Ôn tập môn học Công nghệ nano

MỤC LỤC

Điện tử học truyền thống được hình thành và phát triển chủ yếu trong thế kỷ 20 và
trải qua hai giai đoạn.
Giai đoạn thứ nhất, bắt đầu vào khoảng cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20 cho đến tận những
năm 70 (thậm chí những năm 80 vẫn còn sử dụng). Đây là thời kỳ của điện tử chân không
đánh dấu bằng sự ra đời của ống tia cathode (cathode ray tube, CRT) Braun (1900) và
phát triển dựa trên các đèn điện tử chân không. Kỹ thuật điện tử đặc thù của giai đoạn
này là sử dụng điện tích của điện tử ở trong chân không và điều khiển chúng bằng điện
trường (việc kết hợp sử dụng từ trường chủ yếu là để lái chùm tia điện tử trong các màn
hình sử dụng ống CRT).
Giai đoạn thứ hai, bắt đầu từ cuối thập kỷ 40, đầu thập kỷ 50 đến tận thập kỷ đầu của thế
kỷ 21. Đây là giai đoạn phát triển của điện tử bán dẫn, trong đó điện tích của điện tử
trong chất rắn (bán dẫn) được sử dụng và cũng được điều khiển chủ yếu bằng điện trường
(một số kiểu linh kiện khác, như các linh kiện Hall, có sử dụng từ trường bên cạnh điện
trường). Giai đoạn thứ hai cũng phát triển qua hai giai đoạn: giai đoạn đầu (1950-1980) là
thời kỳ phát triển của công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu silic; giai đoạn sau (1980-
2000) phát triển dựa vào công nghệ vi điện tử nhưng trên các vật liệu có cấu trúc tiếp xúc
dị thể kim loại-ôxýt-bán dẫn (MOS), cấu trúc bù MOS (CMOS) và sử dụng hiệu ứng
trường (FET). Bên cạnh đó, công nghệ lưu trữ thông tin cũng phát triển hết sức mạnh mẽ,
đặc biệt là trong nửa cuối của thế kỷ 20.
Sự phát triển mạnh của công nghệ điện tử chất rắn (bán dẫn) trong thế kỷ 20 (chủ
yếu ở nửa sau của thế kỷ) cùng với sự phát triển của công nghệ lưu trữ thông tin, đã dẫn
đến sự bùng nổ của các công nghệ điện tử-tin học-viễn thông, làm thay đổi hoàn toàn bộ
mặt của đời sống toàn cầu trong thời gian qua với các thành tựu tiêu biểu là mạng
internet, các thiết bị thông tin di động và các thiết bị ngày càng thông minh hơn.
Tuy nhiên, gần đây công nghệ điện tử chất rắn đã bắt đầu bộc lộ những hạn chế về
nguyên tắc, mâu thuẫn mang tính chất kinh tế (Định luật Moore II): giá thành nhà máy
chế tạo chip tăng lên gấp đôi sau 3 năm, trong khi thị trường tiêu thụ IC đã tăng gấp đôi
sau 5 năm. Thứ hai là hạn chế về mặt vật lý: mặc dù vật lý bán dẫn được dựa trên cơ học
lượng tử, song các điện tử được sử dụng vẫn có tính chất “tập thể” ở trong tinh thể bán

dẫn có kích thước vĩ mô. Do đó các quy luật vật lý được sử dụng vẫn có tính chất “cổ
điển”. Khi kích thước của các linh kiện ngày càng nhỏ, hiện nay đã xuống đến kích thước
nanômét, sự thăng giáng thống kê sẽ lớn và các quy luật lượng tử đã bắt đầu có hiệu lực,
chi phối tính chất của linh kiện và xuất hiện những tính chất mới.
Công nghệ Nano Page 1
Sang thế kỷ 21, khuynh hướng phát triển chung của công nghệ điện tử bán dẫn sẽ
là công nghệ nano, hình thành nên cái gọi là điện tử học nanô (nanoelectronics, so sánh
thuật ngữ này với thuật ngữ vi điện tử, microelectronics).
Sự phát triển công nghệ và sự cạnh tranh công nghiệp đã đưa công nghiệp bán dẫn
sản sinh ra các dụng cụ điện tử nhỏ hơn, nhanh hơn, mạnh hơn. Mức độ tích hợp tăng
gấp đôi sau mỗi 18-24 tháng theo luật Moore, mật độ tích hợp các linh kiện trên chip
tăng theo hàm mũ.
1965, Intel chế tạo một cái chip có diện tích vài cm
2
chứa 30 transistor. Chip này
đủ "thông minh" để làm công việc đơn giản cộng trừ nhân chia thay cho cái bàn tính.
tháng 11 năm 2007 Intel tung ra thị trường thế giới một transistor mới với kích cỡ
45 nanomét, dùng một nguyên tố gọi là hafnium để thay thế silicon. Transistor này nhỏ
đến mức người ta có thể xếp 2000 transistor này trong một khoảng không gian dày bằng
sợi tóc. Hàng tỉ transistor được tập tích trong một chip vi tính cũng chỉ to vài cm
2
.
Vấn đề chính của các transistor thu nhỏ là sự phát nhiệt. Càng được thu nhỏ,
transistor càng nóng. Sự phát nhiệt làm tổn hại và giảm công năng của các dụng cụ điện
tử Nhu cầu thu nhỏ hơn nữa và tránh sự phát nhiệt cần phải nhờ đến giải pháp "từ dưới
lên" của công nghệ nano và khái niệm "phân tử điện tử học" (molecular electronics) ra
đời.
ống than nano có đặc tính dẫn điện đạn đạo (ballistic conductivity) mà không gây
sự phát nhiệt.
Năm 2000, Intel giới thiệu pentium 4 gồm 42 triệu tranzito, một thành tựu công

nghệ kinh hoàng. Việc tăng mật độ mạch thực hiện bằng cách rút ngắn đường dây nối
mạch, bằng cách giảm kích thước các chức năng, tạo ra các lớp cấu trúc dụng cụ đa mức
mỏng hơn. Các thay đổi này thực hiện nhờ kỹ thuật sản xuất và các vật liệu cấu trúc.
2) Các phương pháp chế tạo vật liệu nano, ưu nhược điểm của từng phương pháp.
Công nghệ điện tử nano thường theo phương pháp nào, tại sao?
Chế tạo vật liệu nano
Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống
(top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên xuống là
phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp từ
dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử.
1. Phương pháp từ trên xuống
Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức
hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano. Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất
Công nghệ Nano Page 2
hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng làm
vật liệu kết cấu). Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những
viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là
nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi
cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu
nano không chiều (các hạt nano). Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật
đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn(có thể >10) mà không làm phá huỷ vật liệu, đó
là các phương pháp SPD điển hình. Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng
trường hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là biến
dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu được là các vật
liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm). Ngoài ra, hiện nay
người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp.
Hình 1-3 Các màng nano Si chế tạo theo hướng trên xuống
a) Khắc các lỗ hổng qua lớp Si loại P+ và đế Si
b) Phủ lớp SiO
2

