết di động hay biến hình gây ra bởi những kích thích từ ngoài [21]. Siêu phân tử là sản phẩm do sự tự lắp ghép giữa hai hay nhiều phân tử và chúng được nối kết bởi các lực liên phân tử. Hai cấu trúc động cơ phân tử quan trọng là: rotaxane và catenane [22] (Hình 9). Thuật ngữ rotaxane được phối hợp từ hai chữ La-tin rota (bánh xe, wheel) và axis (trục, axle); và catenane từ chữ catena (dây xích, chain).
Hình 9: Hình minh họa rotaxane và catenane (a): Vòng rotaxane di động tịnh tiến qua lại như con thoi; (b): Vòng rotaxane quay quanh tại một điểm và (c): Hai vòng của catenane, một vòng quay, một vòng cố định.
Vòng của rotaxane có thể di chuyển tịnh tiến tới lui đến từng địa điểm trên cây trục như chiếc xe lửa dừng ở các trạm ga (Hình 9a). Hai đầu của cái trục được gắn bởi nhóm phân tử to để chặn vòng không bị tuột ra ngoài. Đây là chuyển động con thoi. Với cơ chế con thoi, rotaxane hành xử như là một công tắc đóng/mở (on/off) hay là 0/1 (không/có) trong nguyên tắc điều biến nhị phân (binary modulation). Có nghĩa là, khi chiếc vòng dừng ở trạm thứ nhất ta có trạng thái "đóng" (hay là 0), ở trạm thứ hai, trạng thái "mở" (hay là 1). Rotaxane cho thấy tiềm năng sử dụng như một cổng logic đóng/mở của transistor. Có thể đây là tương lai của transistor ở cấp phân tử, một linh kiện điện tử lý tưởng cho các nhà thiết kế vi mạch và thiết kế chip vi tính hằng mơ ước. Hiện tại, các nhà hóa học có thể tổng hợp hàng triệu phân tử rotaxane trên một bề mặt tạo ra một tác động cơ học bằng cách cho chiếc vòng di chuyển qua lại bằng phương pháp điện hóa [23] hay tia tử ngoại [24]. Transistor siêu phân tử sẽ là một sản phẩm nhân tạo theo cơ chế tự lắp ghép. Sự phát nhiệt từ transistor sẽ đi vào lịch sử. Máy tính phân tử sẽ có một bộ nhớ vĩ đại và năng suất 100 tỷ lần cao hơn máy tính hiện tại. Nếu suy luận qua độ lớn, ta sẽ có một máy vi tính to bằng hạt cát với năng suất 100 lần nhiều hơn máy tính mà người viết đang sử dụng.
Mặc dù còn vô số trở ngại kỹ thuật nhưng tham vọng của con người không chỉ dừng lại ở việc thu nhỏ transistor mà còn đi xa hơn một bước là việc thu nhỏ máy tính. Thu nhỏ đến mức nào? Theo lời của một chuyên gia vi tính Mỹ thì "Giấc mơ cuối cùng không phải nhắm đến việc chế tạo máy tính tương lai có kích thước của một hạt bụi mà là một máy tính đơn giản có kích thước của một con vi khuẩn. Sau đó bạn có thể kết hợp lại để có một chiếc máy tính có kích thước một hạt bụi với sức mạnh tương đương với chiếc máy tính để bàn mà bạn đang sử dụng". Và xa hơn nữa là liên mạng của các máy tính hạt bụi thành một siêu máy tính. Đây cũng là một kỳ vọng mà các nhà khoa học đã phác họa cho máy tính của transistor siêu phân tử. Nó biểu hiện một sản phẩm của phương pháp tự lắp ghép "từ dưới lên", xuất phát từ việc kết hợp những đơn vị cơ bản để tạo ra một dụng cụ với chức năng mong muốn.
Vietsciences- Trương Văn Tân 26/07/2011
"Hạt bụi nào hóa kiếp thân tôi
Để một mai vươn hình hài lớn dậy"
Trịnh Công Sơn
Tóm tắt
Transistor silicon hiện tại sẽ tiến đến mức cực nhỏ và không thể thu nhỏ hơn. Định luật Moore sẽ sụp đổ. Công nghiệp sản xuất máy tính sẽ chết dần. Đây là niềm lo âu đối với công nghiệp điện tử và kinh tế toàn cầu. Các vật liệu hữu cơ như polymer bán dẫn, hợp chất acene, ống than nano và graphene được dùng để chế tạo transistor hữu cơ nhằm thay thế transistor silicon trong chip vi tính. Sau hơn 20 năm, nghiên cứu transistor hữu cơ vẫn còn nhiều vướng mắc kỹ thuật trong việc gia tăng tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng làm chip vi tính. Tuy nhiên, transistor hữu cơ đã khai sáng ra nền công nghiệp "điện tử mềm" (flexible electronics) trong đó các vi mạch được in lên những chất nền polymer hay cao su mềm, trong suốt. Một trong những ứng dụng lớn là màn hình mềm cho tivi hay laptop cuốn tròn, thậm chí có thể dán tường. Mặt khác, cuộc chạy đua tìm kiếm transistor cho máy tính tương lai vẫn tiếp diễn. Người ta nghĩ đến việc dùng transistor siêu phân tử biến máy tính thành hạt bụi rồi nối mạng các "hạt bụi" này thành máy tính cực siêu như bộ não con người. Nhưng, sản phẩm này vượt ra ngoài khả năng của khoa học hiện tại. Thực tế hơn, những nguyên lý "kỳ quặc" của cơ học lượng tử đang được tận dụng để chế tạo máy tính lượng tử. Máy tính lượng tử có tốc độ xử lý siêu việt. Những gì máy thông thường cần 100 năm để tìm giải đáp thì máy lượng tử chỉ cần vài phút. Lạ lùng thay, vi khuẩn quang hợp cũng hành xử như một máy tính lượng tử trong quá trình quang hợp. Mẹ thiên nhiên dường như có câu trả lời cho tất cả!
