Hé lộ bí mật của nguyên tử: Đột phá mới trong công nghệ bán dẫn

Công nghiệp năng lượng
07/10/2025 04:07
Trái ngược với quan điểm lâu nay cho rằng các nguyên tử trong chất bán dẫn phân bố ngẫu nhiên, một nghiên cứu mới đã lần đầu tiên hé lộ cấu trúc trật tự ẩn giấu bên trong vi mạch.
aa
Doanh nghiệp Việt quyết tâm vươn mình thực sự làm chủ công nghệ bán dẫn Xu hướng thịnh hành SiC, GaN trong công nghệ bán dẫn cho xe điện năng lượng mới

Nhờ kết hợp kỹ thuật hiển vi tiên tiến với trí tuệ nhân tạo (AI), các nhà khoa học không chỉ chứng minh sự tồn tại của trật tự này, mà còn mở ra phương thức thiết kế vật liệu hoàn toàn mới, hứa hẹn thế hệ chip nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.

Sơ đồ trật tự các nguyên tử trong vật liệu được nhóm nghiên cứu khảo sát: germani (màu xám), thiếc (màu xanh) và silicon (màu đỏ). Nguồn: Berkeley Lab
Sơ đồ trật tự các nguyên tử trong vật liệu được nhóm nghiên cứu khảo sát: germani (màu xám), thiếc (màu xanh) và silicon (màu đỏ). Nguồn: Berkeley Lab

Hé lộ cấu trúc vi mô chưa từng thấy

Chất bán dẫn là nền tảng của hầu hết các thiết bị điện tử, từ chiếc điện thoại thông minh đến các máy chủ siêu tốc trong trung tâm dữ liệu. Chúng thường được tạo từ một nguyên tố chủ đạo như germani, sau đó được pha thêm một lượng nhỏ silicon hoặc thiếc nhằm điều chỉnh đặc tính điện tử. Tuy nhiên, câu hỏi liệu các nguyên tử pha tạp sắp xếp ngẫu nhiên hay theo một trật tự nhất định đã làm đau đầu giới nghiên cứu nhiều năm.

Trật tự ấy được gọi là short-range order, hay trật tự ngắn hạn, có ảnh hưởng trực tiếp đến khe năng lượng của vật liệu, yếu tố then chốt quyết định khả năng dẫn điện. Các nỗ lực quan sát ở cấp độ nguyên tử gần như bất khả thi, bởi tín hiệu từ các nguyên tử pha tạp quá nhỏ và dễ bị lấn át bởi nguyên tử chủ đạo.

Bước ngoặt xuất hiện khi nhóm khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley ở Hoa Kỳ kết hợp kỹ thuật hiển vi quét truyền bốn chiều, hay 4D-STEM với bộ lọc năng lượng. Nhờ phương pháp này, độ tương phản được nâng cao và hình ảnh nguyên tử được ghi lại ở cấp độ chưa từng có. Thông qua đó, các nhà nghiên cứu đã nhìn thấy những mô típ lặp đi lặp lại trên bề mặt vật liệu, dấu hiệu đầu tiên khẳng định rằng trật tự nguyên tử thực sự tồn tại.

AI và mô phỏng lượng tử chứng minh quy luật

Không dừng ở quan sát, nhóm nghiên cứu tiếp tục hợp tác với các nhà khoa học tại Đại học George Washington để tiến hành mô phỏng lại. Một mô hình máy học được huấn luyện trên dữ liệu từ hàng triệu nguyên tử đã tái hiện thành công hình ảnh giả lập của 4D-STEM. Khi so sánh, các mẫu mô phỏng khớp hoàn toàn với dữ liệu thực nghiệm, khẳng định sự tồn tại của trật tự nguyên tử ngắn hạn.

GS. Tianshu Li nhận định: “Đáng kinh ngạc là mô hình và thực nghiệm trùng khớp với nhau đến mức có thể giải mã các mô típ cấu trúc nguyên tử ngay lần đầu tiên”. Trong khi đó, TS. Lilian Vogl nhấn mạnh rằng phát hiện này mở ra một kỷ nguyên mới cho công nghệ thông tin ở quy mô nguyên tử.