có độ sâu điều chỉnh được độ sâu
c) Lắng đọng lớp Si đa tinh thể trên lớp ôxit và khắc lỗ
d) Nghiền tách lớp cấu trúc bằng axit Flohydric, tự các màng tách thành
các phần tử vừa với đoạn nano có các đặc tính sử dụng theo kiến trúc
nano điều khiển được.
2. Phương pháp từ dưới lên
Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương pháp từ dưới
lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng.
Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này.
Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai
phương pháp hóa-lý.
Công nghệ Nano Page 3
* Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển
pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc bay
nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phún xạ là kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa
trên nguyên lý truyền động năng bằng cách dùng các iôn khí hiếm được tăng tốc dưới
điện trường bắn phá bề mặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động năng cho các nguyên tử
này bay về phía đế và lắng đọng trên đế.
Phương pháp chuyển pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để
thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình - tinh thể
(kết tinh) (phương pháp nguội nhanh). Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các
hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính.
* Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phương pháp
hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay
đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phương
pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa,
sol-gel, ) và từ pha khí (nhiệt phân, ). Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây
nano, ống nano, màng nano, bột nano,
* Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật
lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí, Phương pháp này có thể tạo các hạt

nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,
Hình 1-4 giới thiệu cây PAMAM (Polyamido Amine) được phát triển theo phương
pháp tổng hợp trực giao từ các lõi amin, trường hợp từ amoniac bằng cách thêm dãy
Methyl (metyla), tiếp theo là phản ứng độc lập ethylene diamine (hợp chất hữu cơ bao
gồm hai nhóm amino). Các cây PAMAM được phân loại từ tạo sinh trưởng G
0
, G
1
, G
2
.
Công nghệ Nano Page 4
Hình 1-4 Phát triển cây PAMAM
Câu 3) Khái niệm về công nghệ nano, phân loại vật liệu nano và phân tích một số
ứng dụng của công nghệ nano.
I. Một vài khái niệm về công nghệ nano
Công nghệ nano là công nghệ xử lý vật chất ở mức nanomet. Công nghệ nano tìm cách
lấy phân tử đơn nguyên tử nhỏ để lắp ráp ra những vật to kích cỡ bình thường để sử dụng,
đây là cách làm từ nhỏ đến to khác với cách làm thông thường từ trên xuống dưới, từ to
đến nhỏ.
Vật liệu ở thang đo nano, bao gồm các lá nano, sợi và ống nano, hạt nano được điều chế
bằng nhiều cách khác nhau. Ở cấp độ nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà
vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích
mặt ngoài của loại vật liệu này.
Phân Loại Vật liệu Nano:
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét. Về trạng thái
của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano được
tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí.
Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:
Công nghệ Nano Page 5

• Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều
tự do nào cho điện tử), ví dụ, đám nano, hạt nano
• Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử
được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano,
• Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai
chiều tự do, ví dụ, màng mỏng,
• Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một
phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều,
một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
Để hiểu rõ về công nghệ nano, ta phải tìm hiểu khái niệm về vật liệu nano
II. Những ứng dụng của công nghệ nano
Trong ngành công nghiệp hiện nay, các tập đoàn sản xuất điện tử đã bắt đầu đưa công
nghệ nano vào ứng dụng, tạo ra các sản phẩm có tính cạnh tranh từ chiếc máy nghe nhạc
iPod nano đến các con chip có dung lượng lớn với tốc độ xử lý cực nhanh …
Trong y học, để chữa bệnh ung thư người ta tìm cách đưa các phân tử thuốc đến đúng
các tế bào ung thư qua các hạt nano đóng vai trò là “ xe tải kéo”, tránh được hiệu ứng phụ
gây ra cho các tế bào lành.
Ngoài ra, các nhà khoa học tìm cách đưa công nghệ nano vào việc giải quyết các vấn đề
mang tính toàn cầu như thực trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng. Việc cải tiến
các thiết bị quân sự bằng các trang thiết bị, vũ khí nano rất tối tân mà sức công phá khiến
ta không thể hình dung nổi.
Câu 4) Các cơ sở khoa học của công nghệ nano, các nguyên lý và hiệu ứng dùng
trong công nghệ nano.
Có ba cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano.
Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử
Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình
hóa với rất nhiều nguyên tử (1 µm
3
có khoảng 10
12

nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng
giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử
thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó
có các mức năng lượng giống như một nguyên tử.
Công nghệ Nano Page 6
Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so
với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính
chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối.
Kích thước tới hạn
Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật
liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Người ta gọi
đó là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có
thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu. Ví dụ điện trở của
một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta
giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử
trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn
đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử.
Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ
thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu.
Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa
học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chính vì thế mà người ta gọi ngành
khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ nano.
Bảng 1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu.
Lĩnh vực Tính chất Độ dài tới hạn (nm)
Tính chất điện
Bước sóng điện tử 10-100
Quãng đường tự do trung bình không đàn
hồi
1-100

Hiệu ứng đường ngầm 1-10
Tính chất từ
Độ dày vách đômen 10-100
Quãng đường tán xạ spin 1-100
Tính chất quang
Hố lượng tử 1-100
Độ dài suy giảm 10-100
Độ sâu bề mặt kim loại 10-100
Tính siêu dẫn Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1-100
Công nghệ Nano Page 7
Độ thẩm thấu Meisner 1-100
Tính chất cơ
Tương tác bất định xứ 1-1000
Biên hạt 1-10
Bán kính khởi động đứt vỡ 1-100
Sai hỏng mầm 0,1-10
Độ nhăn bề mặt 1-10
Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10
Siêu phân tử
Độ dài Kuhn 1-100
Cấu trúc nhị cấp 1-10
Cấu trúc tam cấp 10-1000
Miễn dịch Nhận biết phân tử 1-10
Các nguyên lý và hiệu ứng dùng trong công nghệ Nano
Một trong những tính chất quan trọng của cấu trúc nano là sự phụ thuộc vào kích thuớc.
Vật chất khi ở dạng vi thể (nano-size) có thể có những tính chất mà vật chất khi ở dạng
nguyên thể (bulk) không thể thấy đuợc.
Khi kích thuớc của vật chất trở nên nhỏ tới kích thuớc nanômét, các điện tử không còn di
chuyển trong chất dẫn điện như một dòng sông, mà đặc tính cơ lượng tử của các điện tử
biểu hiện ra ở dạng sóng. Kích thuớc nhỏ dẫn đến những hiện tượng lượng tử mới và tạo

