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
tan-hoang-minh
Tin bài khác
Tech4Life 2026: Đưa công nghệ từ phòng thí nghiệm vào đời sống

Tech4Life 2026: Đưa công nghệ từ phòng thí nghiệm vào đời sống

Với chủ đề “Công nghệ nâng tầm cuộc sống”, Tech4Life 2026 đặt trọng tâm vào khả năng biến công nghệ lõi, trí tuệ nhân tạo và dữ liệu thành động lực tăng năng suất, mở rộng không gian phát triển kinh tế và giải quyết những bài toán thực tiễn của TP. Hồ Chí Minh.
ACCA - VIFC Forum 2026 thúc đẩy phát triển nhân lực tài chính quốc tế

ACCA - VIFC Forum 2026 thúc đẩy phát triển nhân lực tài chính quốc tế

Trong tiến trình đưa Trung tâm tài chính quốc tế Việt Nam tại TP. Hồ Chí Minh (VIFC-HCMC) từng bước đi vào vận hành, việc xây dựng một hệ sinh thái tài chính đáp ứng các chuẩn mực quốc tế, có tính minh bạch cao. Đội ngũ nhân lực chuyên môn chất lượng cao tại VIFC-HCMC được xác định là một trong những nền tảng quan trọng để củng cố niềm tin thị trường và kết nối hiệu quả với dòng vốn quốc tế.
Thị trường chứng khoán ngày 17/9: Dòng tiền lớn nhập cuộc, VN Index tăng gần 13 điểm

Thị trường chứng khoán ngày 17/9: Dòng tiền lớn nhập cuộc, VN Index tăng gần 13 điểm

Bất chấp thông tin Fed tăng lãi suất, VN Index vẫn tăng 12,66 điểm và đóng cửa trên 1.820 điểm khi dòng tiền trở lại ngân hàng, chứng khoán và bán lẻ. Thanh khoản tăng hơn 20% giúp củng cố tín hiệu hồi phục, dù khối ngoại quay lại bán ròng.
SHOWCASE AC 2026 đưa câu chuyện buôn bán người lên sân khấu qua ngôn ngữ vũ đạo

SHOWCASE AC 2026 đưa câu chuyện buôn bán người lên sân khấu qua ngôn ngữ vũ đạo

Từ hình ảnh “mắt lưới” gắn với biển cả và làng chài, SHOWCASE AC 2026 khai thác câu chuyện về những nạn nhân của nạn buôn bán người và cưỡng bức lao động, qua đó gửi gắm thông điệp về tình thân, sự đồng cảm và khát vọng trở về.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 18/9/2026: Tuổi Mão vận trình hanh thông, tuổi Dậu nên thận trọng tiền bạc

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 18/9/2026: Tuổi Mão vận trình hanh thông, tuổi Dậu nên thận trọng tiền bạc

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 18/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Khi ransomware tìm đến nhà máy: vì sao hệ thống OT Việt Nam cần thêm lá chắn một chiều mang tên Data Diode

Khi ransomware tìm đến nhà máy: vì sao hệ thống OT Việt Nam cần thêm lá chắn một chiều mang tên Data Diode

Đầu năm 2024, hàng loạt tổ chức lớn tại Việt Nam trong các lĩnh vực tài chính, năng lượng và bưu chính liên tiếp hứng chịu các cuộc tấn công mã hoá dữ liệu (ransomware) gây gián đoạn dịch vụ trên diện rộng, thu hút sự chú ý của cả giới công nghệ lẫn báo chí trong nước.
AI mở rộng khả năng khám phá vật liệu, chẩn đoán thông minh

AI mở rộng khả năng khám phá vật liệu, chẩn đoán thông minh

Ngày 14/9, tại Hà Nội, Trung tâm Dữ liệu và Thông tin khoa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam phối hợp với Trung tâm Đổi mới sáng tạo và Công nghệ Vật liệu, Trường Đại học VinUni và Hội Vật lý Việt Nam tổ chức bài giảng đại chúng “AI với Vật lý”.
Nhận định phiên giao dịch ngày 17/9: Tập trung tỷ trọng vào cổ phiếu giữ vững xu hướng tích cực

Nhận định phiên giao dịch ngày 17/9: Tập trung tỷ trọng vào cổ phiếu giữ vững xu hướng tích cực

Sau phiên giao dịch giằng co quanh mốc 1.810 điểm, dòng tiền vẫn duy trì trạng thái thận trọng trước quyết định lãi suất của Fed. Trong bối cảnh thị trường phân hóa, nhà đầu tư được khuyến nghị tập trung vào những cổ phiếu đang giữ vững xu hướng giá tích cực.
BSR mở rộng hợp tác nguồn cung ethanol và nhiên liệu sinh học

BSR mở rộng hợp tác nguồn cung ethanol và nhiên liệu sinh học

Tổng công ty Lọc hóa dầu Việt Nam (BSR) đang thúc đẩy hợp tác với Công ty TNHH Đầu tư công nghệ sinh học SDIC (SDIC Biotech) nhằm tăng cường nguồn cung ethanol phục vụ sản xuất xăng E10, đồng thời tìm kiếm cơ hội hợp tác trong các lĩnh vực nhiên liệu sinh học và năng lượng xanh.
Tập đoàn Đạt Phương được cấp hạn mức tín dụng hơn 11.000 tỷ đồng

Tập đoàn Đạt Phương được cấp hạn mức tín dụng hơn 11.000 tỷ đồng

Tập đoàn Đạt Phương vừa phê duyệt các giao dịch tín dụng với tổng hạn mức hơn 11.100 tỷ đồng tại 4 ngân hàng.