NewYork Paris Hà Nội Khách thứ :

NIỀM TIN TƯƠNG LAI

     

Khoa học công nghệ Nano trong lĩnh vực điện tử, quang điện tử và công nghệ thông tin và truyền thông

Hiện nay, thị trường ngành công nghiệp công nghệ thông tin toàn cầu trị giá khoảng 1000 tỷ USD và được hy vọng sẽ đạt 3000 tỷ USD vào năm 2020. Có thể nhận thấy, không có một khu vực công nghiệp nào lại có xu hướng vi tiểu hình hóa rõ ràng như ở khu vực này. Điều này được phản ánh rõ nét nhất ở số lượng các transitor, hay nói cách khác các khối kiến tạo nên vi mạch máy tính, trong suốt 30 năm qua. Năm 1971 mới chỉ có 2.300 transitor tập trung trên vi mạch 4004 của Hãng Intel, con chíp máy tính đầu tiên của Hãng này, chạy với tốc độ tính theo đồng hồ ( phép đo xem con chíp có thể hoạt động nhanh đến mức nào ) là 0,8 triệu lệnh trên giây. Tới năm 2003, bộ xử lý Xeon của Intel có tới 108 triệu transitor hoạt động với tốc độ trên 3.000 triệu lệnh trên giây. Đáng lưu ý, kích thước vật lý của con chíp máy tính vẫn không thay đổi trong thời gian này, có thể thấy chính những transitor và tất cả hệ thống mạch gắn với nó đã được giảm kích thước rất nhiều. Số lượng các transitor tăng lên trên một con chíp đi đôi với tốc độ xử lý tăng lên đã làm tăng tính kinh tế của ngành công nghiệp công nghệ thông tin lên rất nhiều; năm 1971 để chế tạo một transitor tốn khoảng 10 xent ( đơn vị tiền của Anh ), hiện nay nó tiêu tốn chưa tới 1 phần nghìn xent. Tuy nhiên, công nghệ thu nhỏ transitor trên chip đã đạt tới giới hạn ở mức 0,1 mm (10-7 m) và trở nên quá đắt, nếu cứ sử dụng các quy trình ( oxy hoá, quang khắc, khuyếch tán… ) như hiện nay để chế tạo các bộ vi xử lý, các loại RAM, ROM ( bộ nhớ ). Do đó, công nghệ Nano vừa là lối thoát, vừa là bước nhảy vọt để chế tạo các linh kiện nòng cốt của điện toán và chuyển mạch của viễn thông.

Khoa học công nghệ Nano cũng có chung những mục tiêu với ICT thể hiện ở các ứng dụng của công nghệ Nano : cải thiện hiểu biết về các tính chất ở cỡ nano của vật liệu và các linh kiện, những tiến bộ trong chế tạo và công nghệ xử lý để tăng tỷ trọng đóng gói ( tỷ trọng đóng gói có nhiều lợi điểm cho ICT: tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng ) và khai thác các công nghệ thay thế, những công nghệ có thể mang lại những lợi ích kinh tế hoặc sản xuất. Rõ ràng khu vực ICT cũng có tác động mạnh tới Khoa học công nghệ Nano. Thực vậy, công dụng đầu tiên của thế giới nano là ở mối quan hệ giữa các lớp siêu mỏng với ngành công nghiệp bán dẫn. Vì vậy, nghiên cứu tất cả các khía cạnh của việc chế tạo linh kiện bán dẫn, từ vật lý cơ bản tới công nghệ sản xuất, đã chi phối Khoa học công nghệ Nano rất nhiều và xu hướng này sẽ còn tiếp diễn. Vi tiểu hình hóa các linh kiện sẽ càng thúc đẩy hơn nữa hoạt động nghiên cứu nano trên toàn cầu. Vì những lý do kinh tế và lịch sử, trước mắt, khu vực ICT sẽ vẫn sản xuất từ các vật liệu silíc. Tuy nhiên, hiện nay, thời hạn kết thúc mà Lộ trình ITRS ( International Technology Roadmap for Semiconductors-Lộ trình Công nghệ sản xuất chất bán dẫn Quốc tế ) đưa ra mới chỉ là vào năm 2018, vì vậy điều này đã thúc đẩy các nghiên cứu chuyên sâu vào các công nghệ thay thế hoặc lai ghép trong ngành công nghiệp điện tử, chẳng hạn như tạo ra các polime dẫn điện. Ngoài ra, Khoa Học công nghệ Nano còn mở ra cho ICT một triển vọng mới: chế tạo những linh kiện hoàn toàn mới, rẻ hơn và có tính năng cao hơn hẳn các transitor. Ví dụ, một trong các phương án mà công nghệ Nano đưa ra, đó là sử dụng chấm lượng tử ( bán dẫn, kim loại, polime ) có bán kính một, vài nanomét. Một chấm như vậy có hành vi như một nguyên tử, tức là trong nó có một mức năng lượng, mà ở đó có thể điền vào một điện tử. Khi chọn hai mức xác định, nếu điện tử ở mức trên, ta có trạng thái 1. Nếu điện tử ở mức dưới, ta có trạng thái 0. Như thế chấm lượng tử trở thành linh kiện có 2 trạng thái ( 0 và 1 ), tức là có thể dùng để ghi 1 bit như transitor. Các chấm lượng tử đã được các nhà khoa học nghiên cứu từ nhiều năm nay và đã được chế tạo các chip với các chấm lượng tử gọi là chip nano ( nanochip ) có độ tích hợp rất cao. Nếu mỗi chấm có kích thước 10nm ( 10 - 8 m ) thì trên một chip với diện tích 1 cm2 sẽ có 1012 chấm tức là có thể dùng để xử lý, ghi 1000 Gigabit. Nếu các chấm lượng tử được chế tạo ở mức tinh vi, mỗi chiều chỉ có 1 nanomét ở cả ba chiều, thì 1 linh kiện 1 cm3 ( bằng một viên đường ) sẽ lưu trữ được 1000 tỷ tỷ bit, tức là toàn bộ thông tin của tất cả các thư viện trên thế giới này có thể ghi trong “viên đường” đó.