1. Silicon hay carbon?
Bộ vi xử lý hay còn gọi là chip vi tính giống như chiếc đũa thần. Khi được cài vào máy tính, nó làm máy càng mỏng xử lý càng nhanh; nó đã biến bộ môn nhiếp ảnh thành kỹ thuật số, cũng như đã biến chiếc điện thoại di động nhỏ bé càng mang nhiều chức năng thuận tiện; nó đã làm cho một màn hình trở thành bộ sách chứa hàng trăm quyển sách (e-book reader); nó biến robot mang những cử động và biểu hiện cảm xúc giống như con người, Pinocchio cơ hồ trở thành người thật. Chưa hết. Khi chip hiện diện trong máy bay, nó sẽ biến máy bay trở nên không người lái. "Phi công" ngồi trong một căn phòng thoải mái ở một nơi bí mật nào đó cách xa chiến trường điều khiển những chiếc máy bay tiềm kích không người lái (drone) truy tìm đối phương ẩn nấp trong rừng núi, khởi động tên lửa vào những mục tiêu bằng những cái nhấn trên bàn phím.
Ngoài máy bay không người lái, các nhà khoa học đang nghiên cứu việc dùng chip để điều khiển một hệ thống định vị GPS và các radar đặt trong xe hơi để tạo những chiếc xe không tài xế. Con người rồi đây chỉ là hành khách ngồi ung dung đọc báo, trò chuyện. Xe sẽ biết dừng hay chạy trước tín hiệu giao thông, biết gia giảm tốc độ, biết tránh hay nhường đường với những chiếc xe xung quanh. Những từ như "tài xế" hay "tai nạn giao thông" sẽ tan biến vào quá khứ và không còn nằm trong ngôn ngữ giao tiếp đời thường. Con nguời sẽ hành xử văn minh hơn, không còn những tiếng quát tháo, cử chỉ dung tục giữa các tay lái trên đường phố, hay những lời càm ràm của người ngồi bên cạnh đại loại như "Sao anh chạy nhanh quá", "Anh sao rồi? Làm gì mà chạy như rùa vậy", "Sao bỗng dưng anh thắng gấp làm mẹ con tui giựt mình" v.v...
Tuy rằng chip còn cần những phần mềm tin học điều khiển rất đa dạng và những công nghệ đặc dụng khác dùng làm "tai, mắt, chân, tay" cho nó để tạo ra những tiện nghi như vừa kể trên, có thể nói chip đã làm thay đổi bộ mặt của xã hội loài người hơn nửa thế kỷ qua và sẽ tiếp tục tạo những kỳ tích trong vài thập niên kế tiếp. Theo chuyên gia, nếu chip của máy tính vẫn tiếp tục phô diễn sức mạnh xử lý theo định luật Moore thì có lẽ 50 năm sau máy tính sẽ vượt qua bộ óc con người. Nhưng, như đã trình bày trong bài viết trước [1] định luật Moore sẽ sụp đổ theo quy luật vật lý. Mười năm trước đây, giới tiêu thụ có khuynh hướng thay máy tính hay laptop mới mỗi năm vì tốc độ xử lý và sức chứa của bộ nhớ không ngừng gia tăng. Giờ đây, thời gian sử dụng máy tính hay laptop có thể kéo dài hơn 3 năm vì sức mạnh của chip không còn gia tăng nhanh như trước. Mãi lực yếu của người tiêu dùng cho thấy cái khởi đầu của tiến trình đi đến sự sụp đổ của định luật Moore. Nhưng người ta vẫn chưa biết định luật Moore sẽ sụp đổ như thế nào và linh kiện gì sẽ thay thế transistor silicon của chip. Và nếu không có gì để thay thế thì cuộc cách mạng tin học sẽ ngừng lại. Đây là một điều thực sự lo âu cho nền kinh tế toàn cầu.
Một câu hỏi thường xuyên được đặt ra là có một vật liệu nào có thể thay thế được silicon để tạo ra một thời đại hậu-silicon (post-silicon) vừa tiếp tục sự thu nhỏ của transistor vừa khắc phục được các nhược điểm của silicon. Carbon và silicon là hai nguyên tố anh em trong cùng Nhóm IV của bảng phân loại tuần hoàn. Mặc dù cùng ở Nhóm IV, silicon là đại diện của vật chất vô cơ trong khi carbon là nguyên tố chính của vật chất hữu cơ và sự sống. Silicon nổi bật trong thế giới chất rắn vì người ta có thể tinh chế được silicon đến độ nguyên chất gần như tuyệt đối (độ tinh khiết 99.999999999 %, 11 con số 9). Tinh thể silicon là một trong những tinh thể có ít khuyết tật nhất. Trong công nghiệp điện tử người ta biết đến silicon như là một vật liệu toàn bích cho transistor. Trong vật lý nó là một chất bán dẫn tiêu biểu làm sáng tỏ những hiện tượng cơ bản của vật lý chất rắn. Carbon lại là một nguyên tố nổi bật trong bảng phân loại tuần hoàn, nguyên tố chính của hằng trăm triệu hợp chất hữu cơ nhân tạo và toàn thể phân tử của sinh thực vật trên quả đất.