Giờ đây, các nhà khoa học không chỉ biết trật tự nguyên tử tồn tại mà còn có thể tính toán và điều chỉnh nó. Khi kiểm soát được cách sắp xếp nguyên tử ở cấp độ nhỏ nhất, họ có thể “thiết kế” khe năng lượng theo yêu cầu, từ đó tạo ra loại chip phù hợp cho từng ứng dụng chuyên biệt.

Vật liệu bán dẫn được nghiên cứu trong bài báo, gồm germani, một lượng nhỏ silicon và thiếc. Nguồn: Berkeley Lab
Vật liệu bán dẫn được nghiên cứu trong bài báo, gồm germani, một lượng nhỏ silicon và thiếc. Nguồn: Berkeley Lab

Con đường tới thế hệ chip thông minh hơn

Tiềm năng của phát hiện mới này vượt xa phạm vi phòng thí nghiệm. Khả năng kiểm soát trật tự nguyên tử ẩn có thể mở ra hướng đi cho vật liệu bán dẫn thế hệ mới, từ phục vụ cho máy tính lượng tử cho đến các thiết bị thần kinh nhân tạo mô phỏng hoạt động của não bộ, vốn cần xử lý song song và tiết kiệm năng lượng. Không những thế, nhờ nền tảng này, các cảm biến quang học hay hệ thống an ninh cũng hứa hẹn đạt độ nhạy chưa từng có.

Dù vậy, các chuyên gia thừa nhận rằng vẫn còn nhiều thách thức. Tín hiệu từ trật tự ngắn hạn dễ bị che khuất bởi các khiếm khuyết tinh thể hoặc bởi chuyển động của các nguyên tử ở nhiệt độ phòng. Cần thêm thời gian để lập bản đồ đầy đủ về cách những mô típ này ảnh hưởng đến tính chất điện tử.

Tuy nhiên, con đường phía trước cũng phần nào đã rõ ràng: Thay vì dựa vào công thức pha trộn quen thuộc, ngành bán dẫn có thể tiến tới giai đoạn thiết kế vật liệu ngay từ cấp độ nguyên tử.

“Chúng ta đang mở ra cánh cửa của một kỷ nguyên công nghệ thông tin mới ở cấp độ nguyên tử”. GS. Andrew Minor khẳng định. Trong bối cảnh ngành bán dẫn toàn cầu đang tìm cách vượt khỏi giới hạn của định luật Moore, việc giải mã trật tự nguyên tử ẩn không chỉ là thành tựu khoa học mà còn là lợi thế chiến lược.

Thế Quân (Theo InterestingEngineering/TechExplore)

tudonghoangaynay.vn
ar
Tin bài khác
Quốc hội khóa XVI kiện toàn nhân sự cấp cao, bầu 6 Phó Chủ tịch Quốc hội

Quốc hội khóa XVI kiện toàn nhân sự cấp cao, bầu 6 Phó Chủ tịch Quốc hội

Chiều 6/4, Quốc hội khóa XVI đã tiến hành kiện toàn bộ máy lãnh đạo với việc bầu 6 Phó Chủ tịch Quốc hội cùng nhiều chức danh quan trọng khác. Các nghị quyết nhân sự được thông qua với tỷ lệ tán thành gần như tuyệt đối, thể hiện sự đồng thuận cao của các đại biểu.
Bộ GDĐT yêu cầu tăng cường biện pháp bảo đảm an toàn thực phẩm trường học

Bộ GDĐT yêu cầu tăng cường biện pháp bảo đảm an toàn thực phẩm trường học

Bộ Giáo dục và Đào tạo (Bộ GDĐT) vừa ban hành Công văn số 1602/BGDĐT-HSSV, gửi các Sở GDĐT, các cơ sở giáo dục đại học, cơ sở giáo dục nghề nghiệp về việc tăng cường biện pháp bảo đảm an toàn thực phẩm trong các cơ sở giáo dục.
Nhận định phiên giao dịch ngày 7/4: Hạn chế margin, chờ điểm mua

Nhận định phiên giao dịch ngày 7/4: Hạn chế margin, chờ điểm mua

Sau phiên giảm thanh khoản mạnh ngày 6/4, thị trường được dự báo tiếp tục thận trọng trong ngắn hạn khi dòng tiền suy yếu và lực cầu chưa rõ ràng. Nhà đầu tư được khuyến nghị hạn chế sử dụng margin và kiên nhẫn chờ tín hiệu xác nhận tại các vùng hỗ trợ trước khi giải ngân.
AI thu nhỏ, tác động lớn đến sản xuất thông minh