Quang điện tử cũng là một yếu tố chủ chốt của cuộc cách mạng công nghệ thông tin. Đây là lĩnh vực liên quan tới các linh kiện dựa trên cơ chế chuyển hóa ánh sáng thành những tín hiệu điện để truyền dữ liệu, ở các màn hình, ở các thiết bị cảm biến quang học và trong tương lai là ở cả tin học quang học. Mặc dù một số linh kiện quang điện tử không phụ thuộc quá nhiều vào xu hướng vi tiểu hình hóa như các chíp máy tính, tuy vậy lĩnh vực này cũng đang diễn ra xu hướng vi tiểu hình hóa, thể hiện ở một số bộ phận, ví dụ như những tia laze năng lượng lượng tử và các màn hình tinh thể lỏng, là những bộ phận đòi hỏi được chế tạo với độ chính xác cỡ nm.

Ứng dụng của công nghệ khoa học Nano trong lĩnh vực điện tử, quang điện tử và công nghệ thông tin và truyền thông

Hiện tại

- Các chíp máy tính

Xu hướng vi tiểu hình hóa các chíp máy tính được thể hiện ở tiêu chuẩn quy trình chế tạo độ dài chíp được xác định trong Lộ trình ITRS. Hiện nay, tiêu chuẩn công nghệ 130 nm, dùng để sản xuất bộ xử lý Intel Xeon, xác định kích thước của DRAM ( chip bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên ) bằng một nửa pitch ( khoảng cách giữa hai dây kim loại kề nhau trong một ô bộ nhớ ). Điều này đòi hỏi công nghệ in litô, công nghệ sản xuất và Đo lường học cỡ nano phải có những thay đổi để chế tạo một linh kiện hoạt động phù hợp với dung sai đó. Thử so sánh, nếu chip 4004 Intel năm 1971 sử dụng công nghệ có độ phân giải 10.000 nm, thì các con chíp của năm 2007 và 2013 sẽ đòi hỏi công nghệ có độ phân giải 65 nm và 32 nm tương ứng. Vì vậy, có thể nói các công nghệ sử dụng hiện nay đang được phát triển hết sức mạnh mẽ. Hơn nữa, không chỉ đơn giản là một DRAM có chiều dài nửa pitch ở cỡ nm, tất cả các công nghệ sử dụng trong nghiên cứu, đo lường và sản xuất các con chip trong nhiều trường hợp hoạt động ở mức nguyên tử nhỏ hơn cả cỡ nm. Các công cụ ứng dụng công nghệ Nano hỗ trợ cho ngành công nghiệp công nghệ thông tin (IT) rất đa dạng, bao gồm lập mô hình các linh kiện và vật liệu tiên tiến tới từng phân tử trên máy tính, các kính hiển vi có thể cho thấy hình ảnh của từng nguyên tử, các hệ thống đo lường có thể xác định rõ ràng vị trí của một độ hụt phân tử đơn trên một miếng wafer có đường kính 30 cm, các quy trình phát triển các màng mỏng có thể sản xuất ra các lớp vật liệu với độ chính xác ở cỡ nguyên tử và các phương pháp in litô có thể “khắc” lên những đặc điểm ví dụ như ô DRAM, với độ chính xác dưới 10 nm.