Trong ba thập niên qua, những vật liệu hữu cơ dẫn điện hay bán dẫn như hợp chất họ acene (hợp chất do các nhân benzene nối kết với nhau), polymer bán dẫn, ống than nano và gần đây graphene là những vật liệu được tổng hợp và nghiên cứu cho những ứng dụng điện tử. Cụm từ "transistor hữu cơ" trong bài viết chỉ toàn thể transistor làm từ các vật liệu hữu cơ vừa đề cập, nghĩa là các chất chứa nguyên tố carbon. Trong khi silicon là một trong những chất bán dẫn vô cơ tiêu biểu, vật liệu hữu cơ có độ dẫn điện có thể được điều chỉnh từ mức bán dẫn đến mức dẫn điện của đồng. Ngoài ra, hợp chất hữu cơ hay polymer có thể hòa tan trong dung môi rất tiện lợi cho hóa trình chế tạo linh kiện và vật liệu hình thành là một thể mềm (thí dụ, plastic hay cao su) có thể uốn cong, gấp nhỏ. Sự khác biệt giữa carbon và silicon không chỉ dừng ở đây. Transistor dùng nguyên tố silicon là một thí dụ điển hình của nền công nghệ "từ trên xuống", trong khi polymer bán dẫn, ống than nano và graphene là vật liệu nano mang tiềm năng sáng tạo các công cụ điện tử chế tạo bằng phương pháp "từ dưới lên".
Đây là những ưu điểm của vật liệu hữu cơ nhưng làm thế nào để các ưu điểm này được tận dụng tối đa và liệu các chất này có thể thay thế silicon trong cuộc cách mạng thu nhỏ transistor? Có khả năng nào để ta thiết kế chip chứa hàng trăm triệu hay hàng tỷ transistor hữu cơ bằng phương pháp "từ dưới lên" mô phỏng theo bộ não sinh vật chứa hàng trăm tỷ tế bào não? Một khuynh hướng nghiên cứu khác để cứu vãn sự sụp đổ của định luật Moore là máy tính lượng tử, sử dụng nguyên tử như một transistor. Có khả năng nào máy tính lượng tử sẽ là máy tính của tương lai? Trong nghiên cứu khoa học, mỗi thành quả là một lời giải đáp nhưng cũng ẩn tàng nhiều câu hỏi khác. Dường như Mẹ thiên nhiên nhìn thấy tất cả và đã có câu trả lời cho mọi tình huống. Bài viết này nhằm tìm kiếm câu trả lời cho các câu hỏi trên dựa trên theo các công trình nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực transistor hữu cơ và những tiến triển trong vi tính lượng tử hay những câu trả lời của Mẹ thiên nhiên đã có sẵn đâu đó ở xung quanh ta.
2. Transistor carbon: ống than nano và graphene
Kể từ năm 1991 khi tiến sĩ Sumio Iijima tái phát hiện ống than nano và khẳng định vai trò quan trọng của vật liệu này trong khoa học và công nghệ, những phương pháp tổng hợp ống nano đã đạt đến một trình độ tinh vi để hình thành được các loại ống theo yêu cầu của một ứng dụng được định trước. Từ một sản phẩm đầu tiên tạp nhạp chứa những ống than kích thước, đường kính khác nhau, những lớp vỏ nhiều ít khác nhau, các nhà khoa học đã minh định được những yếu tố để kiểm soát phẩm chất của ống theo nhu cầu. Đây cũng là điều kiện tiên quyết trong việc chế tạo transistor ống than nano.
Ống than nano đặc biệt gây được sự chú ý đến các nhà nghiên cứu vật lý chất rắn và kỹ sư thiết kế transistor. Đường kính vài nanomét và tính chất truyền điện đạn đạo (ballistic electrical conduction) là hai điều kiện lý tưởng cho việc chế tạo transistor. Điều kiện thứ nhất cho thấy khả năng thu nhỏ transistor đến kích cỡ vài nanomét. Điều kiện thứ hai mở ra tiềm năng chế tạo một transistor không phát nhiệt hay rất ít phát nhiệt [2-3]. Vì có hình dạng ống, sự di động qua lại của electron trong ống như ra vào ở chỗ không người, không bị vướng mắc va chạm như trong dây đồng hay silicon. Đó là sự truyền điện đạn đạo không gây nhiệt.
Thay thế vật liệu vô cơ bán dẫn silicon bằng vật liệu hữu cơ carbon có thể xem là một bước ngoặt quan trọng trong việc triển khai và thu nhỏ transisitor. Từ hơn một thập niên qua đã có nhiều nỗ lực đơn lẻ [4-6] nhưng công ty IBM vẫn dẫn đầu trong việc đầu tư nghiên cứu transistor ống than nano với mục đích vi mạch hóa và thay thế transistor "cổ điển" silicon [7-10] (Hình 1). Là một công ty hàng đầu làm chip vi tính, việc dấn thân vào nghiên cứu chế tạo transisitor ống than nano cho thấy tiềm năng rộng lớn của ống than nano trong lĩnh vực điện tử. Các kết quả thí nghiệm cho thấy tác động đóng mở của transistor ống than nano có tốc độ nhanh không kém transistor silicon và cho nhiều tiềm năng. Sự thành công của transistor dùng ống than nano sẽ là bước đầu nhiều hứa hẹn dẫn đến ngành điện tử học nano trong đó người ta có thể làm toàn thể mạch điện và các linh kiện điện tử ở cấp nanomét.
Hình 1: Transistor ống than nano. (a) Cấu trúc, S: cực nguồn (source), D: cực máng (drain), Si back gate: cổng silicon. (b): Mặt trên của mẫu transistor với cực S và D là hợp kim Au/Ti được nối với một SWNT bắc ngang.
