ชิปตัวนำยิ่งยวดเข้าใกล้ความจริงแล้วหลังค้นพบGeแบบใหม่

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่สูญเสียพลังงานไฟฟ้าเลยใกล้จะเกิดขึ้นบนโลกใบนี้จริงๆแล้ว เมื่อนักวิทยาศาสตร์สามารถทำตัวนำยิ่งยวดเจอร์เมเนียมได้แล้ว

 

ธาตุส่วนใหญ่จะมีคุณสมบัติตัวนำยิ่งยวดได้ที่อุณหภูมิต่ำและความดันสูง แต่จนถึงตอนนี้ ทองแดง เงิน ทองคำ และตัวนำยิ่งยาวเจอร์เมเนียมได้ฉีกกฎนี้ทิ้งเรียบร้อยแล้ว เมื่อนักวิทยาศาสตร์จากศูนย์วิจัย Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) ได้ค้นพบตัวนำยิ่งยวดเจอร์เมเนียมเป็นครั้งแรกของโลก ทำให้ความหวังที่จะได้เห็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบตัวนำยิ่งยวดเข้าใกล้ความจริงมากขึ้น

 

สารตัวนำยิ่งยวดเป็นสารที่สามารถนำไฟฟ้าได้โดยไม่สูญเสียพลังงานเลยเมื่ออยู่ในสภาวะที่มีอุณหภูมิต่ำมาก สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์อย่างซิลิกอนและเจอร์เมเนียมส่วนใหญ่แล้วจะไม่นำไฟฟ้าที่อุณหภูมิต่ำแต่จะแสดงคุณสมบัตินำไฟฟ้าได้หลังจากถูกโดปด้วยอะตอมของธาตุอื่น โดยกลวิธีในการโดปคือการเติมไอออนของธาตุอื่นเข้าไป (ไอออนคืออะตอมที่มีประจุไฟฟ้า) สำหรับการผลิตสารกึ่งตัวนำที่มีคุณสมบัติตัวนำยิ่งยวดนั้น จะต้องใช้ปริมาณของไอออนที่เติมเข้ามาสูงมาก มากกว่าปริมาณที่สารจะดูดซับได้เสียอีก และที่ศูนย์วิจัย FZD เจอร์เมเนียมตัวอย่างได้ถูกโดปโดยอะตอมแกลเลียมเข้าไปราวๆ 6 อะตอมต่อเจอร์เมเนียม 100 อะตอม และจากการทดลอง นักวิทยาศาสตร์สามารถพิสูจน์ได้ว่าการโดปเจอร์เมเนียมแผ่นบางที่มีความหนาเพียง 60 นาโนเมตรนั้นสามารถทำให้เจอร์เมเนียมมีคุณสมบัติเป็นตัวนำยิ่งยวดได้ ซึ่งถือว่าสามารถแก้ไขปัญหาการสร้างพันธะกันเองระหว่างไอออนที่โดปเข้ามาในช่วงที่โดปแรงๆนี้ได้

 

ก่อนหน้านี้ ปัญหาอีกอย่างหนึ่งของการสร้างเจอร์เมเนียมให้เป็นตัวนำยิ่งยวดนี้คือโครงสร้างแลตทิซของเจอร์เมเนียจะถูกไอออนที่เติมเข้ามาทำลาย FZD จึงแก้ไขโดยการใช้การหลอมผลิตหลอดไฟแฟลช (flash lamp anneal) ที่ช่วยซ่อมแซมโครงสร้างแลตทิซส่วนที่ถูกทำลายลงได้โดยการให้ความร้อนบริเวณพื้นผิวในระยะเวลาสั้น (ประมาณ 2-3 มิลลิวินาที) ขณะที่สารเจือปืนก็ยังกระจายตัวได้เกือบจะเหมือนเดิมอยู่

 

สารตัวใหม่ที่ค้นพบนี้มีคุณสมบัติที่น่าจะนำไปใช้งานได้หลากหลาย เพราะมีสนามแม่เหล็กวิกฤตที่สูงมากจนน่าตกใจซึ่งก็ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่สารถูกเปลี่ยนให้เป็นสารตัวนำยิ่งยวดด้วย วัสดุส่วนใหญ่นั้นการนำไฟฟ้ายิ่งยวดจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำ บางชนิดต้องทำที่อุณหภูมิสูงกว่า 0 เคลวิน (-273 องศาเซลเซียส) เพียงแค่นิดเดียวเท่านั้น ตามทฤษฎีแล้ว เจอร์เมเนียมที่ถูกโดปด้วยแกลเลียมนี้จะเป็นตัวนำยิ่งยวดได้ที่อุณหภูมิ 0.5 เคลวิน แต่นักวิจัยของ FZD กำลังค้นหาวิธีที่จะทำสารนี้ให้เป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงกว่านี้ได้อยู่ โดยการเปลี่ยนตัวแปรต่างๆขณะที่ทำการเติมไอออนหรือหลอมธาตุนั้นๆ