- Lưu trữ thông tin

Công nghệ về bộ nhớ lưu giữ số liệu là một bộ phận rất quan trọng của IT. Bộ nhớ lưu giữ số liệu có thể chia thành hai dạng: bộ nhớ dạng cứng ví dụ như DRAM được một chíp xử lý sử dụng hoặc bộ nhớ flash dùng để lưu giữ hình ảnh ở camera kỹ thuật số; và bộ nhớ đĩa ví dụ như những ổ cứng từ tính được sử dụng phổ biến ở tất cả các máy tính. Về cơ bản, bộ nhớ dạng cứng sử dụng quy trình sản xuất và công nghệ giống như của chíp máy tính, với cùng những quy tắc thiết kế và tầm quan trọng của việc nén thêm nhiều dung lượng nhớ vào một diện tích giới hạn để làm tăng tổng thể dung lượng nhớ trên linh kiện. Tuy vậy, sự phát triển của ổ đĩa cứng đã rẽ theo một hướng hoàn toàn khác trong cuộc cách mạng thông tin này vì nó dựa vào việc đọc và viết thông tin bằng từ tính trên một chiếc đĩa đang quay. Vì vậy, những tiến bộ về mặt cơ và điện cơ là rất quan trọng. Tuy nhiên, ở đây một lần nữa, kích cỡ độ dài lại giữ một vai trò rất quan trọng vì một ổ đĩa lý tưởng là một ổ đĩa có kích cỡ cực nhỏ nhưng lại có khả năng lưu trữ cực lớn. Điều này đã được phản ánh ở sự phát triển đột phá của ổ đĩa trong suốt 50 năm qua. ổ cứng từ tính đầu tiên được IBM phát triển vào năm 1956, cần tới 50 đĩa có chiều dài 24 inch ( xấp xỉ 60 cm ) để lưu trữ 5 megabyte ( triệu byte ) dữ liệu. Năm 1999, IBM giới thiệu ổ 73 gigabyte ( hàng ngàn triệu byte ) có thể lắp vừa vặn bên trong một chiếc máy tính cá nhân. Đây là ổ đĩa có khả năng lưu trữ dữ liệu gấp 14.000 lần ổ đĩa năm 1956 nhưng có kích cỡ nhỏ chưa tới 1 phần nghìn kích cỡ của chiếc ổ đĩa đó. Mặc dù công nghệ hiện thời để viết từng bit thông tin từ tính lên ổ đĩa đã nhỏ hơn 100 nm, nhưng những động lực nhỏ hóa các khía cạnh khác của ổ đĩa đòi hỏi chế tạo các bộ phận với độ chính xác ngày càng cao vì vậy tầm quan trọng của vi tiểu hình hóa đối với các ổ đĩa CD và DVD sẽ ngày càng tăng.

- Các ứng dụng trong tương lai

Sự phát triển của phần cứng trong ngành công nghiệp IT tương lai có thể được chia theo hai nhánh: Một nhánh phát triển theo Lộ trình ITRS ( hoạch định tới năm 2018 ) và một nhánh khai thác những công nghệ và vật liệu thay thế không có trong Lộ trình.