Ống than nano vỏ đơn (single-wall carbon nanotube, SWNT) có đường kính 1 – 5 nm (nanomét) là một vật liệu chính được dùng để thiết kết cổng transistor có tiềm năng chế tạo transitor thu nhỏ ít phát nhiệt. Nhưng phần lớn trong các bài báo cáo gần đây, các nhà nghiên cứu dường như không nói đến khả năng transistor ống than nano thay thế transistor silicon truyền thống trong quá trình tiếp tục thu nhỏ. Điều này dễ hiểu. Gần một tỷ transistor silicon được cài đặt trong mạch tích hợp làm nên chip của các máy vi tính hiện đại được sản xuất đại trà bằng phương pháp li-tô quang của công nghệ cao. Ngoài việc nâng cao kỹ năng chế tạo chip, bản thân nguyên tố silicon là một vật liệu kết tinh với những mạng tinh thể có độ chính xác đến mức nguyên tử với chất lượng gần như tuyệt đối. Khó có một nguyên tố nào khác có thể bì kịp. Transistor từ ống than nano hay các vật liệu hữu cơ khác chưa có hai ưu điểm này.
Hiện nay IBM vẫn tiếp tục đầu tư vào các nghiên cứu dùng ống than nano vỏ đơn (SWNT). Đối với một công ty như IBM mà mục tiêu kinh doanh là lợi nhuận, việc duy trì các công trình nghiên cứu transisitor SWNT mang một ý nghĩa đặc biệt. Trong bài tổng quan của Appenzeller [9], tiêu điểm nghiên cứu không còn là việc thu nhỏ transistor mà là phát huy triệt để các đặc tính điện tử của ống nano. Ngoài hiện tượng di chuyển đạn đạo của electron trong ống, một đặc trưng khác của transistor ống nano là hiệu ứng đường hầm của ống. Cổng transistor như cái vòi nước điều khiển dòng electron chảy (on) hay ngừng (off). Điện thế của cổng to hay nhỏ sẽ làm cho dòng chảy nhiều hay ít hay hoàn toàn ngưng lại. Hiệu ứng đường hầm trong ống than nano sẽ giúp cho transitor chỉ cần một điện thế rất nhỏ so với transistor silicon cho việc đóng mở (on/off). Hệ quả là độ nhạy của transistor sẽ gia tăng và sự tiêu thụ năng lượng sẽ giảm đi rất nhiều.
Từ những ưu điểm này, ống than nano giải quyết được vấn đề giảm sự phát nhiệt qua đặc tính di chuyển đạn đạo và độ nhạy của cổng qua hiệu ứng đường hầm. Tuy nhiên, để tiến đến việc chế tạo vi mạch và dụng cụ điện tử chứa transistor SWNT các nhà khoa học cần phải tổng hợp SWNT thuần chất gần như tuyệt đối, đồng nhất đến mức phân tử: đường kính, chiều dài, cấu trúc và độ dẫn điện. Phương pháp tổng hợp SWNT hiện nay thường sản xuất những ống có đường kính khác nhau hay ống nhiều vỏ (multi-wall carbon nanotubes, MWNT) lẫn vào như một chất tạp. Mặc dù đã có hàng trăm báo cáo và đăng ký phát minh về phương pháp tổng hợp ống than nano, chưa có một phương pháp nào có thể sản xuất đại trà SWNT đạt được yêu cầu khắt khe cho quá trình chế tạo transitor. Một bài báo cáo mới đây [10] cho biết việc tinh lọc SWNT bán dẫn đã đạt đến độ tinh khiết 99 % với đường kính 1 nm thích hợp cho việc chế tạo transistor. Một tia sáng ở cuối đường hầm, nhưng đây là một quá trình tốn kém.
Graphene là người anh em của ống than nano trong dòng họ carbon. Tháng 12 năm 2010, Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển trao giải Nobel Vật lý cho công trình nghiên cứu graphene của hai nhà khoa học người Anh gốc Nga, Andre Geim và Konstantin Novoselov (Đại học Manchester, Anh quốc). Graphene là một lớp của than chì (graphite). Từ lâu, người ta đã biết rõ cấu trúc lớp (layered structure) của than chì, vì giá rẻ nên không biết làm gì hơn là dùng làm lõi bút chì. Geim và Novoselov dùng một thao tác nano đơn giản bằng cách áp băng keo lên than chì để tách ra một mảng graphene. Từ đó than chì từ một "phó thường dân" được thăng hoa trở thành hoàng tử. Việc tách rời từng lớp graphene từ than chì lần đầu tiên đã cho ngành vật liệu học một vật liệu nano thuần carbon hai thứ nguyên với độ dày của một nguyên tử. Nó có hình dạng của mạng lưới giây chì làm chuồng gà (Hình 2). Tầm quan trọng trong ứng dụng của graphene và việc mở rộng chân trời nghiên cứu vật lý lý thuyết có lẽ là hai nguyên nhân chính trong việc trao giải Nobel cho Geim và Novoselov, dù rằng hai ông chỉ mới chế tạo graphene vào năm 2004.
(a)
(b)
Hình 2: (a) Một mảng graphene. (b) Phim graphene do các mảng graphene chồng chập tạo nên (Credit: Dr. Dan Li, Monash University, Australia).
Năm 2008, nhóm Manchester của Geim và Novoselov đã chế tạo transistor graphene ở kích cỡ 1 nanomét [11]. Có thể đây là kích cỡ nhỏ tận cùng của một transistor. Rõ ràng là một đột phá nhưng chỉ mang tính hàn lâm. Cũng như ống than nano, để làm transistor graphene cần phải được chế tạo với một chất lượng đồng nhất tuyệt đối và giá rẻ. Theo giá năm 2009, một mảng graphene 30 x 30 cm có giá bán là vài triệu đô la. Sẽ còn rất lâu transistor ống nano hay graphene mới có thể thay thế transistor silicon vì vấn đề kỹ thuật sản xuất và giá cả.
Một trở ngại khác là việc chế tạo vi mạch. Phương pháp li-tô quang là một phương pháp truyền thống tạo mẫu cho cho các mạch tích hợp chứa hàng trăm triệu và đang tiến đến một tỷ transitor silicon. Bằng phương thức này từ một mảng silicon vĩ mô người ta thiết kế vi mạch chi chít những linh kiện ở mức nanomét. Li-tô quang càng lúc càng tinh vi và tốn kém, bao gồm nhiều công đoạn như dùng tia năng lượng cao như tia tử ngoại, nhiệt và hoá chất để tẩy rửa. Những yếu tố này làm biến chất hay phân hủy các hợp chất hữu cơ kể cả ống than nano và graphene. Do đó, đây không phải phương pháp thích hợp chế tạo vi mạch cho các transistor hữu cơ. Các nhà khoa học vẫn còn đang loay hoay tìm một phương pháp tương đương với li-tô quang để sản xuất vi mạch có thể chứa một số lớn transistor và các phụ kiện hữu cơ hay nói rộng hơn một hệ thống tích hợp cấp nano giống như vi mạch silicon.
3. Phương pháp tự lắp ghép
Để chế tạo một linh kiện như transistor, vấn đề cơ bản cho trường hợp của vật liệu hữu cơ là làm sao có một sự sắp xếp thứ tự ở cấp độ phân tử. Người ta liên tưỏng đến cơ chế "tự lắp ghép" (self-assemble) của các phân tử sinh học tạo ra những bộ phận trong sinh thực vật có chức năng khác nhau. "Trật tự" là một đặc trưng của các các cơ quan sinh học được hình thành qua quá trình tự lắp ghép. Nó là một kết quả của sự tiến hóa qua hàng tỷ năm, xuất phát từ các đơn bào đơn giản cho đến các loài sinh thực vật phức tạp biết tư duy mà đỉnh cao là con người. Sinh học là một thí dụ điển hình của phương pháp "từ dưới lên". Cơ chế tự lắp ghép quán xuyến toàn bộ các quá trình sinh học theo một tôn ti (hierarchy) từ thấp đến cao, từ đơn giản đến phức tạp và phức tạp hơn nữa, tạo ra như đơn vị, bộ phận, cơ quan có chức năng nhất định, biết ứng đối với hoàn cảnh xung quanh, có khả năng tự sinh sản, tự bảo vệ và tự tu sửa (self-repair). Trải qua hàng tỷ năm, phương pháp "từ dưới lên" trong sinh học mang cơ chế tự lắp ghép cũng đã trải qua một quá trình tiến hóa hàng tỷ năm theo sự chọn lọc tự nhiên đã được nhà khoa học vĩ đại Darwin đề xướng.
Ta có thể so sánh transistor như tế bào của một dụng cụ điện tử và chip là tập hợp của các tế bào điều khiển sự vận hành của máy vi tính. Trong việc chế tạo mạch tích hợp chứa transistor hữu cơ, nếu ta có thể mô phỏng thiên nhiên thì phương pháp "từ dưới lên" sẽ là một con đường sản xuất lý tưởng. Như đã nói ở trên, cơ chế tự lắp ghép của phân tử là bước đầu tiên của quá trình "từ dưới lên". Khả năng tự lắp ghép của các phân tử sinh học quả thật nhiệm mầu, nhưng ta cũng có thể nhìn thấy hiện tượng này ở mức độ đơn giản nhất trong nhà bếp. Ai có kinh nghiệm rửa chén bát đều thấy một giọt mỡ lan rất nhanh trên mặt nước tạo thành một màng cực mỏng do sự tự lắp ghép các phân tử mỡ trên bề mặt của nước. Một muỗng dầu có thể tích khoảng 2 ml (mililít) lan trên mặt hồ có thể phủ kín một diện tích rộng 2.000 m2. Ta có thể tính được độ dày của lớp phủ khoảng 1 nm (nanomét) hay là kích thước trung bình của một phân tử. Như vậy, màng dầu lan tỏa trên mặt hồ là màng cực mỏng hai thứ nguyên có độ dày của một phân tử. Tương tự, chất hoạt tính bề mặt (surfactant) trong bột giặt tự lắp ghép sao cho đầu thích nước sẽ nằm trong nước và đuôi ghét nước chĩa ra ngoài (Hình 3).
Hình 3: Sự tự lắp ghép đơn giản của các phân tử hoạt tính bề mặt ở mặt tiếp giáp nước và không khí.
Cụm từ "tự lắp ghép" mang ý nghĩa của một quá trình xảy ra tự nhiên, nhưng nó không phải là một quá trình "từ trên trời rơi xuống" mà ta chỉ ngồi đó chờ sung rụng… Nếu ta không tạo điều kiện và môi trường thích hợp thì sự tự lắp ghép sẽ không xảy ra. Sự lắp ghép của các phân tử là do sự kết hợp của các loại nối liên phân tử như nối hydrogen, nối van der Waals hay nối ion. Ta phải chọn lọc nhiệt độ, áp suất, độ pH thích hợp để sự lắp ghép của một tập hợp của phân tử hay vật liệu nano có cơ hội xảy ra theo ý muốn của mình. Sự kỳ diệu trong các sinh thực vật là tất cả mọi quá trình lắp ghép đi từ vi mô đến vĩ mô đều ở một nhiệt độ bình thường của môi trường xung quanh, áp suất không khí và môi trường nước có độ pH trung tính (pH ~ 7). Mô phỏng thiên nhiên quả là một việc không dễ khi thiên nhiên đã có một bề dày lịch sử tiến hóa hơn 4 tỷ năm so với kinh nghiệm nghiên cứu khoa học của con người chỉ hơn 400 năm.
