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
Trung tâm dữ liệu AI có thể "sập" vì một cảm biến?

Trung tâm dữ liệu AI có thể "sập" vì một cảm biến?

Khi làn sóng trí tuệ nhân tạo (AI) thúc đẩy sự bùng nổ của các trung tâm dữ liệu siêu lớn trên toàn cầu, cuộc đua hạ tầng công nghệ không còn chỉ xoay quanh chip AI, GPU hay nguồn điện. Một yếu tố ít được nhắc đến hơn nhưng đang trở thành nhân tố quyết định hiệu suất và độ tin cậy của các trung tâm dữ liệu thế hệ mới chính là hệ thống đo lường công nghiệp.
10 trục trặc thường gặp và cách xử lý khi vận hành xe máy điện

10 trục trặc thường gặp và cách xử lý khi vận hành xe máy điện

Xe máy điện đang trở thành phương tiện quen thuộc trong các đô thị Việt Nam. Xe êm, sạch, dễ đi, chi phí vận hành thấp, phù hợp với học sinh, sinh viên, nhân viên văn phòng, người giao hàng và cả các gia đình cần một phương tiện đi lại hằng ngày trong bán kính ngắn.
Nhận định phiên giao dịch ngày 30/6: Ưu tiên nắm giữ cổ phiếu ngân hàng, chứng khoán

Nhận định phiên giao dịch ngày 30/6: Ưu tiên nắm giữ cổ phiếu ngân hàng, chứng khoán

VN-Index giảm gần 17 điểm trong phiên giao dịch 29/6 do chịu áp lực lớn từ nhóm cổ phiếu Vingroup, song diễn biến thị trường cho thấy dòng tiền vẫn đang có xu hướng lan tỏa sang nhiều nhóm ngành. Các công ty chứng khoán khuyến nghị nhà đầu tư ưu tiên nắm giữ các cổ phiếu thuộc nhóm ngân hàng, chứng khoán - những lĩnh vực đang thu hút dòng tiền mạnh.
Ra mắt Nền tảng quản trị đào tạo và phát triển nguồn nhân lực chiến lược quốc gia

Ra mắt Nền tảng quản trị đào tạo và phát triển nguồn nhân lực chiến lược quốc gia

Trong khuôn khổ hội thảo triển khai các chương trình và chính sách đào tạo nhân lực STEM do Bộ Giáo dục và Đào tạo tổ chức vào chiều ngày 27/6, tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, Ban tổ chức đã ra mắt nền tảng quản trị đào tạo và phát triển nguồn nhân lực chiến lược quốc gia.
111 ngành khoa học, kỹ thuật, công nghệ được cấp học bổng

111 ngành khoa học, kỹ thuật, công nghệ được cấp học bổng

Danh mục ngành mà sinh viên được nhận học bổng theo Nghị định 179 được Bộ Giáo dục và Đào tạo công bố ngày 28/6. Bộ cho biết sẽ xem xét cập nhật nếu phát sinh các ngành mới thuộc nhóm này.
Thị trường chứng khoán ngày 29/6: Cổ phiếu Vingroup gây áp lực, VN-Index giảm gần 17 điểm dù sắc xanh lan tỏa

Thị trường chứng khoán ngày 29/6: Cổ phiếu Vingroup gây áp lực, VN-Index giảm gần 17 điểm dù sắc xanh lan tỏa

Thị trường chứng khoán khởi đầu tuần giao dịch với diễn biến trái chiều khi phần lớn nhóm cổ phiếu ghi nhận sắc xanh, song áp lực giảm mạnh từ nhóm cổ phiếu Vingroup đã kéo VN-Index lùi gần 17 điểm.
D’. Diamant Bleu: ‘Gen vị trí’ định hình chuẩn sống xanh đắt giá

D’. Diamant Bleu: ‘Gen vị trí’ định hình chuẩn sống xanh đắt giá

Với mã “gen vị trí” đắc địa cùng lợi thế kề công viên và hồ điều hoà, các căn hộ D'. Diamant Bleu đang định hình lại tiêu chuẩn sống xanh đắt giá giữa lòng đô thị hiện đại.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 30/6/2026: Tuổi Mùi đón quý nhân phù trợ, tuổi Dậu cần thận trọng tài chính

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 30/6/2026: Tuổi Mùi đón quý nhân phù trợ, tuổi Dậu cần thận trọng tài chính

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 30/6/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Từ “thiết kế đẹp” đến “thiết kế để sống”: Masterise Homes định chuẩn “sống hàng hiệu” tại giải thưởng kiến trúc châu Á

Từ “thiết kế đẹp” đến “thiết kế để sống”: Masterise Homes định chuẩn “sống hàng hiệu” tại giải thưởng kiến trúc châu Á

Một công trình chỉ thực sự ghi dấu khi kiến trúc vượt lên trên giá trị thẩm mỹ để kiến tạo những trải nghiệm sống bền vững và góp phần định hình diện mạo đô thị. Việc bán đảo SOLA tại The Global City và tòa tháp đôi One Central Saigon được vinh danh tại Asia Architecture Design Awards 2026 (AADA) tiếp tục khẳng định năng lực “kiến tạo trải nghiệm xứng tầm” của Nhà định chuẩn Masterise Homes bằng tư duy quy hoạch dài hạn, thiết kế có chiều sâu và trải nghiệm cư dân được đặt ở trung tâm của hệ tiêu chuẩn hàng hiệu.
Mô hình hệ sinh thái robot phẫu thuật đa kết nối đầu tiên và duy nhất tại Việt Nam

Mô hình hệ sinh thái robot phẫu thuật đa kết nối đầu tiên và duy nhất tại Việt Nam

Hệ thống Y tế Vinmec vừa chính thức khai trương hệ thống Trung tâm Phẫu thuật Robot Công nghệ cao, đánh dấu bước tiến mới của y học Việt Nam. Không chỉ đầu tư các nền tảng robot phẫu thuật tiên tiến hàng đầu thế giới, Vinmec còn tiên phong xây dựng hệ sinh thái phẫu thuật robot đa chuyên khoa, đa bệnh viện và đa đối tác công nghệ quốc tế, mở rộng cơ hội tiếp cận các kỹ thuật điều trị hiện đại cho người dân trên cả nước.
vn-web
song-gia-tri
gao-doc