Theo Lộ trình, vi tiểu hình hóa vẫn được coi là động lực chủ chốt, vì vậy tiêu chuẩn công nghệ với độ phân giải 22 nm được dự tính cho sản xuất tới năm 2018. Do vậy, có thể dự đoán được tất cả những thách thức để đạt được công nghệ này. Những thử thách như vậy được chi tiết hóa trong Lộ trình, bao gồm nâng cao hiệu suất bằng cách tạo ra vật liệu mới ví dụ như những chất điện môi thấp và những liên kết dây dẫn điện cao, phát triển các công nghệ in litô có khả năng chế tạo ra các cấu trúc ở cỡ nhỏ hơn 50 nm, tích hợp các công cụ đo lường tiên tiến thành một quy trình chế tạo có khả năng phát hiện và xác định kích thước khiếm khuyết nhỏ tới kích cỡ nm. Như vậy, khoa học nano và công nghệ Nano sẽ tiếp tục giữ vai trò chủ chốt trong việc phát triển những thế hệ chip mới. Theo đó, công nghệ có liên quan, ví dụ như bộ nhớ flash sẽ phát triển theo hướng tương tự, với mục tiêu tối đa hóa dung lượng nhớ trên một linh kiện nhỏ nhất có thể tạo ra. Tuy không phải là một bộ phận trong Lộ trình ITRS, nhưng các công nghệ ổ cứng sẽ tiếp tục làm tăng mật độ lưu trữ dữ liệu. Các công nghệ này cũng có những triển vọng tạo ra một số tiến bộ để đưa ngành công nghiệp lưu trữ dữ liệu phát triển vượt bậc. Điều này được thể hiện ở xu hướng dùng bộ nhớ dạng cứng thay thế bộ nhớ dựa trên đĩa. Xu hướng này thể hiện rõ ràng ở dung lượng lưu trữ thông tin của bộ nhớ dạng cứng trong các máy nghe nhạc cá nhân đang ngày càng tăng lên. Rất có thể đĩa cứng, dạng từ tính hoặc quang học, sẽ vẫn là sự lựa chọn để lưu trữ khối lượng dữ liệu lớn trong tương lai gần, đặc biệt là khi kích thước của bit còn được giảm hơn nữa. Đây là một lĩnh vực rất thiết thực đối với nghiên cứu khoa học nano.

Mặc dù không phụ thuộc vào dung sai về kích cỡ độ dài và dung lượng lưu trữ dữ liệu như các chip máy tính, nhưng lĩnh vực quang điện tử vẫn có những thử thách riêng. Công nghệ tích hợp các bộ phận quang học vào các linh kiện silic đã bắt đầu được nghiên cứu và sẽ phát triển xa hơn nữa. Các thử thách mà công nghệ Nano tác động tới sẽ là lĩnh vực vật liệu khe hở băng thông quang tử ( Photonic Band-Gap Material ). Đây là lĩnh vực sử dụng một thiết bị để điều khiển việc truyền ánh sáng nhằm mục đích tính toán bằng ánh sáng, trong đó các tinh thể quang tử đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều khiển ánh sáng. Một tinh thể quang tử đặc thù sẽ bao gồm một dãy các hố trong một vật liệu điện môi, được chế tạo với độ chính xác nhỏ hơn 10 nm. Sự phát triển của các tinh thể quang tử có nghĩa là các mạch tích hợp quang học đang được làm nhỏ hơn nữa, tạo nên tác động lớn tới các lĩnh vực ví dụ như truyền thông và tin học quang học. Quang điện tử cũng sẽ tạo ra nhiều tiến bộ trong lĩnh vực tin học quang học và mật mã lượng tử. Cả hai công nghệ này dựa vào việc các mức lượng tử sẽ ngày càng tăng, khi năng lượng điện từ bị giới hạn trong những cấu trúc ngày càng bị thu nhỏ. Ngoài ra, nếu điều khiển được vị trí, thời gian và trạng thái xảy ra các tương tác ánh sáng bằng những tiến bộ công nghệ, các nhà khoa học sẽ có thể phát triển những dạng quang phổ học mới ở cấp từng phân tử, lắp ráp các cấu trúc nano bằng cách dùng các “nhíp” quang học để gắp các phân tử để ghép thành các mẫu trên các bề mặt, các phương pháp in litô quang học dùng để chế tạo các chíp máy tính và các linh kiện quang học hoạt động với vai trò là các thiết bị cảm biến sinh học có khả năng dò từng phân tử một.

