acecook

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
vaa
Tin bài khác
Năm bản lề 2025: Bộ KH&CN tạo nền tảng thể chế và hạ tầng cho giai đoạn mới

Năm bản lề 2025: Bộ KH&CN tạo nền tảng thể chế và hạ tầng cho giai đoạn mới

Sáng 26/12, Bộ Khoa học và Công nghệ đã tổ chức Hội nghị tổng kết công tác năm 2025 và triển khai nhiệm vụ năm 2026. Phó Thủ tướng Chính phủ Nguyễn Chí Dũng dự và chỉ đạo hội nghị.
Ông Lê Ngọc Sơn được bổ nhiệm làm Chủ tịch Hội đồng thành viên PVN

Ông Lê Ngọc Sơn được bổ nhiệm làm Chủ tịch Hội đồng thành viên PVN

Thủ tướng Chính phủ Phạm Minh Chính vừa ký quyết định bổ nhiệm ông Lê Ngọc Sơn, Tổng Giám đốc PVN, giữ chức Chủ tịch Hội đồng thành viên Tập đoàn Công nghiệp - Năng lượng Quốc gia Việt Nam, với hiệu lực từ ngày 26/12/2025.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 27/12/2025: Tuổi Dần tránh cãi vã, tuổi Hợi tài chính vững vàng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 27/12/2025: Tuổi Dần tránh cãi vã, tuổi Hợi tài chính vững vàng

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 27/12/2025 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
Thị trường chứng khoán ngày 26/12: Nhóm Vin được giải cứu, dòng tiền bắt đáy bùng nổ

Thị trường chứng khoán ngày 26/12: Nhóm Vin được giải cứu, dòng tiền bắt đáy bùng nổ

Giảm sâu trong phiên sáng khi nhóm Vin đồng loạt nằm sàn, VN Index bất ngờ rút chân mạnh mẽ vào cuối phiên nhờ lực cầu bắt đáy gia tăng và nhóm Vin được giải cứu. Cây nến rút chân dài cùng thanh khoản vọt lên 32,7 nghìn tỷ cho thấy thị trường vẫn chưa mất đi động lực hồi phục.
Trước thềm Đại hội VI:  VAA hướng tới sẽ là đơn vị dẫn dắt trong công cuộc chuyển đổi số quốc gia

Trước thềm Đại hội VI: VAA hướng tới sẽ là đơn vị dẫn dắt trong công cuộc chuyển đổi số quốc gia

Hội Tự động hóa Việt Nam (VAA) đến nay tròn 31 năm tuổi, trong mỗi một nhiệm kỳ hoạt động đều nỗ lực đóng góp cho sự phát triển của ngành tự động hóa nói riêng và phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam nói chung. Đặc biệt trong những năm gần đây, cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ 4 với xu hướng chuyển đổi xanh, kinh tế xanh được nhấn mạnh thì vai trò của công nghệ tự động hóa ngày càng được khẳng định. Những chia sẻ của TS. Nguyễn Quân, Chủ tịch Hội về nhiệm kỳ V cũng như định hướng trước thềm đại hội nhiệm kỳ mới của VAA khắc họa rõ những đóng góp cũng như vai trò của VAA trong định hướng phát triển mới của đất nước ta.
Đô thị thông minh gắn với đô thị xanh: Lối ra cho “bài toán kép” tăng trưởng và phát thải

Đô thị thông minh gắn với đô thị xanh: Lối ra cho “bài toán kép” tăng trưởng và phát thải

Trong khuôn khổ Hội nghị Thành phố thông minh Việt Nam - châu Á 2025 (Vietnam - Asia Smart City Summit 2025), do Hiệp hội Phần mềm và Dịch vụ công nghệ thông tin Việt Nam (VINASA) phối hợp với UBND TP Hà Nội tổ chức ngày 23/12, hội thảo chuyên đề về năng lượng xanh, di chuyển thông minh và phát triển bền vững hướng tới mục tiêu NetZero 2050 đã được tổ chức.
Hà Nội ra mắt Không gian Chiếu sáng Nghệ thuật Hồ Gươm - Tháp Rùa

Hà Nội ra mắt Không gian Chiếu sáng Nghệ thuật Hồ Gươm - Tháp Rùa

Lấy ánh sáng làm ngôn ngữ nghệ thuật đương đại, Không gian Chiếu sáng Nghệ thuật Hồ Gươm - Tháp Rùa ra mắt tối 24/12, góp phần tôn vinh giá trị di sản, đồng thời mang đến trải nghiệm mới mẻ cho cộng đồng và du khách trong dịp lễ cuối năm.
Tự động hóa và robot - động lực tăng trưởng mới của ngành da giày

Tự động hóa và robot - động lực tăng trưởng mới của ngành da giày

Tự động hóa và robot đang dần định hình tương lai của ngành sản xuất giày dép, trong bối cảnh thiếu hụt lao động và áp lực cạnh tranh ngày càng lớn tại châu Âu.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 26/12/2025: Tuổi Thìn vướng họa thị phi, tuổi Ngọ nhiều may mắn hơn

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 26/12/2025: Tuổi Thìn vướng họa thị phi, tuổi Ngọ nhiều may mắn hơn

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 26/12/2025 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
DOJI khởi công Dragon 75 Complex - biểu tượng kiến trúc mới bên Bắc Sông Cấm

DOJI khởi công Dragon 75 Complex - biểu tượng kiến trúc mới bên Bắc Sông Cấm

Tọa lạc tại “trái tim mới” của TP Hải Phòng, Dragon 75 Complex với tòa tháp 75 tầng cao 388 m được khởi công ngày 19/12/2025, hứa hẹn trở thành công trình biểu tượng, góp phần nâng tầm không gian đô thị và hạ tầng thương mại - dịch vụ của thành phố.
song-gia-tri