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
vcca2026
Tin bài khác
Ước lượng hệ số lấp đầy và độ dẫn nhiệt tương đương của lớp cách điện trong cuộn dây công tắc tơ AC dựa trên nhiệt độ điểm nóng và mạng nơ-ron Bayesian

Ước lượng hệ số lấp đầy và độ dẫn nhiệt tương đương của lớp cách điện trong cuộn dây công tắc tơ AC dựa trên nhiệt độ điểm nóng và mạng nơ-ron Bayesian

Nghiên cứu đề xuất phương pháp sử dụng mạng nơ-ron Bayesian để ước lượng không xâm lấn hệ số lấp đầy và độ dẫn nhiệt tương đương của lớp cách điện trong cuộn dây công tắc tơ AC dựa trên nhiệt độ điểm nóng.
Nhận định phiên giao dịch ngày 20/7: Loại bỏ các cổ phiếu yếu kém về giá

Nhận định phiên giao dịch ngày 20/7: Loại bỏ các cổ phiếu yếu kém về giá

Thị trường chứng khoán khép lại tuần giao dịch với diễn biến kém tích cực khi VN-Index ghi nhận tuần giảm điểm thứ ba liên tiếp, đánh mất mốc tâm lý 1.800 điểm. Trong bối cảnh dòng tiền vẫn thận trọng và khối ngoại duy trì bán ròng, các công ty chứng khoán khuyến nghị nhà đầu tư chủ động cơ cấu danh mục, loại bỏ các cổ phiếu có diễn biến giá yếu và ưu tiên nắm giữ những doanh nghiệp có triển vọng lợi nhuận tích cực.
Cải thiện khả năng bám quỹ đạo của robot di động đa hướng trước nhiễu và bất định bằng điều khiển chế độ trượt kết hợp bộ quan sát Super-Twisting

Cải thiện khả năng bám quỹ đạo của robot di động đa hướng trước nhiễu và bất định bằng điều khiển chế độ trượt kết hợp bộ quan sát Super-Twisting

Robot di động bốn bánh Mecanum được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng chuyển động đa hướng mà không cần thay đổi hướng thân xe.
Bốn nhà cùng hội tụ vì sự phát triển của ngành Tự động hóa Việt Nam

Bốn nhà cùng hội tụ vì sự phát triển của ngành Tự động hóa Việt Nam

Hội nghị Khoa học và Triển lãm quốc tế về Điều khiển và Tự động hóa lần thứ 8 (VCCA 2026 - AT EXPO 2026) diễn ra tại Trường Đại học Quy Nhơn (tỉnh Gia Lai) quy tụ đông đảo nhà khoa học, chuyên gia, doanh nghiệp và sinh viên trong lĩnh vực điều khiển, tự động hóa, robot, AI và công nghệ bán dẫn. Phóng sự ảnh ghi lại những dấu ấn nổi bật xuyên suốt sự kiện, từ khâu đón tiếp đại biểu đến các phiên hội thảo chuyên đề, triển lãm công nghệ và lễ bế mạc.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 20/7/2026: Tuổi Tý tài lộc khởi sắc, tuổi Mùi nên cẩn trọng lời ăn tiếng nói

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 20/7/2026: Tuổi Tý tài lộc khởi sắc, tuổi Mùi nên cẩn trọng lời ăn tiếng nói

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 20/7/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
VCCA 2026: Khi sinh viên tự tin bước lên diễn đàn khoa học lớn

VCCA 2026: Khi sinh viên tự tin bước lên diễn đàn khoa học lớn

Không chỉ ghi dấu ấn với 18 sinh viên đến từ nhiều trường đại học trên cả nước là tác giả chính của các báo cáo khoa học, VCCA 2026 còn thu hút đông đảo sinh viên tham dự để lắng nghe, học hỏi và kết nối với các chuyên gia, nhà khoa học trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa. Từ diễn đàn khoa học này, tinh thần nghiên cứu, đổi mới sáng tạo đang được lan tỏa mạnh mẽ tới thế hệ kỹ sư trẻ. Đây cũng là minh chứng cho sức hút ngày càng lớn của VCCA và sự trưởng thành của lực lượng nghiên cứu sinh viên trong các lĩnh vực điều khiển, tự động hóa, trí tuệ nhân tạo và năng lượng xanh, sẵn sàng hội nhập với cộng đồng khoa học trong nước và quốc tế.
Công nghệ chiến lược được hưởng nhiều cơ chế ưu đãi, đặc biệt chưa từng có

Công nghệ chiến lược được hưởng nhiều cơ chế ưu đãi, đặc biệt chưa từng có

Hàng loạt cơ chế, chính sách ưu đãi vượt trội dành cho phát triển công nghệ chiến lược đã được luật hóa, từ ưu đãi thuế đến cơ chế khoán chi, trao quyền tự chủ và thu hút nhân tài. Đây được kỳ vọng sẽ tạo cú hích để Việt Nam từng bước làm chủ công nghệ lõi, công nghệ chiến lược, hiện thực hóa mục tiêu phát triển nền công nghệ tự lực, tự cường.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 19/7/2026: Tuổi Thìn đón vận may sự nghiệp, tuổi Tỵ cần cẩn trọng khi đưa ra quyết định

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 19/7/2026: Tuổi Thìn đón vận may sự nghiệp, tuổi Tỵ cần cẩn trọng khi đưa ra quyết định

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 19/7/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
VCCA 2026: Muốn có robot “Made by Vietnam”, phải bắt đầu từ hệ sinh thái vững chắc

VCCA 2026: Muốn có robot “Made by Vietnam”, phải bắt đầu từ hệ sinh thái vững chắc

Các chuyên gia cho rằng, thách thức lớn nhất của ngành robot Việt Nam hiện nay không phải là chế tạo được một sản phẩm, mà là xây dựng hệ sinh thái đủ mạnh để kết nối công nghệ, doanh nghiệp, chính sách và thị trường.
Tin tức ngân hàng nổi bật tuần qua: Agribank triển khai chuỗi ưu đãi “Agrigatou” cho chủ thẻ quốc tế JCB

Tin tức ngân hàng nổi bật tuần qua: Agribank triển khai chuỗi ưu đãi “Agrigatou” cho chủ thẻ quốc tế JCB

Tuần qua đã có nhiều ngân hàng đã có những động thái quan trọng nhằm mở rộng dịch vụ và thu hút khách hàng với hàng loạt diễn biến đáng chú ý liên quan đến hoạt động kinh doanh: VietinBank 15 năm liên tiếp góp mặt trong Forbes Global 2000; Agribank triển khai chuỗi ưu đãi “Agrigatou” cho chủ thẻ quốc tế JCB; VPBank lập kỷ lục lợi nhuận, tổng tài sản vượt 1,5 triệu tỷ đồng...
vn-web
song-gia-tri