cho vật chất có thêm những đặc tính kỳ thú mới. Một vài hệ quả của hiệu ứng lượng tử
bao gồm, chẳng hạn như:
• Hiệu ứng đường hầm : điện tử có thể tức thời chuyển động xuyên qua một lớp cách
điện. Lợi điểm của hiệu ứng này là các vật liệu điện tử xây dựng ở kích cỡ nano
không những có thể được đóng gói dầy đặc hơn trên một chíp mà còn có thể hoạt
động nhanh hơn, với ít điện tử hơn và mất ít năng lượng hơn những transistor
thông thường.
• Sự thay đổi của những tính chất của vật chất chẳng hạn như tính chất điện và tính
chất quang phi tuyến (non-linear optical).
Bằng cách điều chỉnh kích thuớc, vật chất ở dạng vi mô có thể trở nên khác xa với vật
chất ở dạng nguyên thể.
Công nghệ Nano Page 8
• Hiện nay liên hệ giữa tính chất của vật chất và kích thước là chúng tuân theo "định
luật tỉ lệ" (scaling law). Những tính chất căn bản của vật chất, chẳng hạn như nhiệt
độ nóng chảy của một kim loại, từ tính của môt chất rắn (chẳng hạn như tính sắt
từ và hiện tượng từ trễ), và band gap của chất bán dẫn (semiconductor) phụ thuộc
rất nhiều vào kích thước của tinh thể thành phần, miễn là chúng nằm trong giới
hạn của kích thước nanômét. Hầu hết bất cứ một thuộc tính nào trong vật rắn đều
kết hợp với một kích thước đặc biệt, và duới kích thước này các tính chất của vật
chất sẽ thay đổi.
Mối quan hệ này mở đường cho sự sáng tạo ra những thế hệ vật chất với những tính chất
mong muốn, không chỉ bởi thay đổi thành phần hóa học của các cấu tử, mà còn bởi sự
điều chỉnh kích thuớc và hình dạng.
Các thiết bị dùng trong việc nghiên cứu và quan sát các cấu trúc nano
Một trong những thiết bị được sử dụng nhiều trong công nghệ nano là kính hiển vi quét
sử dụng hiệu ứng đường ngầm (Scanning Tunneling Microscope - STM). Nó chủ yếu bao
gồm một đầu dò cực nhỏ có thể quét trên bề mặt. Tuy nhiên, do đầu dò này chỉ cách bề
mặt của vật cần quan sát vào khoảng vài nguyên tử và đầu dò có cấu trúc tinh vi (kích
thuớc cỡ chừng khoảng vài phân tử hoặc nguyên tử), cho hiệu ứng cơ lượng tử xảy ra.
Khi đầu dò được quét trên bề mặt, do hiệu ứng đường ngầm, các điện tử có thể vượt qua

khoảng không gian giữa bề mặt của vật liệu và đầu dò. Kỹ thuật này làm cho một máy
tính có thể xây dựng và phóng đại những hình ảnh của phân tử và nguyên tử của vật chất.
Những phương tiện dụng cụ khác bao gồm:
• Molecular beam epitaxy
• Molecular self-assembly
• Electron beam lithography
• Focused ion beam
• Electron microsopy
• X-ray crystallography
• NMR (nuclear magnetic resonance) spectroscopy
• AFM (Atomic Force Microsopy)
• SEM (Scanning Electron Microscopy)
Công nghệ Nano Page 9
• TEM (Transmission Electron Microscopy)
Câu 5) Năng lượng bề mặt, các phương pháp giảm năng lượng bề mặt, tại sao phải
giảm năng lượng bề mặt?
Nguyên tử và phân tử trên bề mặt chất rắn có ít lân cận gần nhất hoặc số lượng
phù hợp vì vậy sẽ có các liên kết lúc lắc trên bề mặt. Do các liên kết lúc lắc trên bề mặt
mà các nguyên tử và phân tử bề mặt chịu lực trực tiếp phía trong và khoảng cách giữa các
nguyên tử và phân tử hoặc các nguyên tử và phân tử bề mặt phụ nhỏ hơn khoảng cách
giữa các nguyên tử và phân tử bên trong. Khi các hạt rắn rất nhỏ, kích thước ràng buộc
giữa các nguyên tử bề mặt và các nguyên tử bên trong giảm đáng kể, các hằng số lưới của
các hạt toàn phần cũng giảm đáng kể. Năng lượng phụ có được của các nguyên tử bề mặt
được xem như năng lượng bề mặt, năng lượng bề mặt tự do hoặc sức căng bề mặt. Năng
lượng bề mặt γ được định nghĩa là năng lượng cần để tạo ra một đơn vị diện tích bề mặt
mới:
PTn
i
A
G

,,






∂
∂
=
γ
(2.1)
với A là diện tích bệ mặt
Đối với một bề mặt đã cho với diện tích bề mặt cố định, năng lượng bề mặt có thể giảm
qua:
(i) Sự dãn bề mặt, các nguyên tử bề mặt hoặc các ion dịch vào trong mà nó xảy ra
trong chất lỏng dễ dàng hơn bề mặt chất rắn do cấu trúc chất rắn cứng hơn.
(ii) Tái cấu trúc bề mặt qua việc kết hợp các liên kết lúc lắc bề mặt thành các liên kết
hoá học căng mới.
(iii) Sự hút bám bề mặt qua việc hút bám hoá học hoặc vật lý các loại hoá chất thành
bề mặt nhờ hình thành những liên kết hoá học hoặc những lực hút yếu như là các
lực tĩnh điện hoặc các lực van der Waals.
(iv) Phân đoạn kết hợp hoặc làm giàu pha tạp trên bề mặt bằng cách khuếch tán trạng
thái rắn.
Một hướng khác để giảm năng lượng bề mặt là phân đoạn kết hợp hoặc làm giàu pha tạp
trên bề mặt. Phương pháp này hiệu quả với chất lỏng, không giống như chất rắn. Trong
các chất rắn nguyên thể, phân đoạn kết hợp là không đáng kể nên năng lượng hoạt hoá
yêu cầu cho khuếch tán trạng thái rắn là cao, độ dài khuếch tán lớn. Trong các cấu trúc
nano và vật liệu nano, phân đoạn pha đóng vai trò đáng kể để giảm năng lượng bề mặt,
xem như tác động mạnh đến năng lượng bề mặt và độ dài khuếch tán ngắn. Mặc dù chưa