Vi tiểu hình hóa của công nghệ Nano cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển công nghệ cảm biến. Trước hết, một thiết bị cảm biến lý tưởng sẽ phải có khả năng thâm nhập cao vì vậy phải cần rất nhỏ. Nó phải có nguồn cung cấp năng lượng, hoạt động cảm ứng nhờ đó tính chất mà nó phát hiện ra sẽ được chuyển hóa thành một tín hiệu điện truyền tới một máy dò từ xa. Tích hợp những hoạt động này vào một thiết bị nhỏ hơn 1 mm2 tất nhiên sẽ đòi hỏi các kỹ thuật chế tạo cỡ nano giống như những kỹ thuật được ngành công nghiệp IT khai thác. công nghệ Nano cũng nắm vai trò quan trọng trong việc thiết kế một cách chính xác và rõ ràng chức năng cảm ứng; vì kích thước của cảm biến giảm đi nên diện tích tác động tới vùng dò tìm của chiếc cảm biến cũng sẽ giảm, do vậy cần phải tăng tính nhạy lên. Vì vậy, công nghệ Nano được hy vọng sẽ sản xuất được những thiết bị cảm biến nhỏ và rẻ hơn với độ nhạy tăng. Những thiết bị cảm biến này sẽ được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng, bao gồm giám sát chất lượng nước ăn, đo các trọng lực cơ học ở các tòa nhà hoặc phương tiện giao thông để giám sát độ hư hại về mặt cấu trúc, dò ra và theo dõi những chất gây ô nhiễm trong môi trường, kiểm tra độ an toàn thực phẩm, hoặc giám sát sức khỏe liên tục. Ngoài ra, chúng còn có thể sử dụng trong an ninh, quốc phòng, y tế và mang lại những lợi thế cho kinh doanh ( ví dụ theo dõi, quản lý vật liệu và sản phẩm ). Những ứng dụng tiềm năng khác rất đa dạng từ việc giám sát trạng thái, sản xuất các sản phẩm và vật liệu cho tới việc cảnh báo sớm về nhu cầu phục hồi hoặc thay đổi để nâng cao thể lực của con người bằng cách nâng cao hoạt động thể chất. Dạng mới nhất của thiết bị cảm biến, có khả năng dò ra sự hiện diện của một phân tử đơn, ví dụ trong một giọt máu, thể hiện là một trong những thành công lớn nhất của công nghệ Nano. Không chỉ đòi hỏi độ chính xác trong chế tạo, mà nó còn đòi hỏi một cách thức kết hợp điện tử, quang học, hóa học, sinh hóa và y học để tạo ra những thiết bị có thể được sử dụng một cách phổ biến, rẻ và có độ tin cậy cao để giám sát tình trạng sức khỏe của con người. Một ví dụ thể hiện điều này là việc “xét nghiệm sức khỏe ngay tại chỗ”, trong đó một giọt máu trên một chip cảm biến sẽ được phân tích ngay tức thì để cung cấp những dữ liệu hỗ trợ cho việc chẩn đoán. Công nghệ này cần có một con chip silic có năng lực xử lý với độ nhạy sinh hóa để xác định rất nhiều thành phần của máu. Con chíp này cũng sẽ được tích hợp vào bên trong cơ thể để giám sát sức khỏe, ví dụ để theo dõi bệnh tiểu đường và các căn bệnh nan y khác. Còn có nhiều ứng dụng tiềm năng khác trong lĩnh vực thiết bị y tế, khiến cho các thiết bị cảm biến trở thành một lĩnh vực ngày càng được đầu tư nghiên cứu.

Như vậy, trong Khoa học công nghệ Nano, những công nghệ không có trong Lộ trình ITRS sẽ có tầm quan trọng ngang với tầm quan trọng của các công nghệ được hoạch định trong Lộ trình, nhưng được tự do khai thác các vật liệu và các cấu trúc. Linh kiện điện tử dựa trên chất dẻo là một ví dụ cụ thể. Nó không cạnh tranh trực tiếp với các linh kiện dựa trên silic, nhưng do giá thành chế tạo rẻ hơn nhiều, nên nó đã tạo ra một công nghệ thay thế rẻ hơn. Đối với các ứng dụng điện tử và quang điện tử rẻ, không cần tốc độ và dung lượng nhớ cao, ví dụ như những thẻ thông minh, thì chất dẻo sẽ là một vật liệu thích hợp. Các linh kiện điện tử dựa trên chất dẻo đang bắt đầu được thương mại hóa và có tiềm năng tăng trưởng mạnh. Tương tự như vậy, việc sử dụng các phân tử đơn với vai trò là các bộ phận chức năng trong các mạch sẽ tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng của khoa học nano vì kích thước của phân tử, có đặc thù là nhỏ hơn 1 nm, sẽ tạo ra sự “nhỏ hóa” nhỏ nhất. Trên thực tế, mục tiêu của việc giảm chức năng xuống tới các phân tử và nguyên tử đơn, được Richard Feynman dự báo vào năm 1959, là phương pháp duy nhất để vượt ra ngoài giới hạn phát triển hiện nay của Lộ trình ITRS: đó là các transitor silic thông thường có giới hạn kích thước của cỡ hàng chục nanomet. Các nhà nghiên cứu về lĩnh vực Khoa học công nghệ Nano sẽ theo đuổi khái niệm lưu trữ và xử lý thông tin ở cỡ nguyên tử với hy vọng khám phá ra những lĩnh vực mới, ví dụ, tin học lượng tử và bộ nhớ nguyên tử, trong đó mỗi một bít dữ liệu được lưu trữ trong một nguyên tử đơn.