วัสดุแบบ 1 มิติ อัดแน่นไปด้วยพลังสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไป 

เทคโนโลยี

เทคโนโลยีใหม่นี้มีการใช้งานในทรานซิสเตอร์และวงจร ในระดับนาโนเมตร 

วิศวกรของมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย,ริเวอร์ไซด์ ได้สาธิตอุปกรณ์ต้นแบบที่ทำจากวัสดุแปลกใหม่ ซึ่งสามารถนำกระแสไฟฟ้าที่มีความหนาแน่นถึง 50 เท่าของทองแดงธรรมดาที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกันกับเครื่องมือทางเทคโนโลยี

ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าคือปริมาณกระแสไฟฟ้าต่อพื้นที่ทั่วจุดที่กำหนด เนื่องจากทรานซิสเตอร์ในวงจรรวมมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ พวกมันจำเป็นต้องใช้ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าสูงขึ้น เพื่อให้สามารถทำงานได้ในระดับที่ต้องการ ตัวนำไฟฟ้าทั่วไปส่วนใหญ่เช่นทองแดง มีแนวโน้มที่จะพัง เนื่องจากความร้อนสูงเกินไปหรือปัจจัยอื่นๆที่มีความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่สูง ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการสร้างชิ้นส่วนขนาดเล็กมากขึ้น

อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ต้องการทางเลือกในการใช้ซิลิคอนและทองแดง ที่สามารถทนต่อความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่สูงมากในปัจจุบันได้ในขนาดเพียงไม่กี่นาโนเมตร

การปรากฏตัวของกราฟีน (graphene) ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของผลึกคาร์บอน ส่งผลให้เกิดความพยายามอย่างมากทั่วโลก ที่มุ่งไปในการทดสอบวัสดุประเภท 2มิติหรือ 2D แบบอื่นๆที่สามารถตอบสนองความต้องการต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในระดับนาโน ที่สามารถทนความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าได้สูง ในขณะที่วัสดุแบบ 2 มิติประกอบด้วยอะตอมชั้นเดียว,วัสดุแบบ 1 มิติประกอบด้วยกลุ่มของแต่ละอะตอม ที่ถูกเชื่อมกันไว้อย่างหลวมๆ ความเป็นไปได้ของพวกมันกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยังไม่ได้รับการศึกษากันอย่างแพร่หลาย

กลุ่มนักวิจัยที่นำโดย อเล็กซานเดอร์ เอ บาแลนดิน (Alexander A. Balandin) ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ในวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์มาร์แลน แอนด์ โรสแมรึ่ ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ริเวอร์ไซด์ค้นพบว่า โลหะเซอร์โคเนียม ไตรเทลลูไรด์ (zirconium tritelluride) หรือ ZrTe3 นาโนริบบอน (ZrTe3 nanoribbons) มีความสามารถรองรับกระแสไฟฟ้า ที่มีความหนาแน่นสูงเป็นพิเศษได้มากเกินกว่าโลหะธรรมดา เช่นทองแดง

ยุทธศาสตร์ใหม่ที่ดำเนินการโดยทีมมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ริเวอร์ไซด์ ผลักดันการวิจัยจากวัสดุ 2 มิติสู่วัสดุ 1 มิติ ซึ่งถือเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญสำหรับการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไปในอนาคต

บาแลนดินกล่าวว่า “โลหะธรรมดามีลักษณะเป็น โพลีคริสตัลลีน (polycrystalline) ซึ่งพบเห็นเป็นส่วนใหญ่ พวกมันมีเส้นแบ่งขอบเขตของเกรน( grain boundaries) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อโลหะเย็นตัว และพื้นผิวหน้าที่ขรุขระ ที่ทำให้ให้อิเล็กตรอนกระจายออก” เขากล่าวว่า “ วัสดุกึ่ง 1 มิติเช่น ZrTe3 ประกอบด้วยกลุ่มอะตอมเดี่ยวแบบคริสตัลที่ไปในทิศทางเดียวกัน พวกมันไม่มีรอยแบ่งขอบเขตและมักมีผิวหน้าของอะตอมที่เรียบหลังจากการขัดผิว เราถือว่า การรับความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าสูงได้ใน ZrTe3 เป็นผลึกเดี่ยวตามธรรมชาติของวัสดุกึ่ง 1มิติ”

ภาพผิวโลหะที่มีเส้นแบ่งขอบเขตของเกรน
 ภาพจากกล้องจุลทรรศน์ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำด้วย nanoribbons ZrTe3 แบบ 1มิติ ช่องของนาโนริบบอนจะแสดงเป็นสีเขียว หน้าโลหะที่สัมผัสกันแสดงเป็นสีเหลือง เนื่องจากความหนาระดับนาโนเมตรทำให้หน้าสัมผัสโลหะสีเหลืองปรากฏอยู่ด้านล่างใต้ช่องสีเขียวในขณะที่ความเป็นจริงพวกมันอยู่ด้านบน (ที่มา: ห้องวิจัยบาแลนดิน, มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ริเวอร์ไซด์ )
ภาพโครงสร้างของ วัสดุกึ่ง 1 มิติ ZrTe3

 ตามหลักการแล้ว วัสดุกึ่ง 1 มิติแบบนั้นถูกพัฒนาได้โดยตรงในเส้นลวดนาโน (nanowires) กับส่วนตัดที่มีปฏิสัมพันธ์กับกลุ่มของอะตอมแต่ละกลุ่ม จากการศึกษาในปัจจุบัน ระดับของกระแสไฟฟ้าที่ได้จากลวดควอนตัม ZrTe3 มีความหนาแน่นสูงกว่าที่ได้รับรายงานจากในโลหะหรือวัสดุ 1มิติชนิดอื่นๆ มันเกือบจะถึงระดับความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าในท่อนาโนคาร์บอนและกราฟีน

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขึ้นอยู่กับสายไฟแบบพิเศษ เพื่อนำข้อมูลระหว่างส่วนต่างๆของวงจรหรือระบบ ในฐานะที่เป็นผู้พัฒนาอุปกรณ์ขนาดเล็ก ชิ้นส่วนภายในของพวกมันต้องมีขนาดเล็กลง และอุปกรณ์เชื่อมต่อที่มีข้อมูลระหว่างชิ้นส่วนต้องมีขนาดเล็กที่สุด ซึ่งขึ้นอยู่กับว่ามีการกำหนดค่าไว้อย่างไร นาโนริบบอน ZrTe3 สามารถสร้างเป็นอุปกรณ์เชื่อมต่อหรือช่องอุปกรณ์ภายในแบบนาโนเมตรได้สำหรับส่วนประกอบของอุปกรณ์ที่เล็กที่สุด

การทดลองของกลุ่มมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ริเวอร์ไซด์ ได้ใช้นาโนริบบอน ที่ตัดมาจากแผ่นวัสดุที่เตรียมไว้ล่วงหน้า การใช้งานในภาคอุตสาหกรรมจำเป็นต้องสร้างนาโนบอนขึ้นโดยตรงบนแท่งผลึกเดี่ยวกระบวนการผลิตนี้กำลังอยู่ในระหว่างการพัฒนาและบาแลนดิน เชื่อว่า วัสดุนาโน 1 มิติ ถือว่าเป็นไปได้สำหรับการใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต เขากล่าวว่า “สิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดเกี่ยวกับวัสดุกึ่ง 1 มิติ คือพวกมันสามารถสังเคราะห์ได้อย่างแท้จริงในช่องทางหรือ เชื่อมต่อกับส่วนที่เล็กของกลุ่มอะตอมหนึ่งซึ่งมีขนาดเล็กที่สุดได้ประมาณ1×1 นาโนเมตร

 

เรียบเรียง: SignorScience
ที่มา: ScienceDaily