có được minh chứng thực tế để chỉ ra tác động của phân đoạn kết hợp vào việc giảm
năng lượng bề mặt trong các vật liệu cấu trúc nano, sự khó khăn trong việc pha tạp vật
Công nghệ Nano Page 10
liệu nano, tính không ràng buộc trong cấu trúc gần hoàn thiện trong vật liệu nano chứng
tỏ rằng các tạp chất và lỗ trống bị đẩy từ trong ra bề mặt cấu trúc và các vật liệu nano.
Tại mức cấu trúc nano riêng có hai hướng giảm năng lượng bề mặt tổng cộng. Một
là giảm diện tích bề mặt tổng thể với giả thiết vật liệu hoàn toàn đẳng hướng. Nước trên
bề mặt không thấm luôn tạo thành các hạt tròn nhỏ tự do trên toàn bề mặt, giống như trên
mặt kính, khi nung bằng nhiệt thì chúng sẽ chạy vòng quanh. Đối với chất lỏng và chất
rắn không định hình, có cấu trúc micro đẳng hướng và do vậy mà năng lượng bề mặt là
đẳng hướng. Với các vật liệu này, giảm năng lượng bề mặt bằng cách giảm diện tích bề
mặt tổng thể. Tuy nhiên với chất rắn tinh thể có các mặt cạnh tinh thể khác nhau sẽ có
năng lượng bề mặt khác nhau. Vì vậy mà các hạt tinh thể thường hình thành các mặt
cạnh thay cho các dạng cầu, nói chung chúng thường có năng lượng bề mặt cao hơn các
hạt bề mặt. Cân bằng động nhiệt học được xác lập cho một tinh thể đã cho có thể xác
định được bằng cách năng lượng bề mặt tất cả các mặt cạnh do năng lượng bề mặt cực
tiểu khi một nhóm bề mặt được kết hợp dưới một dạng nào đó.
Đối với tinh thể cân bằng, nghĩa là năng lượng bề mặt tổng cộng cực tiểu tồn tại
một điểm bên trong có khoảng cách vuông góc với mặt cạnh thứ i là h
i
, tỷ lệ với năng
lượng γ
i
:
γ
i
= C.h
i
(2.5)
C là hằng số, với một tinh thể đã cho thì C là hằng số như nhau cho tất cả các bề

mặt.
Trong thực tế, cấu trúc hình học của một tinh thể được xác định từ các hệ số động
học phụ thuộc vào việc xử lý hoặc các điều kiện tạo ra tinh thể. Các bề mặt tinh thể cân
bằng có thể không trơn, sự khác nhau về năng lượng bề mặt của các mặt cạnh tinh thể
khác nhau có thể không xuất hiện. Sự chuyển tiếp như thế được gọi là làm ráp bề mặt hay
chuyển tiếp ráp (roughening transition). Dưới nhiệt độ ráp thì tinh thể, năng lượng ở bề
mặt. Trên nhiệt độ ráp, chuyển động nhiệt chiếm ưu thế, sự khác nhau về năng lượng bề
mặt dọc theo các mặt cạnh khác nhau của tinh thể có thể bỏ qua. Kết quả là tinh thể
không hình thành các mặt cạnh ở nhiệt độ trên nhiệt độ ráp. Đặc tính vật lý này được hiểu
là xem như bề mặt rắn có nhiệt độ trên nhiệt độ ráp là bề mặt chất lỏng. Các tinh thể ở
nhiệt độ trên nhiệt độ ráp không hình thành các mặt cạnh. Các hệ số động học cũng tránh
được sự hình thành mặt cạnh. Các nghiên cứu khác cũng chứng tỏ rằng: hầu hết các hạt
nano sinh ra từ nhiệt độ nâng cao có dạng cầu và không hình thành mặt cạnh.
Ở mức độ hệ thống toàn thể, cơ chế giảm năng lượng bề mặt tổng thể bao gồm:
i. Kết hợp các cấu trúc nano riêng biệt thành cấu trúc lớn và như vậy giảm được
diện tích bề mặt. Thực hiện bằng cách trộn chung các cấu trúc nano riêng biệt lại hoặc
Công nghệ Nano Page 11
cấy cấu trúc lớn cạnh các cấu trúc nhỏ. Theo cách thứ nhất có thể thực hiện với nhiện độ
trong phòng, cách kia cần nhiệt độ cao hơn.
ii. Tích tụ các cấu trúc nano riêng biệt, không cần thay đổi cấu trúc
tại sao phải giảm năng lượng bề mặt?
Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so
với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu
ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet
khác biệt so với vật liệu ở dạng khối.
6) Tính chất hoá lý và các hiệu ứng vật lý cơ bản trong cấu trúc nano phân tử.
a. Tính chất hoá lý
Hình 2-1 Tỷ lệ nguyên tử bề mặt theo đường kính cụm palladium
Cấu trúc nano và vật liệu nano chiếm một phần lớn các nguyên tử bề mặt trên một
đơn vị thể tích. Tỷ lệ của các nguyên tử bề mặt với các nguyên tử bên trong thay đổi đáng

kể nếu chúng có thể phân chia được một đối tượng vĩ mô thành các phần nhỏ hơn. Ví dụ,
đối với một khối lập phương 1 cm
3
sắt, tỷ lệ phần trăm của các nguyên tử bề mặt sẽ chỉ là
10
-5
%. Khi khối hộp được chia thành nhỏ hơn hình khối với một cạnh 10 nm, tỷ lệ phần
trăm của các nguyên tử bề mặt sẽ tăng đến 10%. Trong một khối lập phương 1 nm
3
sắt,
mỗi nguyên tử sẽ là một nguyên tử bề mặt. Hình 2.1 cho thấy tỷ lệ phần trăm của các
nguyên tử bề mặt thay đổi theo đường kính cụm palladium.
Công nghệ Nano Page 12
Như vậy, sự gia tăng đáng kể về tỷ lệ nguyên tử bề mặt với các nguyên tử bên
trong các cấu trúc nano và các vật liệu nano minh họa tại sao sự thay đổi trong phạm vi
kích thước nanomet được dự kiến sẽ dẫn đến thay đổi lớn về các tính chất vật lý và hóa
học của vật liệu.
b. Các hiệu ứng vật lý cơ bản trong cấu trúc nano phân tử
* Hiệu ứng xuyên hầm lượng tử
Hiện tượng xuyên hầm lượng tử là hiện tượng các electron bằng các cơ chế của cơ
học lượng tử đã “đi xuyên” qua được bờ rào thế năng chắn giữa hai vùng chứa electron
ngay cả khi động năng của electron thấp hơn chiều cao của rào thế.
Hiện tượng xuyên hầm lượng tử cộng hưởng là hiện tượng khi một electron đến bờ
rào thế năng của một hố thế, nếu năng lượng của nó “trùng khít” với một mức năng lượng
rời rạc nào đó trong hố thế thì electron đó sẽ vượt qua bờ rào vào hố thế với xác suất tăng
vọt. Nếu trong hố thế không tồn tại mức năng lượng nào bằng với năng lượng của
electron thì electron đó không thể vượt qua rào thế để vào trong hố thế. Điều chỉnh các
mức lượng tử trong hố thế lên xuống, ta có thể điều khiển quá trình xuyên hầm của các
electron.
* Hiệu ứng khoá Coulomb

