Kim cương là một trong những vật liệu cứng nhất và hiệu quả nhất được biết đến. Kim cương tản nhiệt nhanh hơn bất kỳ chất rắn nào khác, chịu được nhiệt độ khắc nghiệt và bức xạ, đồng thời có thể chịu được điện áp rất cao mà vẫn tiêu hao ít năng lượng.
Những đặc điểm này làm cho kim cương trở thành vật liệu lý tưởng cho các thiết bị điện tử mạnh mẽ, nhỏ gọn, được sử dụng trong lưới điện, nhà máy, các sứ mệnh không gian và thậm chí cả môi trường hạt nhân.
Tuy nhiên, dù có các ưu điểm này, công nghệ điện tử dựa trên kim cương vẫn khó khăn trong việc phát triển. Lý do chính là một vấn đề kỹ thuật lâu năm: việc thêm các electron tự do vào kim cương một cách hữu ích là cực kỳ khó khăn. Quá trình này, gọi là pha tạp loại n, rất cần thiết để chế tạo các linh kiện điện tử hiện đại như diode và bóng bán dẫn.
Để chế tạo các thiết bị điện tử, các kỹ sư cần cả vùng loại n, nơi cung cấp electron, và vùng loại p, nơi mang các điện tích dương gọi là lỗ trống. Nơi hai vùng này gặp nhau, chúng tạo thành mối nối p-n cơ bản của hầu hết mạch điện tử. Nếu như kim cương loại p tương đối dễ chế tạo, việc tạo ra kim cương loại n hoạt động ở nhiệt độ phòng lại là một trở ngại lớn.
Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Hoa Kỳ tin rằng họ đã tìm ra cách giải quyết vấn đề này, bằng cách kết hợp kim cương với một vật liệu hai chiều siêu mỏng. Thay vì ép các nguyên tử lạ vào cấu trúc tinh thể dày đặc của kim cương, nhóm nghiên cứu sử dụng một giải pháp khéo léo được gọi là tích hợp dị thể.
Ý tưởng này đơn giản nhưng mạnh mẽ. Thay vì biến đổi hóa học kim cương, các nhà nghiên cứu đã phủ lên trên kim cương lớp vật liệu mỏng chỉ bằng một nguyên tử, gọi là molybdenum disulfide. Vật liệu 2D này tự nhiên mang electron.
Khi hai vật liệu được xếp chồng lên nhau, sự tương tác giữa chúng tạo ra hiệu ứng điện tại ranh giới tiếp xúc, cho phép các electron di chuyển vào kim cương mà không cần phương pháp pha tạp truyền thống.
Quá trình này được gọi là pha tạp tĩnh điện. Nó sử dụng lực điện, thay vì các chất phụ gia hóa học, để kiểm soát sự di chuyển của các điện tích. Kết quả là, kim cương hoạt động như thể nó đã được pha tạp electron, mặc dù cấu trúc của nó vẫn còn nguyên vẹn.
Khi có điện áp đặt vào, các electron từ lớp vật liệu 2D có thể di chuyển vào kim cương và kết hợp với các lỗ trống ở đó, tạo ra dòng điện ở nhiệt độ phòng. Theo các nhà nghiên cứu, hiệu suất này chưa từng thấy trước đây trong các thiết bị dựa trên kim cương.
Khám phá này, được công bố trên tạp chí Nano Letters, mở ra hướng đi mới cho công nghệ điện tử dựa trên kim cương. Do kim cương có khả năng chịu nhiệt và bức xạ rất cao, nó cũng có thể bảo vệ lớp 2D mỏng manh, giúp thiết bị hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt mà các thiết bị điện tử thông thường khó thể hoạt động được.
Trong tương lai, nhóm nghiên cứu dự định thử nghiệm hiệu suất của các thiết bị mới này dưới tác động của bức xạ và xem liệu chúng có thể tích hợp vào các hệ thống điện tử hiện có hay không. Họ cũng đang nghiên cứu các vật liệu hai chiều khác có thể giúp cải thiện hiệu suất hơn nữa.
Nếu thành công, phương pháp này cuối cùng có thể cho phép kim cương phát huy hết tiềm năng được hứa hẹn từ lâu, không phải với tư cách là đồ trang sức, mà là vật liệu quan trọng của các thiết bị điện tử công suất cao thế hệ tiếp theo.
