Xu hướng nghiên cứu phát triển Kỹ thuật Điện trên Thế giới

1. Điện tử 2 chiều (2D electronics): Sự quan tâm trong lĩnh vực này bắt đầu với việc khám phá ra graphene, một biến thể cấu trúc của carbon. Các nguyên tử carbon trong graphene tạo thành mạng lưới hai chiều lục giác, và lớp dày nguyên tử này đã thu hút sự chú ý do tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao, tính linh hoạt cơ học và độ bền kéo cao.

Graphene là vật liệu mạnh nhất từng được thử nghiệm. Năm 2010, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã quyết định trao giải Nobel vật lý cho Andre Geim và Konstantin Novoselov vì "những thí nghiệm đột phá" của họ trong nghiên cứu graphene. Graphnene có thể đã bắt đầu cuộc cách mạng 2D này trong các thiết bị điện tử, nhưng các hợp chất silicon, phosphorene và stanene, các nguyên tử có độ dày của silicon, photpho và thiếc có cấu trúc tổ ong tương tự với các tính chất khác nhau, kết quả là có thể tạo ra các ứng dụng khác nhau.

Tất cả các thiết bị tiềm năng này đều có khả năng thay đổi thiết bị điện tử như chúng ta biết, cho phép thu nhỏ, hiệu năng cao hơn và giảm chi phí. Một số công ty trên toàn cầu, bao gồm cả Samsung và Apple, đang nghiên cứu phát triển các ứng dụng dựa trên graphene.

2. Điện tử hữu cơ (Organic electronics): Sự phát triển của việc tiến hành polyme và các ứng dụng của họ đã dẫn đến giải Nobel năm 2000, lần này là về hóa học. Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid và Hideki Shirakawa chứng minh rằng, nhựa có thể dẫn điện. Không giống như các chất dẫn vô cơ thông thường và các chất bán dẫn, các vật liệu điện tử hữu cơ được chế tạo từ các phân tử hoặc polyme hữu cơ (cacbon) bằng cách sử dụng tổng hợp hóa học.

Các thiết bị điện tử hữu cơ không giới hạn trong việc sử dụng polyme, mà còn bao gồm các vật liệu hữu cơ khác có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử. Chúng bao gồm nhiều loại thuốc nhuộm, các phức hợp chuyển hóa hữu cơ, và nhiều phân tử hữu cơ khác. Về mặt hiệu quả hoạt động và sự phát triển của công nghiệp, các phân tử hữu cơ và polyme vẫn chưa thể cạnh tranh với các đối tác vô cơ của chúng.

Tuy nhiên, các thiết bị điện tử hữu cơ có một số ưu điểm so với các vật liệu điện tử thông thường: chi phí vật liệu và sản xuất thấp, tính linh hoạt cơ học, khả năng thích ứng của quá trình tổng hợp và tính tương thích sinh học làm cho các thiết bị điện tử hữu cơ là sự lựa chọn mong muốn cho một số ứng dụng nhất định.

Các sản phẩm công nghệ cao có sẵn trên thị trường dựa vào các chất bán dẫn hữu cơ, chẳng hạn như màn hình tivi cong, màn hình hiển thị cho điện thoại thông minh, nguồn ánh sáng màu và pin mặt trời di động, chứng tỏ sự trưởng thành của ngành công nghiệp điện tử hữu cơ. Trên thực tế, một số công ty công nghệ cao, bao gồm cả LG Electronics và Samsung, đã đầu tư vào các thiết bị điện tử hữu cơ giá rẻ và hiệu năng cao. Người ta hy vọng thị trường điện tử hữu cơ sẽ tăng trưởng nhanh chóng trong những năm tới.