Xét hai điện cực tích điện q
1
, q
2
và cách nhau một khoảng 100nm - khoảng cách đủ
nhỏ để hiện tượng xuyên hầm có thể xảy ra. Cả hệ thống được đặt trong môi trường chân
không và ở gần 0
o
K. ở điều kiện như vậy, hệ có năng lượng nhỏ nhất và phụ thuộc vào độ
chênh lệch điện tích giữa hai cực. Nếu ban đầu điện tích ở hai cực là bằng nhau thì theo
định luật bảo toàn năng lượng, electron không thể di chuyển từ cực bên trái sang cực bên
phải. Ta nói đó là khoá Coulomb.
Nhưng khi có sự chênh lệch điện tích giữa hai cực, giả sử q
1
=-e/2 và q
2
=e/2, thì sẽ
có duy nhất một electron chuyển từ cực bên trái sang cực bên phải. Nếu giả sử có thêm 1
electron nữa xuyên hầm từ cực bên trái sang cực bên phải thì hiệu điện tích /q
1
-q
2
/ giữa
hai cực sau đó sẽ tăng, nên tổng năng lượng của toàn hệ tăng và không còn ở trạng thái
ổn định nữa. Do đó chỉ có thể có 1 electron duy nhất xuyên hầm giữa hai điện cực. Như
vậy ta hoàn toàn có thể chuyển dịch từng electron giữa hai cực bằng cách điều khiển
chính xác điện tích trên hai cực.
7) Ống nano cacbon- khái niệm phân loại, các đặc điểm và phương pháp chế tạo.
a - khái niệm phân loại ống nano cacbon :
Công nghệ Nano Page 13

Ống nano carbon do Sumio Lijima của phòng thí nghiệm Nec Tdukuba phát hiện
vào năm 1991. CNT có thể xem như một dải băng cắt từ mặt phẳng grafit (được gọi là
graphen) và được cuộn thành hình trụ liền rỗng.
* Có hai loại ống nano carbon:
 Ống nano đơn thành (SWNT)
 Ống nano đa thành (MWNT) bao gồm nhiều hình trụ được lồng chặt vào nhau.
Các ống nano đơn thành (Single-walled carbon nanotubes- SWNTs) bao gồm một
lớp Graphen là ứng cử đặc biệt cho sự phát triển ứng dụng điện tử nano do thuận lợi về tỷ
lệ và những đặc tính điện hiếm có của nó. Các đặc tính điện của SWNT là độ nhạy rõ rệt
của nó với môi trường xung quanh các vỏ cacbon, và từ đó không gian bên trong và bên
ngoài của SWNT có điện thế cực lớn để biến đổi các đặc tính điện của nó, mà nó chắc
chắn cấu trúc được các mạch điện tinh vi cho các ứng dụng tương lai.
b -các đặc điểm và phương pháp chế tạo :
* Đặc tính :
- Tính bền: CNT là vật liệu cứng và bền nhất đã được phát hiện. Độ bền này là do liên kết
cộng hóa trị sp^2 giữa từng nguyên tử carbon.
- Tính dẫn điện: Nói chung, tính chất bán dẫn hay kim loại của CNT được điều khiển
bằng vecto C và do đó, bằng quan hệ của n và m. Tính kim loại xuất hiện khi:
n – m = 3q (q: một số nguyên )
Nếu: n-m ≠ 3q các ống nano cacbon có tính bán dẫn
- Tính dẫn nhiệt: CNT là chất dẫn nhiệt rất tốt nếu xét theo chiều dọc ống nhưng nó là
chất cách điện nếu xét theo chiều ngang với trục ống.
* Phương pháp :
- Phóng điện hồ quang
- Bốc hơi laser
- Lắng đọng bay hơi hóa học
- Kết tinh lại xâm thực.
8) Điện tử phân tử và chấm lượng tử trong vật liệu linh kiện nano.
1. Điện tử phân tử
Công nghệ Nano Page 14

Điện tử phân tử nghiên cứu các phân tử đơn hoặc nhóm nhỏ các phân tử mà có thể sử
dụng cho những đơn vị căn bản cho máy tính (như dây, chuyển mạch, nhớ và các phần tử
khuếch đại). Mục đích sử dụng các phân tử này thiết kế từ dưới lên có những đặc tính và
chế độ làm việc riêng, thay thế các linh kiện điện tử chất rắn hiện tại sử dụng công nghệ
in khắc từ trên xuống.
Hướng từ trên xuống hiện tại sử dụng công nghiệp Si, những chi tiết nhỏ như tranzito
được khắc vào trong Si nhờ cản màu và ánh sáng, nhưng nhu cầu tăng mật độ gây áp lực
lớn cho nền công nghiệp.
Hướng dưới lên thực hiện cấu trúc chức năng vào các chi tiết nhỏ như các phân tử với
cơ hội có được phân tử tự hợp hơn nữa thành các đơn vị cấu trúc bậc cao như các
tranzito. Phương pháp dưới lên hoàn toàn tự nhiên, tất cả các hệ thống trong tự nhiên đều
cấu trúc từ dưới lên.
Cuối cùng, với những tiến bộ kỹ thuật đã cho, điện tử phân tử đề xuất thiết kế dưới lên
sẽ hiệu quả hơn từ trên xuống và tính đa dạng cấu trúc không ngờ, dẫn đến các phân tử
hiệu quả hơn, và vì vậy hướng tới chức năng tuỳ ý cho mỗi ứng dụng.
Điện tử phân tử tập trung vào các điện tử theo thang phân tử thay thế cho các vật liệu
phân tử. Các vật liệu phân tử phân chia với các màng film hoặc các tinh thể (ví dụ như là
các tranzito màng mỏng hay các điốt phát quang) gồm hàng ngàn tỷ các phân tử trên một
đơn vị chức năng mà các đặc tính của nó được đo theo thang bậc vĩ mô. Điện tử thang
phân tử phân chia với số ít ngàn phân tử trên một thiết bị.
2. Chấm lượng tử trong các linh kiện nanô
Cấu trúc thấp chiều hình thành khi ta hạn chế không gian thành một mặt phẳng, một
đường thẳng hay một điểm, tức là ta hạn chế chuyển động của các electron theo ít nhất là
một hướng trong phạm vi khoảng cách cỡ bước sóng deBroglie của nó (cỡ nm). Người ta
tạo ra được cấu trúc điện tử hai chiều (hay giếng thế lượng tử- quantum well) bằng cách
tạo một lớp bán dẫn mỏng, phẳng, nằm kẹp giữa hai lớp bán dẫn khác có độ rộng vùng
cấm lớn hơn. Các electron bị giam trong lớp mỏng ở giữa (cỡ vài lớp đơn tinh thể) và
như vậy chuyển động của chúng là chuyển động hai chiều, còn sự chuyển động theo
Công nghệ Nano Page 15
chiều thứ ba đã bị lượng tử hoá mạnh. Tiếp tục như vậy, ta có thể hình thành nên cấu trúc

một chiều (quantum wire-dây lượng tử) và cấu trúc không chiều (quantum dot-chấm
lượng tử). Các cấu trúc thấp chiều có nhiều tính chất mới lạ so với cấu trúc thông thường,
cả về tính chất quang, điện cũng như mật độ trạng thái.
Trong các linh kiện kích thước nhỏ, đặc tính cơ lượng tử của các điện tử và lỗ trống
đóng vai trò đáng kể. Trong các linh kiện MOSFET, đặc tính này có thể gây ra các hiện
tượng rò nguồn-máng do hiện tượng xuyên hầm. Đối với các linh kiện kích thước nhỏ,
đặc tính sóng của các phần tử mang điện có điều kiện thuận lợi thể hiện, điều mà trong
các linh kiện cỡ lớn không có. Các chấm lượng tử là những cấu trúc mà các phần tử mang
bị nhốt lại (confined) trong tất cả 3 chiều thành chấm không chiều. Các chấm lượng tử có
trên bề mặt chất bán dẫn độ rộng vùng cấm nhỏ, cạnh bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn.
Trong các trường hợp này, các phần tử mang điện hoạt động như những hạt (particle)
trong một chiếc hộp được giới hạn bởi vùng lệch dải năng lượng giữa hai khối bán dẫn.
Nếu kích thước chấm lớn, phân tách giữa các trạng thái cho phép là nhỏ, kích thước giảm
thì phân tách tăng. Phân tách trạng thái là định lượng quan trọng. Nếu thông số này lớn
hơn k
B
.T (k
B
là hằng số Boltzmann) thì các phần tử mang điện có tính chất sóng, và nó sẽ
vận động tức thì. Tương tự như vậy, các hiệu ứng đơn điện tử cũng có thể thấy được trên
các đảo kim loại mà ở đó năng lượng bổ sung cho điện tử lớn hơn k
B
.T. Vì vậy, các linh
kiện đơn điện tử có thể thực hiện được trong nhiều hệ thống vật liệu khác nhau. Nếu như
các linh kiện được kéo đến điểm làm việc của các điện tử đơn thì sẽ trở thành các linh
kiện rất hữu dụng, sẽ giải quyết được các vấn đề về tiêu hao năng lượng.
CÂU 9 Các linh kiện đơn điện tử. Đặc điểm và cấu trúc chung của các linh
kiện đơn điện tử là gì ?
Các linh kiện đơn điện tử được thể hiện theo tỷ lệ. Khái niệm đơn điện tử được dùng
cho các linh kiện điều khiển các điện tử riêng biệt, các linh kiện này phải rất nhỏ. Những

năm 1980, công nghệ chế tạo đã cho thấy rằng: có thể chế tạo các linh kiện đơn điện tử
bằng cả kim loại và bán dẫn. Các linh kiện đơn điện tử phải trong một số điều kiện,
nhưng nhìn chung là cấu trúc tách được các điện tử đơn không chuyển động theo dòng
liên tục mà giống như các hạt riêng lẻ. Để hiểu điều này, ta xem như là một chiếc tụ điện.
Khi nạp, cần có điện áp đặt vào các điện cực, cung cấp một năng lượng:
Công nghệ Nano Page 16
(2.6)
trong đó, C là điện dung của tụ, V là điện áp đặt vào, Q là điện tích nạp được: Q=CV.
muốn nạp thêm 1 điện tử cho tụ cần năng lượng là bao nhiêu. Hãy thay Q trong công
thức là e và E
c
thay cho E. Với C=1pF thì với nhiệt độ trong phòng, năng lượng
E
c
=8x10
-8
eV, nhỏ hơn k
B
.T nhiều. Điều này cho thấy, các điện tử đến và đi khỏi tụ nó chỉ
sử dụng năng lượng nhiệt mà nó chiếm đóng, vì vậy mà số lượng các điện tử nạp cho tụ
không thể xác định được. Điện áp đặt vào xác định lượng trung bình các điện tử, còn số
lượng chính xác từng thời điểm đến và đi khỏi tụ thay đổi theo năng lượng nhiệt. Nếu
điện dung nhỏ, năng lượng nạp phải lớn, nếu lớn hơn k
B
.T thì các điện tử không còn đến
và đi theo nhiệt năng nữa. Lúc này số các điện tử trên tụ được lượng tử hoá. Việc nạp
cho tụ bằng cách nối nguồn với tụ bằng dây dẫn nên không xác định được điểm đầu và
cuối tụ điện, các dây dẫn có thể làm giảm năng lượng nạp cho tụ. Vì vậy cần phải xác
định không gian tụ mà các điện tử được lượng tử hoá. Vấn đề là dây dẫn có nhiều kênh
dẫn mở và các điện tử có thể chuyển động từ bản cực này đến bản cực kia một cách liên

tục. Việc xác định vị trí các điện tử ở bản cực nào không phải nối cực liên tục. Điều này
nghĩa là phải ép dây dẫn xuống cho đến khi không còn kênh dẫn mở, các điện tử không
còn chuyển động thông thường mà phải xuyên hầm. Theo Landauer, mỗi kênh dẫn có độ
dẫn 2e
2
/h bao gồm cả spin tương đương điện trở 1/2R
Q
, với R
Q
là điện trở lượng tử (
∼
25
k
Ω
). Nếu điện trở cao hơn R
Q
thì điện tử phải xuyên hầm
Đặc điểm và cấu trúc chung
điều khiển và tạo ra các điện tử đơn cần điện dung linh kiện đủ nhỏ để năng lượng nạp
đủ lớn (lớn hơn k
B
.T) và nó chuyển động trong linh kiện bằng cách xuyên hầm. Điều này
cần điện trở lớn hơn điện trở lượng tử. Linh kiện đơn giản nhất có hiệu ứng đơn điện tử
được biểu diễn như một hộp đơn điện tử:
Công nghệ Nano Page 17
đảo
Hình 2-15 Hộp đơn điện tử
Hộp đơn điện tử gồm một tụ điện tiếp giáp xuyên hầm đơn C
j
ghép với đảo cách điện

nối tiếp với một tụ không xuyên hầm C
s
. Để có hiệu ứng đơn điện tử, điện dung tổng
cộng phải cho nạp một năng lượng lớn hơn k
B
.T. Điện áp U đặt vào C
s
sinh thế năng làm
điện tử vào đảo. Năng lượng để n điện tử vào đảo sẽ là:
(2.7)
với Q=U.C
s
là điện tích trên tụ. Năng lượng của một cấu hình gồm n+1 điện tử cư trú
trên đảo có thể được tính theo công thức trên chỉ thế n bằng n+1. năng lượng của mỗi cấu
hình là hàm parabol đối với U. Giả thiết có n điện tử trên đảo tại U=0, với điện áp này
năng lượng nhỏ nhất coi như đất (hình 2-16a). Tại đây, không một điện tử nào được thêm
vào hay lấy đi, gọi là khoá Coulomb.
Công nghệ Nano Page 18
Hình 2-16 phân bố năng lượng và cư trú điện tử theo điện áp
Khi điện áp U tăng, năng lượng của cấu hình n điện tử tăng, của cấu hình n+1 điện tử
lại giảm. Khi q=1/2 e thì hai năng lượng này như nhau. Khi điện áp U tăng tiếp thì năng
lượng của cấu hình n+1 điện tử giảm về giá trị thấp nhất (đất). Tại trạng thái đất, một
điện tử xuyên hầm qua tụ C
j
, chuyển mức cư trú (population) đảo lên n+1. Theo điện áp
U quét, các cấu hình có số các điện tử khác nhau trở về năng lượng đất, các điện tử xuyên
hầm qua C
j
và về trạng thái đất. Cư trú các điện tử trên đảo theo hàm bậc thang đối với U
10) Khái niệm về QCA, phân tích hoạt động và ví dụ minh hoạ.

KHÁI NIỆM
Khái niệm QCA
QCA là mẫu mới, có thể giải quyết được vấn đề tiêu hao năng lượng. Điểm chốt là mã
hoá thông tin cho một cấu hình điện tích mà trong đó, điện tích không nạp bằng điện áp
với đất. QCA dùng các mảng ghép các chấm lượng tử Dot, thực hiện các hàm lôgic
Công nghệ Nano Page 19
Boole, có lợi thế là mật độ đóng gói cực cao do kích thước chấm lượng tử rất nhỏ, kết nối
đơn giản và trễ năng lượng rất thấp.
Tế bào QCA cơ bản gồm 4 chấm lượng tử Dot trong một mảng vuông ghép bởi hàng
rào đường hầm. Ở đây, một chấm lượng tử Dot có thể chứa một điện tử bất kỳ, các điện
tử có khả năng xuyên hầm giữa các Dot, nhưng không thể rời khỏi tế bào. Nếu có hai
điện tử trong một tế bào thì do lực đẩy Coulomb, đẩy các điện tử về hai góc, sẽ có hai
phân cực trạng thái đất có thể ký hiệu lôgic 0 và 1 (hình 2-22).
Hình 2-22 Hai phân cực trạng thái đất của tế bào QCA 4dot cơ bản.
Nếu đặt hai tế bào gần nhau, lực tương tác Coulomb giữa các điện tử sẽ làm cho các tế
bào có cùng phân cực. Nếu phân cực của một tế bào thay đổi dần từ trạng thái này sang
trạng thái kia, tế bào thứ hai sẽ chuyển đột biến sang phân cực lưỡng ổn.
Hình 2-23 là một số ví dụ mảng QCA.
Hình 2-23 a)Dây tế bào QCA, b)bộ đảo QCA,
Công nghệ Nano Page 20
c)Cổng đầu vào phức hợp
Hình 2-23a là dây tế bào, các tế bào có khả năng ghép với tế bào lân cận thành dây.
Trạng thái đất của dây là tất cả các tế bào có cùng phân cực. Trường hợp này, các điện tử
luôn dãn rộng ra, năng lượng là thấp nhất.
phân tích hoạt động và ví dụ minh hoạ
Để mô tả hoạt động của QCA, ta hãy bắt đầu bằng trường hợp đơn giản nhất là chuyển
mạch dốc (abrupt). Đầu vào bên trái, ngắt suy biến trạng thái đất tế bào thứ nhất, đẩy nó
tới một phân cực. Tế bào thứ nhất và thứ hai có phân cực đối nhau, hai điện tử gần nhau,
dây ở mức năng lượng cao. Vi sai giữa năng lượng trạng thái này với trạng thái đất gọi là
năng lượng xoắn (kink) là năng lượng đặc trưng của hệ thống QCA. Đó là năng lượng

cần để hai tế bào lân cận có phân cực đối nhau. Điều này xảy ra khi có đầu vào của dây,
đồng thời cũng xảy ra khi dây có lỗi. Nếu có năng lượng ngoài như nhiệt năng gần bằng
năng lượng xoắn, các lỗi xuất hiện trong hệ thống QCA, vì vậy mà năng lượng xoắn cần
phải lớn hơn k
B
T. Khi năng lượng xoắn thấp hơn năng lượng nạp, hệ QCA cần nhiệt độ
thấp hơn SET cùng một công nghệ. Quay lại với chuyển mạch dốc của đường dây QCA,
sau khi tế bào thứ nhất của đường dây được chuyển mạch, tất cả các tế bào sau bị đẩy
phân cực về trạng thái đất mới của đường dây.
Đưa lôgic 1 vào dây tế bào, lấy ra lôgic 1 nên dây tế bào còn gọi là dây nhị phân.
Với bộ đảo hay NOT (hình 2-23b). Trước hết, đầu vào được tách thành hai đường dây
sau đó lại chập thành một tại tế bào xoay 45
0
so với hai đường dây. Vị trí 45
0
của tế bào
sinh ra phân cực đối nghịch với phân cực của hai dây như phần tử đảo.
Các cổng AND và OR thực hiện theo hình 2-23c, gọi là cổng phức hợp. Trong cổng
này, ba đầu vào “đề cử” phân cực của tế bào trung tâm, sau đó phân cực trung tâm được
truyền tới cửa ra. Một trong các đầu vào được sử dụng làm đầu vào chương trình để chọn
AND hoặc OR. Đầu vào chương trình lôgic 1 thì là cổng OR, lôgic 0 là cổng AND. Các
cổng đảo và phức hợp này có thể thực hiện được tất cả các hàm lôgic tổ hợp.
Công nghệ Nano Page 21
Ta hãy phân tích một chuyển mạch đột biến để hiểu hoạt động của hệ thống QCA.
Trong các hệ thống QCA thực tế, dạng làm việc hơi khác, sử dụng chuyển mạch đoạn
nhiệt (do Keyes và Landauer). Trong chuyển mạch, một điện tử nằm trong một trong hai
giếng, tách ra bởi một rào chắn năng lượng như trên hình 2-24.
Hình 2-24 Quá trình năng lượng chuyển mạch
Để điện tử chuyển giữa hai giếng, rào chắn năng lượng phải thấp. Khi tác động vào đầu
vào với các điểm gãy năng lượng, điện tử sang một giếng, rào chắn năng lượng tăng đẩy