AI thu nhỏ, tác động lớn đến sản xuất thông minh

Trong nhiều năm, lĩnh vực Trí tuệ nhân tạo (AI) thường gắn liền với quan điểm rằng các mô hình càng lớn thì hiệu quả càng cao. Khái niệm Mô hình ngôn ngữ lớn (LLM) phản ánh rõ điều này khi các hệ thống được đánh giá dựa trên quy mô hàng chục hoặc hàng trăm tỷ tham số. Tuy nhiên, trong bối cảnh sản xuất hiện đại, nơi yêu cầu về độ trễ thấp, chi phí hợp lý, độ tin cậy và khả năng tích hợp hệ thống ngày càng quan trọng, xu hướng “AI thu nhỏ” đang nổi lên như một giải pháp tối ưu hơn cho nhiều ứng dụng công nghiệp.
HUST công bố 5 định hướng đổi mới sáng tạo trong thực thi AI

HUST công bố 5 định hướng đổi mới sáng tạo trong thực thi AI

Tại sự kiện AI Day 2026 “Advancing Vietnam with AI - Việt Nam vươn mình cùng Trí tuệ nhân tạo”, tổ chức tại Đại học Bách khoa Hà Nội hôm 5/4, PGS. Nguyễn Phong Điền đã công bố 5 định hướng chính của Nhà trường trong đổi mới sáng tạo, thực thi AI.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 7/4/2026: Tuổi Mão gặp may mắn, tuổi Dậu cẩn thận đồng nghiệp

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 7/4/2026: Tuổi Mão gặp may mắn, tuổi Dậu cẩn thận đồng nghiệp

Những bí ẩn của khoa học đời sống là "món ăn" tinh thần không thể thiếu trong cuộc sống của con người. Tử vi vòng quay công nghệ xem tử vi 12 con giáp ngày 7/4/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
Làm chủ AI trong kỷ nguyên thực thi

Làm chủ AI trong kỷ nguyên thực thi

Ngày 5/4, tại Đại học Bách khoa Hà Nội, sự kiện AI Day 2026 với chủ đề “Advancing Vietnam with AI - Việt Nam vươn mình cùng trí tuệ nhân tạo” thu hút hàng trăm đại biểu đến từ cơ quan quản lý, doanh nghiệp công nghệ, tổ chức giáo dục, startup và cộng đồng đổi mới sáng tạo trên cả nước.
Thị trường chứng khoán ngày 06/04: Thị trường kém sắc, LPB ngược dòng tăng trần

Thị trường chứng khoán ngày 06/04: Thị trường kém sắc, LPB ngược dòng tăng trần

Lực bán xuất hiện trên diện rộng, nhóm dầu khí bị xả mạnh và việc dòng tiền co cụm khiến VN Index lùi sát mốc 1.670 điểm. Tuy nhiên, LPB tăng trần cùng sắc xanh của một số trụ lớn đã giữ cho thị trường tránh khỏi một phiên giảm sâu.
Chủ tịch Quốc hội Trần Thanh Mẫn tái đắc cử

Chủ tịch Quốc hội Trần Thanh Mẫn tái đắc cử

Với 491/491 đại biểu tham gia biểu quyết tán thành, Quốc hội đã biểu quyết thông qua dự thảo Nghị quyết bầu Chủ tịch Quốc hội khóa XVI đối với đồng chí Trần Thanh Mẫn, Ủy viên Bộ Chính trị, Chủ tịch Quốc hội khóa XV.
Phát biểu của Tổng Bí thư Tô Lâm tại phiên khai mạc Kỳ họp thứ Nhất, Quốc hội khóa XVI

Phát biểu của Tổng Bí thư Tô Lâm tại phiên khai mạc Kỳ họp thứ Nhất, Quốc hội khóa XVI

Sáng 6/4, Kỳ họp thứ Nhất, Quốc hội khóa XVI đã khai mạc trọng thể tại Hà Nội. Tổng Bí thư Tô Lâm có bài phát biểu chỉ đạo quan trọng tại phiên khai mạc. Tạp chí Tự động hóa Ngày nay trân trọng giới thiệu toàn văn phát biểu của Tổng Bí thư Tô Lâm.
song-gia-tri