Ngay từ thập niên 90 của thế kỷ trước, nhiều nhóm nghiên cứu đã chú ý đến tầm quan trọng của cơ cấu tự lắp ghép của các phân tử trên một diện rộng cho việc thực hiện mạch tích hợp với các vật liệu hữu cơ. Cho đến nay thành quả của các nỗ lực này vẫn còn một giới hạn. Nếu so với hệ thống sinh học với cấu trúc tự lắp ghép đa tầng từ vi mô đến vĩ mô, từ phân tử đến con người, càng to càng tinh vi, thì khả năng hiện tại của con người tạo ra điều kiện tự lắp ghép của các vật liệu chỉ vỏn vẹn từ một tầng phân tử đến đa tầng phân tử. Tuy nhiên, phải nói rằng phương pháp tự lắp ghép của polymer bán dẫn để hình thành dây nano (nanowire) cho transistor là một tiến bộ đáng kể của cơ chế này.
Việc sử dụng các loại polymer bán dẫn như polypyrrole, polyaniline và polythiophene thay cho silicon trong transistor đã được đề xuất từ ba thập niên trước, ngay sau khi lúc các vật liệu này được phát hiện bởi Alan MacDiarmid, Alan Heeger và Hideki Shirakawa (Nobel Hóa học 2000) [12]. Kể từ khi transistor polymer bán dẫn polythiophene đầu tiên được báo cáo vào năm 1987 (Hình 4), transistor polymer tạo ra những đột phá trong hai thập niên phát triển nhờ vào cơ chế tự lắp ghép và trở nên thông dụng dưới dạng transistor phim (thin film transitor). Như ta đã biết trong silicon, sự di động của electron trong transistor đòi hỏi một con đường thông thoáng được thành hình bởi độ trật tự của tinh thể silicon. Tương tự, vật liệu polymer cần phải có cấu trúc tinh thể với độ trật tự thật cao. Để thực hiện điều này, ta phải tạo điều kiện để các phân tử polymer có thể tự lắp ghép tạo thành một dây nano có một trật tự nhất định (Hình 5) [13].
Hình 4: Cấu trúc hóa học của poly(3-hexylthiophene), một polymer bán dẫn thông dụng dùng trong transistor.
(a) (b)Hình 5: (a) Các phân tử poly(3-hexylthiophene) tự lắp ghép bằng cách chồng chập theo chiều vân đạo p và cũng là trục của dây nano. Dây nano vắt ngang hai điện cực nguồn và máng của transistor. (b) Ảnh minh họa của transitor dây nano. S: cực nguồn, D: cực máng, Dielectric: lớp cách điện, Gate: cổng.
Các loại transistor với cổng logic làm từ ống than nano, dây nano của polymer bán dẫn và gần đây graphene đã cho thấy những ưu điểm của vật liệu một chiều (1D) và hai chiều (2D). Tuy nhiên, việc thu nhỏ vẫn không vượt qua được kích cỡ của transistor silicon đang có trên thương trường. Cơ cấu tự lắp ghép có lẽ là một phương pháp hữu hiệu để thực hiện mạch tích hợp của các linh kiện điện tử hữu cơ nhưng với khả năng hiện tại người ta chỉ có thể thực hiện cơ cấu này ở mức sơ đẳng nhất so với hệ thống sinh học.
4. Kỹ thuật in phun
Lắm lúc những dụng cụ trong cuộc sống đời thường có thể là một khuôn mẫu cho một ứng dụng mới trong khoa học. Các nhà nghiên cứu thường nhìn xung quanh tìm ý tưởng vì những cái trông rất bình thường và đương nhiên lắm khi lại hàm chứa nhiều ý tưởng thú vị. Chiếc máy in phun (inkjet printer) để bàn hầu như trở nên một vật dụng cần thiết đi đôi với chiếc máy tính. Nó lọt vào mắt xanh của các nhà khoa học vì khả năng phun mực in ở cấp độ nanolít (1 phần tỷ lít). Sự hoà tan thường thấy trong dung môi hay dung dịch keo (colloids) của các hợp chất hữu cơ là một ưu điểm cho quá trình chế tạo vi mạch làm từ các vật liệu hữu cơ. Với một vài thao tác hoá học các loại dung dịch hay chất keo vật liệu hữu cơ có thể biến thành "mực" in.
Ứng dụng trực tiếp của ưu điểm này là khả năng in phun lên trên một chất nền mềm và mỏng tạo ra những mô dạng vi mạch cho một ứng dụng điện tử. Đã có nhiều phòng nghiên cứu trên thế giới dùng máy in phun văn phòng để in dung dịch của các hợp chất hữu cơ, polymer bán dẫn hay dung dịch keo của ống than nano, graphene, hạt nano kim loại hay bán dẫn. Chiếc máy in phun được cải biến để in các lằn gạch, chấm có tính dẫn điện hay bán dẫn ở kích cỡ micromét tạo hình các vi mạch trên chất nền polymer dẻo. Như thế, người ta có thể sản xuất các dụng cụ điện tử mềm có thể cuốn tròn hay co dãn (Hình 6) [14].
Hình 6: Mạch tích hợp chứa transistor ống than nano được in trên chất nền polymer mềm và trong suốt.
Bộ phận chính của máy in phun là hệ thống điện cơ vi mô (micro electromechnical system, viết tắt MEMS) điều khiển đầu phun thành chữ viết theo mệnh lệnh phát ra từ máy tính. Đầu phun có thể tạo ra dấu chấm, đường thẳng, đường cong ở mọi kích cỡ. Dấu chấm của chữ i là kích cỡ nhỏ nhất (60 – 70 mm) máy có thể in, tương đương với một giọt mực có thể tích là 1 nanolít. Ngày nay máy in phun văn phòng không được giới tiêu thụ ưa chuộng như máy in laser nhưng các nhà khoa học và kỹ sư điện tử đang tiếp tục cải thiện máy in phun chuyên dụng trong việc thiết kế vi mạch của linh kiện điện tử cho nền công nghiệp "điện tử mềm" (flexible electronics) [15]. Phương pháp in phun không tinh vi như phương pháp li-tô quang; giới hạn độ nhỏ hiện nay của in phun là vài mươi micromét trong khi li-tô đã tạo ra vi mạch ở mức nanomét, vài ngàn lần nhỏ hơn. Nhưng in phun là phương pháp ít phức tạp, ít tốn kém và sẽ là một trong những công cụ tạo vi mạch cho các sản phẩm "điện tử mềm" của tương lai.
5. Công nghiệp "điện tử mềm"
Việc sử dụng vật liệu hữu cơ bán dẫn thay thế silicon trong transistor trong 20 năm qua mang đến những thành quả rõ rệt với nhiều tiềm năng thương phẩm hoá cho công nghiệp điện tử. Nhưng, dựa trên cơ sở của các công trình nghiên cứu mới nhất vật liệu hữu cơ không thể đánh bại được silicon trong cuộc chạy đua thu nhỏ transistor và chế tạo mạch tích hợp chứa hàng trăm triệu transistor. Silicon vẫn thống trị chip vi tính nếu transistor vẫn theo thiết kế cổ điển "nguồn – cổng – máng" (source – gate – drain) đóng mở dòng điện [16]. Trong ý nghĩa này, transistor hữu cơ không đạt được cái kỳ vọng ban đầu nhằm thay thế transistor silicon, nhưng sự phát triển của transistor hữu cơ theo dòng thời gian đã mở màn cho một nền công nghệ mới, đó là công nghiệp "điện tử mềm" (flexible electronics).
Transistor hữu cơ hiện tại tuy không có một kích cỡ nhỏ hay tốc độ xử lý nhanh như transistor silicon, nhưng nó có thể được sử dụng trong những dụng cụ không có yêu cầu cực nhanh chẳng hạn như điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số hay màn hình sách điện tử (e-book reader). Các bộ cảm ứng (sensor) hóa học hay sinh học áp dụng trong công nghiệp hay y khoa được chế tạo dưới dạng transistor để khuếch đại độ nhạy của bộ cảm ứng (Hình 7) [17].
Hình 7: Transistor hữu cơ với hệ thống mạng ống nano hay dây nano (Assembly of NT/NW networks) có ứng dụng trong bộ cảm ứng (Sensors), dụng cụ điện tử mềm (Flexible devices) và mặt tiếp giáp sinh học (Bio-interfaces) của bộ cảm ứng sinh học.
Một ứng dụng của transistor hữu cơ đang có tầm ảnh hưởng lớn trong công nghiệp điện tử là chức năng hỗ trợ cho các điểm sáng diode (light emiting diode, LED). LED là loại bóng đèn dựa vào sự kích hoạt electron lên bực năng lượng cao hơn bởi dòng điện. Khi electron nhảy xuống bực năng lượng cũ thì năng lượng dư thừa được phát ra dưới dạng photon phát ra ánh sáng. LED là một thương phẩm rất phổ cập vì vừa túi tiền người mua vừa ít tiêu hao năng lượng so với bóng đèn giây tóc (điện trở). LED có thể là chiếc đèn nhấp nháy khiêm tốn của người đi xe đạp nhưng cũng là hàng ngàn, chục ngàn chiếc đèn đủ màu sắc trang trí trên những cây Giáng Sinh lộng lẫy. Ta không cần phải đợi đến mùa Giáng Sinh để bị cuốn hút bởi màu sắc của LED. LED là đơn vị phát quang cơ bản của những màn hình quảng cáo hay màn hình tivi khổng lồ đặt trước những quảng trường của các thành phố lớn trên thế giới. LED trong các màn hình này không còn nhấp nháy tùy tiện như chiếc đèn xe đạp hay đèn Giáng Sinh. Mỗi LED được gắn với transistor hỗ trợ để điều khiển màu và độ sáng cho ta những hình ảnh sống động của một màn hình.
Vật liệu phát quang của LED thường là chất bán dẫn vô cơ, nhưng các chất hữu cơ và polymer bán dẫn dần dần thay thế chất vô cơ để tạo ra LED hữu cơ (organic light emitting diode, OLED). Mỗi OLED được thu nhỏ đến kích thước micromét để tạo những điểm chấm sáng li ti (từ chuyên môn là pixel) trên màn hình tivi, máy tính, máy ảnh và điện thoại di động. Những điểm sáng được hỗ trợ bởi transistor phía sau màn hình. Hãng điện tử Samsung (Hàn Quốc) là một trong những công ty hàng đầu trong lĩnh vực màn hình đang đầu tư rất nhiều vào các công trình nghiên cứu và thương phẩm hóa màn hình OLED. Màn hình OLED mang đến cho giới tiêu thụ nhiều ưu điểm như ít tiêu hao năng lượng, độ sáng tuyệt vời, màu sắc đậm nét và có khả năng thay thế màn hình tinh thể lỏng (liquid crystal display, LCD) hiện đang rất phổ cập trên thị trường. Các transistor silicon hỗ trợ đã có đóng góp to lớn vào những vượt trội này cho màn hình OLED. Gần đây transistor hữu cơ dần dần thay thế transistor silicon trong các màn hình OLED kích thước nhỏ cho điện thoại di động hay máy ảnh (Hình 8) [18]. Đặc điểm của transistor hữu cơ là có thể dùng ở điện áp thấp và tiêu hao ít năng lượng hơn transistor silicon. Đối với những dụng cụ điện tử cầm tay dùng pin transistor hữu cơ quả là một linh kiện lý tưởng. Công ty Samsung tiếp tục gia tăng độ lớn màn hình OLED cho tivi và máy tính, nhưng giá thành sản xuất màn hình này còn quá cao. Tivi với màn hình OLED 15 inch có giá bán $2,300 khi màn hình LCD chỉ là $200. DuPont sử dụng phương pháp in phun chế tạo các điểm sáng OLED giảm giá sản xuất. Gần đây, nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Andrew Rinzler (University of Florida, Mỹ) sử dụng ống than nano trong transistor hữu cơ gia tăng tiềm năng sản xuất đại trà màn hình OLED kích cỡ lớn [19-20]. Như vậy, chúng ta sẽ sở hữu màn hình "toàn hữu cơ" vừa túi tiền, chất lượng tốt, có thể cuốn tròn hay trang trí trên tường vào một ngày không xa.
