“Trồng” được kim cương nhân tạo ở nhiệt độ chỉ hơn 1000 độ C, áp suất phòng

Về cơ bản thì kim cương nói chung và kim cương nhân tạo nói riêng chỉ đơn giản là than đá với kết cấu carbon bị thay đổi dưới áp suất và nhiệt độ cực lớn. Trong điều kiện như vậy, kết cấu carbon biến thành tinh thể vừa bền vừa trong suốt. Trong điều kiện tự nhiên, nơi duy nhất có thể tạo ra kim cương tự nhiên là lớp phủ ở độ sâu hàng trăm km trong lòng đất. Rồi phải nhờ tới hàng tỷ năm, sau những lần núi lửa phun trào, thì kim cương mới được đem lên lớp vỏ trái đất, cho phép con người khai thác.

Còn với kim cương nhân tạo, hàng chục năm qua các nhà khoa học và các tập đoàn đã tạo ra được loại chất liệu này, nhưng cơ bản đều cần điều kiện đặc biệt, với áp suất gần 50 nghìn atm và nhiệt độ nung khoảng 1.500 độ C. Nhưng mới đây một nhóm các nhà khoa học tại Hàn Quốc, đến từ Viện khoa học cơ bản và Viện khoa học công nghệ quốc gia Ulsan đã phát triển được một công nghệ tạo ra kim cương nhân tạo ở áp suất không khí và nhiệt độ chỉ chừng 1.025 độ C.

Quy trình như sau. các nhà khoa học sử dụng một hỗn hợp hợp kim lỏng gồm gallium, sắt, nickel và silic. Trong bể chứa 9 lít, hợp kim lỏng này được bơm khí methane và hydrogen ở nhiệt độ 1.025 độ C. Sau 15 phút, các nhà khoa học tiến hành khử khí gas khỏi hỗn hợp, và ở dưới đáy bể chứa sẽ là một lớp film kim cương mỏng. Lớp film này có thể dễ dàng lấy ra để nghiên cứu hoặc ứng dụng.

So sánh với quy trình sản xuất kim cương nhân tạo hiện nay, các nhà sản xuất sẽ cần “giống” để những nguyên tử carbon bám vào, tạo ra tinh thể kim cương xung quanh. Còn với nghiên cứu mới, carbon từ khí methane được silic trong kim loại lỏng hỗ trợ hình thành tinh thể ở nhiệt độ cao. Kết quả là kim cương nhân tạo gần như nguyên chất. Theo các nhà khoa học Hàn Quốc, có thể đổi các kim loại và á kim khác nhau, nhưng silicon là thứ quan trọng và cần thiết nhất.

Bên cạnh việc làm trang sức hay thiết bị công nghiệp nặng từ kim cương nhân tạo, chất liệu này đang có vài tiềm năng trong tương lai, chẳng hạn như thay thế silic trong ngành công nghiệp bán dẫn làm lớp nền cho các transistor xử lý logic, với khả năng chịu nhiệt, khe vùng và hệ số phẩm chất cao hơn nhiều, tức là chip xử lý vừa chạy được ở xung nhịp cao hơn, lại vừa mát hơn chip bán dẫn silicon hiện giờ.

CEO của Diamond Foundry, Martin Roscheisen cho biết, những con chip với lớp nền kim cương nhân tạo có thể vận hành ở xung nhịp tối thiểu là gấp đôi so với hiện giờ. Chính họ từng thử nghiệm một trong những GPU mạnh nhất của Nvidia hiện tại, đổi nền silicon thành nền kim cương. Kết quả, con chip của Nvidia chạy được ở xung nhịp cao gấp 3 lần bình thường.

Đương nhiên, yếu tố then chốt để lớp nền kim cương cho chip bán dẫn trở nên phổ biến và có thể thương mại hóa vẫn phải là việc làm cách nào để sản xuất hàng loạt loại chất liệu này với mức giá rẻ.