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
ArrowLinx: giải pháp truyền dữ liệu một chiều bằng phần cứng cho mạng OT

ArrowLinx: giải pháp truyền dữ liệu một chiều bằng phần cứng cho mạng OT

Nhà máy ngày nay không thể vận hành tách biệt hoàn toàn với bên ngoài. Số liệu sản xuất phải được đưa lên MES và ERP, nhật ký thiết bị phải về trung tâm giám sát an ninh, dữ liệu cảm biến phải lên nền tảng phân tích trên đám mây.
Từ 1/7/2027: Mọi trạm sạc xe điện phải tích hợp công nghệ cảnh báo và cô lập sự cố

Từ 1/7/2027: Mọi trạm sạc xe điện phải tích hợp công nghệ cảnh báo và cô lập sự cố

Bộ Công Thương vừa chính thức ban hành Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 32:2026/BCT, đặt ra những tiêu chuẩn khắt khe về công nghệ an toàn, khả năng tương thích điện từ và hệ thống điều khiển tự động đối với mạng lưới trạm sạc xe điện từ ngày 1/7/2027.
Nhận định phiên giao dịch ngày 8/10: Đứng ngoài quan sát, chưa vội quay lại vị thế mua ròng mới

Nhận định phiên giao dịch ngày 8/10: Đứng ngoài quan sát, chưa vội quay lại vị thế mua ròng mới

VN-Index quay đầu giảm sau hai phiên hồi phục, trong khi thanh khoản tiếp tục suy yếu và dòng tiền chưa phát tín hiệu đủ mạnh để xác nhận xu hướng đảo chiều. Nhà đầu tư được khuyến nghị tiếp tục đứng ngoài quan sát, chưa vội gia tăng vị thế mua mới.
Thị trường chứng khoán ngày 7/10: VN Index rút chân từ vùng 1.740 điểm, dòng tiền vẫn chọn lọc

Thị trường chứng khoán ngày 7/10: VN Index rút chân từ vùng 1.740 điểm, dòng tiền vẫn chọn lọc

VN Index có lúc lùi về vùng 1.740 điểm trước khi lực cầu bắt đáy xuất hiện, giúp chỉ số thu hẹp đà giảm. Tuy nhiên, thanh khoản suy yếu và khối ngoại tiếp tục bán ròng cho thấy dòng tiền vẫn khá thận trọng.
Công nghệ Việt ghi dấu tại 10 hạng mục ASOCIO Digital & AI Awards 2026

Công nghệ Việt ghi dấu tại 10 hạng mục ASOCIO Digital & AI Awards 2026

Việt Nam được vinh danh tại 10 hạng mục của ASOCIO Digital & AI Awards 2026, trong đó nhiều giải thưởng lần đầu dành riêng cho các ứng dụng AI. Kết quả cho thấy công nghệ Việt đang chuyển nhanh từ số hóa, cung cấp dịch vụ CNTT sang phát triển các nền tảng và giải pháp AI được triển khai trong những bài toán thực tế.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 8/10/2026: Tuổi Dần tài lộc khởi sắc, tuổi Mùi nên tránh nóng vội

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 8/10/2026: Tuổi Dần tài lộc khởi sắc, tuổi Mùi nên tránh nóng vội

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 8/10/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Nhận định phiên giao dịch ngày 7/10: Chờ đợi tín hiệu tích cực xác nhận

Nhận định phiên giao dịch ngày 7/10: Chờ đợi tín hiệu tích cực xác nhận

VN-Index ghi nhận phiên hồi phục thứ hai liên tiếp với thanh khoản cải thiện và lực cầu có dấu hiệu trở lại. Tuy nhiên, tín hiệu đảo chiều vẫn chưa được xác nhận, khiến nhà đầu tư được khuyến nghị tiếp tục thận trọng và kiên nhẫn chờ những tín hiệu tích cực rõ nét hơn trước khi gia tăng vị thế.
Biến ô tô thành trạm phát điện di động: Lời giải từ công nghệ V2G

Biến ô tô thành trạm phát điện di động: Lời giải từ công nghệ V2G

Ngành công nghiệp xe điện toàn cầu đang chứng kiến một cuộc dịch chuyển mang tính bước ngoặt, từ việc chạy đua phần cứng nâng công suất sang giải quyết bài toán tự động hóa giao tiếp giữa phương tiện, trụ sạc và lưới điện.
Chủ tịch VINASA Nguyễn Văn Khoa tái đắc cử Phó Chủ tịch ASOCIO

Chủ tịch VINASA Nguyễn Văn Khoa tái đắc cử Phó Chủ tịch ASOCIO

Ông Nguyễn Văn Khoa, Chủ tịch Hiệp hội Phần mềm và Dịch vụ CNTT Việt Nam (VINASA), được bầu tiếp tục giữ chức Phó Chủ tịch ASOCIO nhiệm kỳ 2027-2028 tại phiên họp Đại hội đồng ASOCIO diễn ra chiều 5/10 tại Jakarta, Indonesia.
Thị trường chứng khoán ngày 6/10: Thanh khoản tăng mạnh, VN Index đảo chiều sau khi mất 18 điểm

Thị trường chứng khoán ngày 6/10: Thanh khoản tăng mạnh, VN Index đảo chiều sau khi mất 18 điểm

Có lúc VN Index “bốc hơi” hơn 18 điểm, nhưng bên bán đã không thể duy trì sức ép đến cuối phiên. Dòng tiền bắt đáy bất ngờ nhập cuộc, kéo chỉ số rút chân mạnh và kết phiên trong sắc xanh.
master