Hình 8: Mặt trên và dưới của mạng transistor hữu cơ (16 x 16 đơn vị) hỗ trợ cho màn hình OLED cỡ nhỏ (8 x 8 cm) được in chất nền polymer.
6. Con thoi siêu phân tử
Kể từ lúc được phát minh với độ lớn vài cm đến transistor hiện đại có kích cỡ vài mươi nanomét, mô dạng của một transistor với ba chấu: nguồn, máng và cổng, vẫn không thay đổi theo thời gian. Những vật liệu bán dẫn hữu cơ đã được đưa vào transistor để thiết kế cổng logic cho mục đích thu nhỏ, giảm nhiệt, nhưng vẫn bị đóng khung trong mô dạng cổ điển. Ngoài những vướng mắc cơ bản của transistor ống nano, graphene hay polymer bán dẫn đã được đề cập ở trên, dùng vật liệu hữu cơ làm cổng logic nhưng vẫn duy trì mô dạng cũ được kích hoạt bởi dòng điện chẳng qua là hội chứng "bình cũ rượu mới". Transistor cần phải thoát ly ra ngoài khuôn khổ này với một cấu trúc mới được vận hành bởi năng lượng ánh sáng (hay sóng điện từ). Ta hãy xem tiềm năng của con thoi siêu phân tử như một transistor không có "nguồn – cổng – máng". Và khi ta thoát ra được cái vòng kim cô "nguồn - cổng – máng", ta sẽ không còn lo âu về sự phát nhiệt của chip.
Siêu phân tử (supra-molecule) trong hóa học hữu cơ là một mô phỏng gần nhất của sự tự lắp ghép của phân tử sinh học mang những chức năng "sống" của một động cơ, biết xoay, biết di động hay biến hình gây ra bởi những kích thích từ ngoài [21]. Siêu phân tử là sản phẩm do sự tự lắp ghép giữa hai hay nhiều phân tử và chúng được nối kết bởi các lực liên phân tử. Hai cấu trúc động cơ phân tử quan trọng là: rotaxane và catenane [22] (Hình 9). Thuật ngữ rotaxane được phối hợp từ hai chữ La-tin rota (bánh xe, wheel) và axis (trục, axle); và catenane từ chữ catena (dây xích, chain).
Hình 9: Hình minh họa rotaxane và catenane (a): Vòng rotaxane di động tịnh tiến qua lại như con thoi; (b): Vòng rotaxane quay quanh tại một điểm và (c): Hai vòng của catenane, một vòng quay, một vòng cố định.
Vòng của rotaxane có thể di chuyển tịnh tiến tới lui đến từng địa điểm trên cây trục như chiếc xe lửa dừng ở các trạm ga (Hình 9a). Hai đầu của cái trục được gắn bởi nhóm phân tử to để chặn vòng không bị tuột ra ngoài. Đây là chuyển động con thoi. Với cơ chế con thoi, rotaxane hành xử như là một công tắc đóng/mở (on/off) hay là 0/1 (không/có) trong nguyên tắc điều biến nhị phân (binary modulation). Có nghĩa là, khi chiếc vòng dừng ở trạm thứ nhất ta có trạng thái "đóng" (hay là 0), ở trạm thứ hai, trạng thái "mở" (hay là 1). Rotaxane cho thấy tiềm năng sử dụng như một cổng logic đóng/mở của transistor. Có thể đây là tương lai của transistor ở cấp phân tử, một linh kiện điện tử lý tưởng cho các nhà thiết kế vi mạch và thiết kế chip vi tính hằng mơ ước. Hiện tại, các nhà hóa học có thể tổng hợp hàng triệu phân tử rotaxane trên một bề mặt tạo ra một tác động cơ học bằng cách cho chiếc vòng di chuyển qua lại bằng phương pháp điện hóa [23] hay tia tử ngoại [24]. Transistor siêu phân tử sẽ là một sản phẩm nhân tạo theo cơ chế tự lắp ghép. Sự phát nhiệt từ transistor sẽ đi vào lịch sử. Máy tính phân tử sẽ có một bộ nhớ vĩ đại và năng suất 100 tỷ lần cao hơn máy tính hiện tại. Nếu suy luận qua độ lớn, ta sẽ có một máy vi tính to bằng hạt cát với năng suất 100 lần nhiều hơn máy tính mà người viết đang sử dụng.
Mặc dù còn vô số trở ngại kỹ thuật nhưng tham vọng của con người không chỉ dừng lại ở việc thu nhỏ transistor mà còn đi xa hơn một bước là việc thu nhỏ máy tính. Thu nhỏ đến mức nào? Theo lời của một chuyên gia vi tính Mỹ thì "Giấc mơ cuối cùng không phải nhắm đến việc chế tạo máy tính tương lai có kích thước của một hạt bụi mà là một máy tính đơn giản có kích thước của một con vi khuẩn. Sau đó bạn có thể kết hợp lại để có một chiếc máy tính có kích thước một hạt bụi với sức mạnh tương đương với chiếc máy tính để bàn mà bạn đang sử dụng". Và xa hơn nữa là liên mạng của các máy tính hạt bụi thành một siêu máy tính. Đây cũng là một kỳ vọng mà các nhà khoa học đã phác họa cho máy tính của transistor siêu phân tử. Nó biểu hiện một sản phẩm của phương pháp tự lắp ghép "từ dưới lên", xuất phát từ việc kết hợp những đơn vị cơ bản để tạo ra một dụng cụ với chức năng mong muốn.