3. Điện trở ký ức (Memristors): Năm 1971 GS. Leon Chua đã đưa ra những lập luận từ các đối số đối xứng rằng, phải có một phần tử điện tử cơ bản thứ tư (ngoài điện trở, tụ điện và điện dẫn) mà ông gọi là memristor, như một từ ghép các từ memory and resistor (bộ nhớ và điện trở). Mặc dù GS. Chua cho thấy các memristors có nhiều đặc tính thú vị và có giá trị, nhưng cho đến năm 2007 một nhóm các nhà nghiên cứu từ Hewlett Packard (HP) Labs đã phát hiện ra rằng hiệu ứng nhớ có thể có mặt trong các hệ thống nano trong một số điều kiện nhất định.

Nhiều nhà nghiên cứu tin rằng memristors có thể kết thúc thiết bị điện tử như chúng ta biết và bắt đầu một kỷ nguyên mới của “kỹ thuật ion” ("ionics"). Trong khi các chức năng transistor phổ biến sử dụng một luồng electron, thì memristor cặp electron với ion, hoặc các nguyên tử điện tích điện. Trong bóng bán dẫn, một khi dòng electron bị gián đoạn (ví dụ bằng cách tắt điện) tất cả thông tin đều bị mất. Memristors "ghi nhớ" và lưu trữ thông tin về lượng điện tích đã chảy qua chúng, ngay cả khi điện tắt.

Việc khám phá ra các memristors mở ra cách lưu trữ thông tin tốt hơn, làm cho các thiết bị bộ nhớ mới nhanh hơn, an toàn hơn và hiệu quả hơn. Sẽ không có mất mát thông tin, ngay cả khi điện bị tắt. Các mạch dựa trên Memristor sẽ cho phép chúng ta bật và tắt máy tính ngay lập tức và bắt đầu làm việc ngay. Trong vài năm qua, HP đã làm việc trên một loại máy tính mới dựa trên công nghệ memristor. HP dự kiến ​​ra mắt sản phẩm vào năm 2020.

4. Điện tử spin (Spintronics): Spintronics có nghĩa là "điện tử vận ​​chuyển spin", là việc sử dụng một tính chất cơ bản của các hạt được gọi là "spin điện tử" để xử lý thông tin. Spin điện tử có thể được phát hiện như một từ trường với một trong hai hướng: lên và xuống. Điều này cung cấp thêm hai trạng thái nhị phân cho các giá trị logic cao và thấp thông thường, được đại diện bởi các dòng đơn 

1. giản. Việc mang theo thông tin trong cả điện tích và spin của một điện tử có khả năng cung cấp các thiết bị có tính đa dạng cao hơn.

Cho đến nay, công nghệ spintronics đã được thử nghiệm trong các thiết bị lưu trữ thông tin, chẳng hạn như ổ cứng và bóng bán dẫn dựa trên spin. Công nghệ Spintronics cũng hứa hẹn cho các thiết bị điện tử kỹ thuật số nói chung. Khả năng thao tác bốn, chứ không chỉ có hai, các trạng thái logic được định nghĩa có thể dẫn đến khả năng xử lý thông tin lớn hơn, tốc độ truyền dữ liệu cao hơn, và dung lượng lưu trữ thông tin cao hơn. Người ta hy vọng thiết bị điện tử vận ​​chuyển spin sẽ nhỏ hơn, linh hoạt hơn và mạnh mẽ hơn so với các máy silicon truyền thống.

Hiện nay, công nghệ này đang ở giai đoạn phát triển ban đầu và, bất kể nghiên cứu với cường độ cao, chúng ta phải đợi vài năm để thấy được chip điện tử spin đầu tiên trên thị trường thương mại.

5. Điện tử phân tử (Molecular electronics): Mục tiêu cuối cùng của mạch điện là được thu nhỏ, hiệu năng cao và tiêu thụ ít năng lượng. Điện tử phân tử đơn là một nhánh của công nghệ nano sử dụng các phân tử đơn hoặc bộ sưu tập các phân tử đơn như các khối xây dựng điện tử. Các điện tử phân tử và các thiết bị điện tử hữu cơ được mô tả ở trên có nhiều điểm chung, và hai lĩnh vực này chồng chéo nhau trong một số khía cạnh.