điện tử sang một giếng đã chọn. Khi rào chắn năng lượng tăng cao, điện tử bị khoá lại
(clock) trong giếng, đầu vào có thể được lấy ra. Do vậy linh kiện này hoạt động như một
chốt. Bằng cách cho chuyển mạch hoạt động chậm, tương ứng thời gian lắng (settl) của
điện tử, năng lượng điện tử có thể hạ thấp dưới k
B
T ln2.
Ngoài ra, điện thế mà nó điều biến rào chắn cho hoạt động trên hệ thống sinh ra độ lợi
(khuếch đại) công suất. Độ lợi công suất rất quan trọng trong các hệ thống số vì nó cần để
lưu trữ các mức lôgic cũng như xử lý tín hiệu qua hệ thống. Thiếu độ lợi công suất, mức
tín hiệu bị giảm ở mỗi phần tử cho đến khi mất hẳn trong nhiễu. Trong các QCA, rào
chắn được điều chế bởi tín hiệu clock và tín hiệu có thể của tế bào lân cận. Nếu ghép giữa
các tế bào yếu, độ lợi công suất có thể đạt được khi điểm gãy dìm điện tử về phía Dot
Công nghệ Nano Page 22
đúng, trong khi clock không làm việc đẩy điện tử tới dot này. Clocking hệ thống QCA
cũng cho phép điều khiển dòng thông tin trong hệ thống và thực hiện chốt, nhớ, dẫn ống
(pipelining). Chuyển mạch có thể thực hiện trong cả các hệ thống QCA bán dẫn cũng như
kim loại
Câu 11: Tế bào QCA, phân tích hoạt động của các tế bào QCA
Bước đầu tiên của phát triển các hệ thống QCA là tế bào QCA chức năng mà ở đó
ta có thể chuyển đổi phân cực tế bào được. Trứơc hết là mẫu QCA mà ở đó chuyển mạch
điện tử đơn giữa các chấm lượng tử dot ghép có thể điêù khiển vị trí điện tử đơn trong tập
các dot khác. Sơ đồ đơn giản của hệ thống QCA trên hình 2-26a. Sơ đồ gồm máy đo điện
tử ghép với D
3
, D
4
. Tế bào 4 chấm dot hình thành từ các dot D
1
, D
4

được ghép trong một
vòng các tiếp giáp đường hầm.
Cực nguồn tiếp giáp đường hầm hoặc máng được nối với mỗi một dot trong tế
bào. Linh kiện có nhiệt độ cơ bản khoảng 10mK, được đặc trưng bằng cách đo độ dẫn
qua các nhánh của mạch sử dụng kỹ thuật khoá xoay chiều. Từ trường 1T được đặt vào
vùng cấm (suppress) siêu dẫn của nhôm.
Hoạt động của QCA được thực hiện nhờ thiên áp tế bào sử dụng các điện áp cổng
để một điện tử quá mức trên điểm chuyển mạch giữa`các dot D
1
và D
2
và điện tử thứ hai
tại điểm chuyển mạch giữa D
3
và D
4
. Điện áp vi sai sau đó được đặt vào các cổng V
1
và
V
2
(V
1
=-V
2
), trong khi tất cả các điện áp cổng khác giữ không đổi. Do điện áp vi sai đầu
vào quét từ âm đến dương điện tử lúc đầu ở D
1
sau đó chuyển sang D
2

, đẩy điện tử từ D
4
sang D
3
. Thực nghiệm đo chế độ này, sử dụng các tín hiệu đo điện tử, có thể tính được giá
trị vi sai đầu ra nửa tế bào: V
D3
– V
D4
như một hàm của vi sai đầu vào được vẽ trên đồ thị
trên cùng hình 10b so với tính toán lý thuyết ở nhiệt độ 70mK. Mặc dù ở nhiệt độ 0
0
K
điện thế thay đổi đột biến (abrupt), điện thế quan sát được cho thấy những ảnh hưởng của
nhiễu nhiệt độ, về lý thuyết ở nhiệt độ 70mK có kết quả tốt hơn thực nghiệm.
Công nghệ Nano Page 23
Hình 2-26 a) Sơ đồ đơn giản của hệ thống QCA b) dữ liệu đo tế bào
Các đồ thị dưới hình 2-26b vẽ điện tích trội (Q/e) về lý thuyết trên mỗi một dot ở đầu vào
và đầu ra của nửa tế bào tại 70mK, cho thấy 80% chuyển mạch phân cực của tế bào QCA
và sự thay đổi phân cực cần cho hoạt động của tế bào QCA.
Ta hãy phân tích cổng phức hợp thực nghiệm. Ba đầu vào có thể thay thế bằng các
tải thiên áp tương đương trạng thái phân cực của các tế bào đầu vào.
Công nghệ Nano Page 24
Hỉnh 2-27 cổng phức hợp thực nghiệm
Thiên áp âm hoặc dương tại các dầu vào là có hay không có điện tử trong các dot:
A, B, C.
Bảng sự thật của cổng thực hiện các dầu vào theo mã Gray. Bốn từ mã trên, cổng
làm việc như phần tử AND, bốn từ mã dưới theo OR.
Hình 2-28 biểu diễn đặc tính hoạt động của cổng với chu kỳ chuyển mạch đầu vào
t

0
=20s. Đường liền nét là dữ liệu đo, đứt nét là tín hiệu bậc thang theo lý thuyết. các mức
điện áp cao V
OH
và V
OL
, tương ứng là các mức cao và thấp của điện áp ra
Công nghệ Nano Page 25