Các nhà khoa học Mỹ tinh chỉnh kim loại ở cấp nguyên tử, tạo nền cho chip bán dẫn mới

Các tác giả nghiên cứu đang tập trung vào xúc tác có thể điều chỉnh được của các kim loại điện tử. Ảnh: Kalie Pluchel, Đại học Minnesota Twin Cities.

Các kỹ sư từ lâu xem kim loại như vật liệu cứng nhắc, khó can thiệp về mặt điện tử nếu không thay đổi thành phần hóa học. Nghiên cứu mới từ Đại học Minnesota Twin Cities đã lật ngược giả định đó: nhóm tác giả chứng minh kim loại có thể điều chỉnh hành vi điện tử chủ động ở cấp nguyên tử, chỉ bằng cách kiểm soát độ dày màng vật liệu. Kết quả công bố trên tạp chí Nature Communications, với sự tham gia của Viện Công nghệ Massachusetts và Đại học Texas A&M.

Phát hiện xoay quanh một hiệu ứng mà giới khoa học vốn chỉ biết đến ở chất cách điện và vật liệu sắt điện: hiện tượng phân cực, tức trạng thái các điện tích phân bố không đồng đều trong vật liệu. Nhóm nghiên cứu chứng minh hiện tượng này cũng xuất hiện trong kim loại khi nhà khoa học thiết kế cẩn thận vùng giao tiếp giữa các lớp vật liệu, nơi cấu trúc nguyên tử chuyển đổi từ lớp này sang lớp kia.

Thí nghiệm tập trung vào ruthenium dioxide, một kim loại dẫn điện thuộc nhóm oxit. Nhóm tác giả điều chỉnh độ dày màng vật liệu này ở thang nanomet và theo dõi sự thay đổi của hàm công thoát bề mặt, tức mức năng lượng cần thiết để kéo một electron ra khỏi bề mặt vật liệu. Khi độ dày tăng dần đến khoảng bốn nanomet, tương đương chiều rộng một sợi DNA, hàm công thoát dịch chuyển hơn một electron volt. Con số đó lớn đối với các hệ thống điện tử, nơi những thay đổi nhỏ về năng lượng có thể tạo ra sự khác biệt rõ rệt trong hiệu suất thiết bị.

"Chúng ta thường nghĩ hiện tượng phân cực chỉ xuất hiện ở chất cách điện hay chất sắt điện, chứ không phải kim loại," Giáo sư Bharat Jalan, Chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Hóa học và Khoa học Vật liệu Đại học Minnesota, cho biết. "Nghiên cứu này cho thấy, thông qua thiết kế giao diện cẩn thận, bạn có thể ổn định sự phân cực trong hệ thống kim loại và dùng nó như công cụ để điều chỉnh các tính chất điện tử."

Kỹ thuật này khác về căn bản so với cách làm truyền thống. Thay vì pha tạp chất hóa học hoặc thay thế nguyên tố trong cấu trúc vật liệu, nhà khoa học chỉ can thiệp vào cấu trúc nguyên tử tại vùng giao tiếp, tức ranh giới giữa hai lớp vật liệu. Cách tiếp cận đơn giản hơn về mặt chế tạo và có khả năng mở rộng quy mô sản xuất cao hơn.

Seung Gyo Jeong, tác giả chính của công trình, mô tả phát hiện vượt quá dự đoán ban đầu của nhóm. Nhóm dự kiến sẽ quan sát các hiệu ứng giao diện nhỏ, nhưng thực tế cho thấy sự dịch chuyển cực tại cấp nguyên tử kết nối trực tiếp với các phép đo điện tử có thể kiểm soát được, điều mà nhóm mô tả là "đặc biệt thú vị."

Theo nhóm tác giả, kết quả này có thể tác động đến ba lĩnh vực công nghệ trọng điểm: sản xuất chất bán dẫn, hệ thống năng lượng sạch và điện toán lượng tử. Cả ba đều phụ thuộc vào việc kiểm soát chính xác hành vi điện tử ở bề mặt và giao diện vật liệu. Nghiên cứu nhận tài trợ từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Văn phòng Nghiên cứu Khoa học của Không quân Mỹ.

Theo nhận định của phóng viên, với hướng nghiên cứu này, các nhà sản xuất chip trong tương lai có thể tinh chỉnh tính chất điện tử của vật liệu mà không cần thay đổi công thức hóa học, từ đó rút ngắn vòng phát triển và giảm chi phí sản xuất trong ngành bán dẫn toàn cầu.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng