Mới đây, các nghiên cứu tia X của Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia Hoa Kỳ (SLAC) lần đầu tiên quan sát thấy một đặc tính kỳ lạ có thể làm cong cấu trúc điện tử của vật liệu theo cách làm giảm sự tích tụ nhiệt và nâng cao hiệu suất của các linh kiện máy tính nhỏ nhất cho đến nay.

Công trình nghiên cứu đang được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Nguồn ánh sáng bức xạ Synchrotron Stanford (SSRL) của SLAC và được công bố trên tạp chí Nature Materials.

Đặc tính uốn cong năng lượng

Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu một dạng của iriđi oxit là Sr3Ir2O7, đó là một loại vật liệu tương quan trong đó các điện tử có thể được chế tạo để hành xử đồng bộ hóa. Đây là một ứng cử viên cho việc giảm lượng nhiệt phát sinh bởi hàng tỷ bóng bán dẫn trong lõi của các máy tính hiện đại.

Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng vật liệu này có một đặc tính đã được tìm thấy từ lâu nhưng trước đây chỉ được thấy bên trong các vật liệu 2D và được gọi là đặc tính nén điện tử âm 3D (3-D negative electronic compressibility), đó là do vật liệu có cấu trúc điện tử khác thường.

Cấu trúc điện tử của vật liệu thường không thay đổi, với các mức hay các dải năng lượng khác nhau tăng lên khi có thêm điện tử. Các mức năng lượng này được xác định bằng cấu trúc nguyên tử và thành phần hóa học của vật liệu. Ở nghiên cứu này, các mức năng lượng này đã được thấy có sự thay đổi đáng kể, theo một cách linh hoạt, khi có các điện tử được đưa thêm vào, trong khi cấu trúc vật lý của vật liệu không có bất kỳ sự thay đổi đáng kể nào.

"Hãy hình dung việc rót nước vào một chiếc cốc và quan sát mực nước trong cốc giảm xuống khi cốc biến dạng", Junfeng Anh, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết. "Đó là cách đặc tính nén điện tử âm 3D hoạt động. Nhưng trong trường hợp này, nó là cấu trúc điện tử của vật liệu - trong đó xác định cách nó có thể tích trữ hoặc lưu thông dòng điện - chứ không phải là cấu trúc vật lý của nó về cơ bản làm cong khi có thêm các điện tử”.

Theo các tính toán lý thuyết, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng, một khe nằm giữa các nhóm dải năng lượng khác nhau trong vật liệu mẫu thực tế co lại khi các điện tử được thêm vào, làm giảm mức năng lượng được tích trữ của vật liệu - giống như mức nước hạ thấp trong ví dụ chiếc cốc bên trên.

Về nguyên tắc, việc sử dụng các cực điện kim loại có đặc tính này trong các cổng vi mô điều chỉnh lưu lượng của điện tử trong các bóng bán dẫn có thể làm gia tăng về căn bản hiệu suất của chúng và giảm bớt sự tích tụ nhiệt, He, nghiên cứu sinh sau tiến sỹ, người sẽ sớm tham gia nghiên cứu tại SLAC cho biết.

Chế tạo bóng bán dẫn tốt hơn

Theo Rui-Hua He, phó giáo sư vật lý tại Đại học Boston, phát ngôn viên của nghiên cứu, cho biết: “Việc thay thế các kim loại thông thường trong các bóng bán dẫn bằng các vật liệu có đặc tính chịu nén điện tử âm là một giải pháp thay thế tuyệt vời cho các phương pháp tiếp cận hiện nay, với mục tiêu là tiếp tục thu nhỏ kích thước của thiết bị. Chúng tôi hiện đang chuẩn bị cho trình diễn đầu tiên ứng dụng tiềm năng của vật liệu này để sản xuất bóng bán dẫn".

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật tia X tiên tiến tại SSRL, do Donghui Lu và Makoto Hashimoto thiết lập và duy trì, để đo chính xác cấu trúc điện tử của vật liệu. Đặc tính chịu nén điện tử âm mà họ phát hiện cho thấy tiềm năng đầy hứa hẹn trong việc làm giảm các nhu cầu năng lượng cần thiết để ví dụ dịch chuyển dòng điện xung quanh một chất bán dẫn, giúp làm giảm lượng nhiệt mà nó tỏa ra và làm cho sự chuyển mạch điện hiệu quả hơn.

Các nghiên cứu trước đó đã quan sát thấy đặc tính chịu nén điện tử âm 2D trong các vật liệu khác, tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho biết dạng 3D có tiềm năng ứng dụng lớn hơn trong các chất bán dẫn, bởi vì nó tương thích hơn với các cấu trúc máy tính hiện nay, có khả năng sử dụng ở nhiệt độ phòng và có thể thích hợp cho các ứng dụng khác nhau bằng cách điều chỉnh độ dày của nó.

Theo Stephen Wilson, phó giáo sư vật liệu tại Đại học California, Santa Barbara, người chế tạo vật liệu mẫu, cho biết: “Nghiên cứu này mang lại cho chúng tôi thông tin quan trọng để tiếp tục tìm kiếm các loại vật liệu mới khác với các đặc tính vật lý mới có thể ứng dụng trong các bóng bán dẫn và các ứng dụng khác”.