MỸ – Một loại vật liệu bán dẫn mềm, nhiều lớp có khả năng biến đổi dưới áp suất, giúp máy tính lưu trữ nhiều thông tin hơn nhưng sử dụng ít năng lượng hơn.

Chị Julie Miller (trái) và Giáo sư Matt McCluskey tiến hành nghiên cứu bằng cách sử dụng chùm tia X tại phòng thí nghiệm Dodgen thuộc đại học WSU

Theo một nghiên cứu của các nhà nghiên cứu tại Đại học bang Washington (WSU – Washington State University) và Đại học Bắc Carolina (University of North Carolina) tại thành phố Charlotte (Mỹ), vật liệu lai dựa trên kẽm telluride có thể thay đổi về cấu trúc khi được ép lại với nhau như một chiếc bánh sandwich phân tử. Những thay đổi đó khiến nó trở thành giải pháp cho bộ nhớ thay đổi pha, một loại lưu trữ thông tin siêu nhanh, lâu dài hoạt động khác với bộ nhớ được tìm thấy trong các thiết bị ngày nay và không cần nguồn điện liên tục.

Nghiên cứu này được thực hiện nhờ hệ thống nhiễu xạ tia X trị giá hơn 1 triệu đô la được mua vào năm 2022 với sự hỗ trợ của Tổ chức Murdock Charitable Trust. Thiết bị chuyên dụng này cho phép các nhà nghiên cứu quan sát những thay đổi nhỏ về cấu trúc trong vật liệu bán dẫn khi chúng xảy ra – tất cả đều từ khu Pullman của đại học WSU. Thông thường, những loại thí nghiệm này yêu cầu thời gian dài tại các cơ sở nghiên cứu quốc gia như Advanced Light Source tại Phòng thí nghiệm quốc gia Berkeley ở bang California, Mỹ.

Ông Matt McCluskey, Giáo sư vật lý tại đại học WSU và là đồng tác giả của nghiên cứu được đăng trên tạp chí AIP Advances, đã chia sẻ rằng: “Việc có thể thực hiện các thí nghiệm áp suất cao này trong khuôn viên trường đã mang lại cho chúng tôi sự linh hoạt trong việc nghiên cứu chuyên sâu những gì đang diễn ra. Chúng tôi phát hiện ra rằng vật liệu không chỉ bị nén lại – mà còn thay đổi cấu trúc lớn bên trong nó”.

Vật liệu, được gọi là β-ZnTe(en)0.5, bao gồm các lớp xen kẽ của kẽm telluride và một phân tử hữu cơ được gọi là ethylenediamine. Giáo sư Matt McCluskey đã so sánh cấu trúc của nó với một chiếc bánh sandwich. Ông nói rằng: “Hãy tưởng tượng các lớp gốm và nhựa xếp chồng lên nhau. Khi tác dụng lực, các phần mềm sẽ bị xẹp nhiều hơn các phần cứng”.

Sử dụng một đe kim cương (1) – một thiết bị có thể tạo ra áp suất cực lớn – và hệ thống tia X mới, các nhà nghiên cứu thấy rằng vật liệu đã trải qua hai quá trình chuyển pha ở áp suất thấp (2,1 và 3,3 gigapascal). Trong cả hai trường hợp, cấu trúc đã thay đổi đáng kể, co lại tới 8%.
(1) Đe kim cương (diamond anvil cell): là một thiết bị nhỏ gọn, sử dụng hai viên kim cương để tạo ra áp suất cao.

Chị Julie Miller, một nghiên cứu sinh tiến sĩ vật lý tại đại học WSU và là tác giả chính của nghiên cứu, giải thích rằng quá trình chuyển pha là khi vật liệu bán dẫn thay đổi cấu trúc ở cấp độ nguyên tử – giống như cách nước biến thành băng hoặc hơi nước. Trong trường hợp này, những thay đổi xảy ra giữa hai trạng thái rắn, trong đó các nguyên tử giống nhau được sắp xếp lại thành cấu hình dày đặc hơn. Những loại chuyển pha này có thể làm thay đổi đáng kể các tính chất vật lý của vật liệu, bao gồm cách vật liệu dẫn điện hoặc phát ra ánh sáng. Vì các pha cấu trúc khác nhau thường có các đặc điểm điện và quang khác nhau, nên các nhà khoa học cho rằng chúng có thể được sử dụng để mã hóa thông tin kỹ thuật số – một nguyên lý đằng sau bộ nhớ thay đổi pha.

Chị Julie Miller nói: “Hầu hết các vật liệu như thế này cần áp suất rất lớn để thay đổi cấu trúc, nhưng vật liệu này bắt đầu biến đổi ở một phần mười áp suất mà chúng ta thường thấy ở kẽm telluride nguyên chất. Đó là điều khiến vật liệu này trở nên thú vị – nó cho thấy những tác động lớn ở áp suất thấp hơn nhiều”.

Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng vật liệu này có hành vi rất khác nhau tùy thuộc vào hướng bị ép. Độ nhạy theo hướng đó, kết hợp với cấu trúc nhiều lớp, giúp vật liệu dễ điều chỉnh hơn và mở ra cánh cửa cho những ứng dụng khác.

Ngoài bộ nhớ, vật liệu này có thể tìm thấy ứng dụng trong quang tử, nơi ánh sáng thay vì điện được sử dụng để di chuyển và lưu trữ thông tin. Vì vật liệu phát ra ánh sáng cực tím, các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng ánh sáng của nó có thể thay đổi tùy thuộc vào pha của nó – có khả năng làm cho nó hữu ích trong sợi quang hoặc máy tính quang học.

Mặc dù vẫn còn sớm để nói rằng β-ZnTe(en)0.5 là vật liệu nhớ thương mại tiềm năng, nhưng khám phá này đã đánh dấu một bước tiến lớn.

Các nhà nghiên cứu đang làm việc trên chùm tia X tại đại học WSU

Chị Julie Miller nói tiếp: “Chúng tôi mới chỉ bắt đầu hiểu được những vật liệu lai này có thể làm được gì. Việc chúng tôi có thể quan sát những thay đổi này bằng thiết bị ngay tại khuôn viên trường khiến nó trở nên thú vị hơn nhiều”.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu có kế hoạch nghiên cứu cách vật liệu phản ứng với những thay đổi về nhiệt độ và khám phá điều gì xảy ra khi cả áp suất và nhiệt đều được tác dụng – xây dựng một bản đồ hoàn chỉnh hơn về hành vi và khả năng của nó.

Để xem các tin bài khác về “Bán dẫn”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online