Các nhà khoa học chế tạo thành công chip chịu được mức nhiệt 700 độ C

Một nhóm nhà khoa học do GS Joshua Yang và Jian Zhao thuộc Đại học Nam California (USC) dẫn dắt đã phát triển thành công một loại chip nhớ có thể vận hành ổn định ở mức nhiệt lên tới 700°C (tương đương khoảng 1.300°F). Đây là ngưỡng nhiệt cao hơn cả dung nham núi lửa và vượt xa khả năng chịu đựng của các dòng chip hiện hành. Theo GS Yang, thành tựu này có thể xem là một bước ngoặt lớn, đồng thời khẳng định đây là loại bộ nhớ chịu nhiệt tốt nhất từng được chứng minh.

Trong nhiều năm qua, nhiệt độ luôn là rào cản lớn đối với công nghệ chip nhớ. Phần lớn các thiết bị điện tử hiện đại bắt đầu suy giảm hiệu suất khi vượt quá khoảng 200°C, thậm chí có nguy cơ hỏng hóc nghiêm trọng. Dù đã có nhiều nỗ lực nghiên cứu nhằm nâng cao khả năng chịu nhiệt, các giải pháp trước đây vẫn chưa đạt được đột phá đáng kể.

Điểm mới của công trình nằm ở việc ứng dụng memristor – một linh kiện nano có thể đồng thời lưu trữ dữ liệu và xử lý tính toán. Cấu trúc của thiết bị gồm nhiều lớp siêu mỏng xếp chồng, với hai điện cực kẹp một lớp gốm ở giữa. Trong đó, vonfram được sử dụng làm điện cực trên, oxit hafni đóng vai trò lớp cách điện, còn graphene nằm ở lớp dưới cùng. Đây đều là những vật liệu có đặc tính chịu nhiệt vượt trội: vonfram có điểm nóng chảy cao nhất trong các kim loại, còn graphene nổi bật về độ bền và ổn định.

Nhờ thiết kế này, con chip đạt được hiệu suất ấn tượng. Nó có thể giữ nguyên dữ liệu trong hơn 50 giờ ở nhiệt độ 700°C mà không cần bất kỳ tác động hỗ trợ nào, đồng thời chịu được hơn một tỷ lần chuyển mạch trong cùng điều kiện. Đáng chú ý, thiết bị chỉ cần điện áp khoảng 1,5V để hoạt động.

Đột phá nói trên lại xuất phát từ một phát hiện ngoài dự kiến. Ban đầu, nhóm nghiên cứu tập trung vào một thiết kế khác dựa trên graphene nhưng không đạt hiệu quả mong muốn. Tuy nhiên, khi kiểm tra khả năng chịu nhiệt, họ nhận thấy sự tương tác bất thường giữa graphene và vonfram: các nguyên tử vonfram khi tiếp cận bề mặt graphene không thể bám lại, buộc phải dịch chuyển ra xa thay vì hình thành đường dẫn điện. Chính cơ chế này giúp ngăn chặn hiện tượng đoản mạch, cho phép thiết bị duy trì hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cực cao.

Nhóm đã sử dụng kính hiển vi điện tử, kỹ thuật quang phổ và các mô phỏng lượng tử để xác minh chi tiết cơ chế này ở cấp độ nguyên tử. Theo GS Yang, nếu tìm được thêm các vật liệu có đặc tính tương tự, việc sản xuất hàng loạt chip chịu nhiệt sẽ trở nên khả thi hơn. Ông cũng cho rằng mức 700°C vẫn chưa phải là giới hạn cuối cùng.

Công nghệ mới được kỳ vọng sẽ mở ra nhiều ứng dụng, từ các hệ thống điện tử hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, trung tâm dữ liệu cho đến các sứ mệnh không gian. Đáng chú ý, bề mặt sao Kim – với nhiệt độ xấp xỉ 700°C – từ lâu là thách thức lớn đối với thiết bị điện tử, khiến nhiều sứ mệnh thăm dò gặp khó khăn.

Dù vậy, nhóm nghiên cứu nhấn mạnh rằng công nghệ này vẫn đang ở giai đoạn ban đầu. Theo GS Yang, để xây dựng một hệ thống máy tính hoàn chỉnh, cần phát triển thêm các mạch logic có khả năng chịu nhiệt tương đương. Ngoài ra, quy trình chế tạo hiện nay vẫn mang tính thủ công và chỉ ở quy mô phòng thí nghiệm, do đó việc mở rộng sản xuất sẽ cần thêm thời gian.

“Đây mới chỉ là bước khởi đầu. Con đường phía trước còn dài, nhưng về mặt lý thuyết, chúng ta đã chứng minh được tính khả thi. Mảnh ghép còn thiếu giờ đây đã xuất hiện”, ông cho biết.