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
Văn hóa Petrovietnam - sức mạnh mềm trong kỷ nguyên năng lượng mới

Văn hóa Petrovietnam - sức mạnh mềm trong kỷ nguyên năng lượng mới

Một ca trực đêm giữa biển, ánh đèn giàn khoan rung nhẹ theo gió, những con số nhấp nháy trên màn hình điều khiển cách đất liền hàng trăm hải lý. Ở một nơi khác, trong phòng điều hành số, kỹ sư trẻ theo dõi dữ liệu thời gian thực từ chính giàn khoan ấy. Giữa hai không gian tưởng như xa cách, có một sợi dây vô hình nhưng dễ dàng cảm nhận, đó là văn hóa của “người dầu khí”.
Kỳ 1: Khi công nghệ viết lại lịch sử

Kỳ 1: Khi công nghệ viết lại lịch sử

Trong lịch sử văn minh nhân loại, mỗi bước tiến công nghệ lớn đều kéo theo một sự chuyển dịch sâu sắc trong cách con người nhìn nhận thế giới và chính mình. Từ phát minh máy in, động cơ hơi nước cho đến Internet và trí tuệ nhân tạo, công nghệ không chỉ làm thay đổi phương thức sản xuất mà còn định hình lại cấu trúc xã hội, quyền lực tri thức và cả những câu hỏi triết học về tương lai nhân loại.
Đợt phim kỷ niệm các ngày lễ lớn 2026: Chiếu lưu động 34 tỉnh, mở rộng trên nền tảng số

Đợt phim kỷ niệm các ngày lễ lớn 2026: Chiếu lưu động 34 tỉnh, mở rộng trên nền tảng số

Đợt phim kỷ niệm các ngày lễ lớn 30/4, 1/5, 7/5 và 19/5 năm 2026 sẽ diễn ra trên phạm vi toàn quốc từ 25/4 đến 23/5, với nhiều tác phẩm điện ảnh đặc sắc được trình chiếu trực tiếp và trên nền tảng số, góp phần lan tỏa giá trị lịch sử, văn hóa và tinh thần dân tộc.
Kiện toàn BCĐ phát triển khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo, chuyển đổi số và Đề án 06

Kiện toàn BCĐ phát triển khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo, chuyển đổi số và Đề án 06

Thủ tướng Chính phủ Lê Minh Hưng ký Quyết định số 730/QĐ-TTg ngày 24/4/2026 về việc kiện toàn Ban Chỉ đạo của Chính phủ về phát triển khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo, chuyển đổi số và Đề án 06 (Ban Chỉ đạo).
5G phủ gần toàn dân, doanh thu số 172 tỷ USD: Việt Nam tăng tốc toàn diện

5G phủ gần toàn dân, doanh thu số 172 tỷ USD: Việt Nam tăng tốc toàn diện

Chiều 23/4/2026 tại Hà Nội, Hội thảo World Mobile Broadband, Cloud & AI Summit 2026 quy tụ hơn 300 đại biểu là lãnh đạo cơ quan quản lý, chuyên gia và doanh nghiệp công nghệ, tập trung thảo luận vai trò của 5G, điện toán đám mây và trí tuệ nhân tạo (AI) trong thúc đẩy chuyển đổi số quốc gia. Sự kiện do IDG Việt Nam phối hợp cùng Hội Vô tuyến - Điện tử Việt Nam và Hội Truyền thông Số tổ chức.
BSR tăng tốc bảo đảm an ninh, an toàn, PCCC trong kỳ nghỉ lễ cao điểm

BSR tăng tốc bảo đảm an ninh, an toàn, PCCC trong kỳ nghỉ lễ cao điểm

rước nhu cầu năng lượng gia tăng trong kỳ nghỉ Giỗ Tổ Hùng Vương, 30/4 và 1/5/2026, Tổng công ty Lọc hóa dầu Việt Nam (BSR) vừa duy trì sản xuất ổn định, vừa triển khai đồng bộ các giải pháp tăng cường an ninh, an toàn và phòng cháy chữa cháy trên toàn hệ thống. Cách tiếp cận chủ động từ khâu sản xuất đến vận hành góp phần bảo đảm hoạt động liên tục, an toàn trong giai đoạn cao điểm.
Một cấu trúc cải tiến để giảm điện dung ký sinh trong các máy biến áp phẳng cho bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC

Một cấu trúc cải tiến để giảm điện dung ký sinh trong các máy biến áp phẳng cho bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC

Nghiên cứu này khảo sát thiết kế một máy biến áp phẳng cho bộ sạc xe máy điện 48V/3A sử dụng bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC.
PV GAS siết chặt an ninh, an toàn vận hành dịp cao điểm lễ 30/4 - 1/5

PV GAS siết chặt an ninh, an toàn vận hành dịp cao điểm lễ 30/4 - 1/5

Trước kỳ nghỉ lễ Giỗ Tổ Hùng Vương, 30/4 và 1/5/2026, Tổng công ty Khí Việt Nam (PV GAS) đã chủ động triển khai đồng bộ các giải pháp nhằm bảo đảm an ninh, an toàn tuyệt đối cho hoạt động sản xuất kinh doanh. Thông qua chỉ thị tăng cường kiểm soát rủi ro, phòng chống cháy nổ và bảo vệ hệ thống công trình khí, đơn vị hướng tới duy trì vận hành liên tục, ổn định trong giai đoạn cao điểm.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 27/4/2026: Tuổi Tuất không được suôn sẻ, tuổi Mùi đều thuận lợi

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 27/4/2026: Tuổi Tuất không được suôn sẻ, tuổi Mùi đều thuận lợi

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 27/4/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
Tập đoàn Foxconn sản xuất robot hình người tại Bắc Ninh

Tập đoàn Foxconn sản xuất robot hình người tại Bắc Ninh

Fushan Technology (công ty con của Foxconn) sẽ sản xuất robot hình người tại Bắc Ninh trong thời gian tới. Dự án đánh dấu bước tiến lớn vào lĩnh vực tự động hóa cao cấp, dự kiến lắp đặt dây chuyền từ tháng 5-8/2026 và sản xuất hàng loạt từ tháng 11/2026.
vn-web
song-gia-tri