 

นักฟิสิกส์ทั่วโลกต่างก็ใฝ่ฝันถึงสารกึ่งตัวนำที่มีคุณสมบัติตัวนำยิ่งยวดมานานแล้ว แต่โอกาสที่ทำเจอร์เมเนียมที่เป็นสารกึ่งตัวนำให้เป็นสารตัวนำยิ่งยวดนี้ริบหรี่มากเหลือเกิน โดยเจอร์เมเนียมนี้ใช้เป็นสารที่ใช้สร้างทรานซิสเตรอ์ในรุ่นแรกๆ และต่อมาถูกซิลิกอนเข้ามาแทนที่และซิลิกอนก็เป็นวัสดุหลักที่ใช้กันในวงการไมโครอิเล็กทรอนิกส์อีกด้วย แต่ล่าสุดนี้ สารเจอร์เมเนียมที่เคยถูกลืมนั้นกลับถูกรื้อฟื้นขึ้นมาใหม่และน่าสนใจมากขึ้น เนื่องจากทำให้ไฟฟ้าไหลในวงจรได้เร็วมากขึ้นเมื่อเทียบกับซิลิกอน

 

แม้แต่ผู้เชี่ยวชาญก็ยังเชื่อว่าในวงการไมโครและนาโนอิเล็กทรอนิกส์นั้น เจอร์เมเนียมจะเป็นจุดเริ่มต้นของการค้นพบอีกครั้ง เพราะหากใช้ซิลิกอนต่อไปนั้น การทำให้อุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิกส์เล็กลงไปอีกจะทำไม่ได้แล้ว ทุกวันนี้ การสร้างทรานซิสเตอร์จะต้องใช้เลเยอร์ออกไซด์ที่บางมากๆ และหากบางเกินไปก็จะทำให้ซิลิกอนออกไซด์ทำงานไม่ดีอีกต่อไป แต่หากนำเจอร์เมเนียมที่เป็นวัสดุใหม่นี้มาทำเป็นชิปแล้วจะมีข้อได้เปรียบอยู่ 2 อย่างหลักคือ 1. สามารถทำให้กระบวนการเกิดเร็วขึ้นได้ และ 2. คือจะย่อขนาดของไมโครและนาโนอิเล็กทรอนิกส์ได้เล็งลงไปอีก จึงเป็นไปได้ว่าเจอร์เมเนียมสภาพตัวนำยิ่งยวดนี้อาจจะช่วยให้เกิดวงจรสำหรับคอมพิวเตอร์รุ่นใหม่ได้

 

ในช่วงที่วิจัยอยู่นี้ นักวิทยาศาสตร์ของสถาบันวิจัย Forschungszentrum Dresden-Rossendorf ยังดูวิธีการนำไปใช้งานควบคู่ไปกับการค้นหาสารกึ่งตัวนำที่มีคุณสมบัติตัวนำยิ่งยวดนี้ด้วย ทำให้แทนที่จะโดปด้วยโบรอนที่ใช้ในการสร้างซิลิกอนที่มีคุณสมบัติตัวนำยิ่งยวดในฝรั่งเศสเมื่อ 2 ปีก่อน นักวิจัยก็เลือกใช้แกลเลียมแทนเนื่องจากละลายในเจอร์เมเนียมได้ดีกว่า จากการทดลองเชิงระบบนั้น พวกเขาสามารถพิสูจน์ได้ว่าสามารถทำเจอร์เมเนียมให้มีคุณสมบัตินำไฟฟ้ายิ่งยวดขึ้นมาใหม่ได้ นอกจากนั้น ยังสามารถแสดงได้ว่าอุณหภูมิที่ใช้ในการเปลี่ยนเป็นสารตัวนำยิ่งยวดจะสามารถเพิ่มขึ้นได้ภายในขอบเขตที่แน่นอน

 

ในอนาคต นักวิทยาศาสตร์จากสถาบัน FZD ทั้งสองคือ on Beam Physics and Materials Research และ Dresden High Magnetic Field Laboratory จะร่วมมือแลกเปลี่ยนข้อมูลกัน เพื่อที่จะให้ปรับหาตัวแปรที่เหมาะสมต่อการทดลองในอนาคตได้ และคาดว่าจะมีการค้นพบความลับของสารกึ่งตัวนำที่มีคุณสมบัติตัวนำยิ่งยวดนี้ในอีกไม่ช้า

 

แปลจาก :