Để làm rõ, các thiết bị điện tử hữu cơ đề cập đến các ứng dụng hàng loạt, trong khi các thiết bị điện tử có quy mô phân tử đề cập đến các ứng dụng đơn phân tử nano. Các thiết bị điện tử truyền thống thường được làm từ vật liệu rời. Tuy nhiên, xu hướng thu nhỏ trong điện tử đã buộc các kích thước tính năng của các thành phần điện tử phải thu nhỏ tương ứng. Trong các thiết bị điện tử đơn phân tử, vật liệu rời được thay thế bởi các phân tử đơn lẻ. Kích thước nhỏ hơn của các linh kiện điện tử làm giảm điện năng tiêu thụ trong khi tăng độ nhạy cảm (và đôi khi hiệu suất) của thiết bị.

Một ưu điểm khác của một số hệ thống phân tử là khuynh hướng tự lắp ráp thành các khối chức năng. Tự lắp ráp là một hiện tượng trong đó các thành phần của một hệ thống kết hợp với nhau một cách tự nhiên, do một sự tương tác hoặc các yếu tố môi trường để tạo thành một đơn vị chức năng lớn hơn.

Một số giải pháp điện tử phân tử đã được phát triển, bao gồm các dây phân tử, transistor đơn phân tử và bộ chỉnh lưu. Tuy nhiên, điện tử phân tử vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu ban đầu, và chưa có thiết bị nào trong số này được đưa ra khỏi phòng thí nghiệm.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Ngoài các xu hướng về vật liệu điện tử trên đây đang được nghiên cứu tích cực tại các phòng thí nghiệm tiên tiến và phải một số năm sau mới có thể đưa ra thị trường những sản phẩm mới, năm 2018 kỹ thuật điện tử tiếp tục tập trung nghiên cứu và phát triển [2, 3]: Hệ thống có thể cấu hình lại được; Mạch tín hiệu Analog/Digital/Mixed-Sign; VLSI/ULSI cho DSP; Ứng dụng Y sinh học; ASIC, ASIP, SoC và MPSoC; CAD cho VLSI/ULSI; Thiết kế vi mạch RF; Bio-MEMS/NEMS; Mạch MMIC & CMOS; Chế tạo nano và điện toán nano; Tích hợp hệ thống điện tử; Thiết bị truyền thông; Cảm biến và Dụng cụ y sinh học; Các hệ thống nhúng; Dụng cụ công nghiệp; Điện tử công nghiệp; Điện tử năng lượng; Quang điện tử; Điện tử nano;…

Trên đây là những dự đoán phát triển công nghệ điện tử trên thế giới. Ở các nước phát triển và một số nước có nền công nghiệp điện tử mới nổi, những xu hướng và nội dung trên thể hiện rõ hơn, đều hơn và đang có cuộc cạnh tranh xem ai (nước nào) sớm đạt những đỉnh cao. Ở Việt Nam chúng ta, công nghiệp điện tử vẫn đang ở mức thấp, nhưng các hoạt động R&D nên chú ý xu hướng thế giới để không bị tụt hậu thêm…

Chúng ta kỳ vọng năm 2018 và năm 2019 thế giới sẽ chứng kiến những bước tiến và thành tựu quan trọng trong kỹ thuật điện tử và công nghệ thông tin - truyền thông, khi công nghệ CMOS đã đạt tới 10nm, chẳng hạn như CPU Centric 2400 của Qualcomm với 18 tỷ bán dẫn trên một chip chỉ dưới 400mm², thậm chí xuống tới 7nm như của Apple khi sản xuất CPU Apple A12 với gần 7 tỷ bán dẫn vào năm 2018 này [4].

PGS. TS Nguyễn Ngọc Bình

Tài liệu tham khảo:

• https://www.quora.com/What-is-the-latest-technology-in-electronics-and-c...
• https://www.ieee.org/conferences_events/conferences/conferencedetails/in...
• http://soha.vn/9-xu-huong-cong-nghe-dot-pha-se-thay-doi-the-gioi-nam-201...
• https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count
• Nguồn ảnh: Internet.