Khi máy tính phải xử lý lượng dữ liệu ngày càng nhiều, các kỹ sư đang nỗ lực tìm kiếm những cách nhanh hơn để truyền tải thông tin bên trong chip. Một giải pháp đầy hứa hẹn là sử dụng ánh sáng thay vì điện.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Edinburgh và các đối tác, vừa phát triển vật liệu germanium-thiếc (GeSn) mới, có thể giúp hiện thực hóa điều này. Hợp kim này thể hiện các đặc tính phù hợp các ứng dụng quang điện tử, nơi các thiết bị chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện và ngược lại.
Các chip hiện đại dựa trên silicon và germanium, hai chất bán dẫn tuyệt vời (vật liệu có thể điều khiển dòng điện). Tuy nhiên, cả hai đều có cái gọi là khe năng lượng gián tiếp. Khe năng lượng là sự khác biệt năng lượng mà các electron phải vượt qua để dẫn điện.
Trong vật liệu có khe năng lượng gián tiếp, các electron không dễ dàng giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng; thay vào đó, phần lớn năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt. Điều này làm cho silicon và germanium không hiệu quả đối với các thiết bị phát sáng.
Hợp kim germanium-thiếc được chú ý từ nhiều năm nay, vì các nghiên cứu lý thuyết chỉ ra, chúng có thể vượt trội hơn silicon ở một số vai trò điện tử dựa trên ánh sáng. Tuy nhiên, việc tạo ra hợp kim ổn định khá khó khăn, chủ yếu do germanium và thiếc không dễ dàng liên kết với nhau.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu cho hỗn hợp hai nguyên tố này tiếp xúc với nhiệt độ trên 1.200°C, đồng thời áp dụng áp suất lên đến 9-10 gigapascal (khoảng 100.000 lần áp suất khí quyển). Trong điều kiện khắc nghiệt này, các nguyên tử bị buộc phải sắp xếp lại theo cấu trúc mới.
Điều quan trọng là vật liệu thu được vẫn ổn định sau khi trở lại nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển bình thường, cho phép phân tích các đặc tính sâu hơn. Hợp kim này thể hiện tính chất bán dẫn hiệu quả liên quan đến sự tương tác với ánh sáng.
Việc thêm thiếc làm thay đổi cấu trúc điện tử, do đó làm thay đổi sự sắp xếp các mức năng lượng bên trong vật liệu. Với lượng thiếc đủ, germanium có thể chuyển sang khe năng lượng trực tiếp, nghĩa là các electron có thể giải phóng năng lượng trực tiếp dưới dạng ánh sáng. Điều này cải thiện khả năng phát xạ và hấp thụ ánh sáng, rất cần thiết cho laser, bộ tách sóng quang.
Nghiên cứu chỉ ra rằng, vật liệu này có các đặc tính liên quan đến chất bán dẫn, phù hợp với các ứng dụng quang điện tử, dựa trên quá trình tổng hợp trong phòng thí nghiệm và phân tích cấu trúc, cũng như đặc tính của nó. Nghiên cứu công bố trên tạp chí American Chemical Society.
Nếu được tích hợp thành công vào chip, các linh kiện quang học dựa trên GeSn có thể giảm tắc nghẽn truyền dữ liệu, giảm tổn thất năng lượng và cuối cùng hỗ trợ hiệu suất tính toán nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn.
Dự án này quy tụ chuyên gia từ một số tổ chức châu Âu, như Trung tâm khoa học địa chất GFZ Helmholtz và Đại học Bayreuth của Đức, Đại học Lille và Đại học Grenoble Alpes của Pháp. Nhóm nghiên cứu cũng sử dụng các cơ sở vật chất tại Máy gia tốc Synchrotron châu Âu. Nghiên cứu được hỗ trợ bởi nguồn tài trợ từ Ủy ban châu Âu.
