Các nhà khoa học tại Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KAIST) và Đại học Sungkyunkwan đã hợp tác phát triển một cấu trúc bán dẫn mới, cho phép dòng điện chảy không trở ngại trong vật liệu hai chiều (2D). Thành tựu này được công bố trên tạp chí Matter thuộc nhà xuất bản Cell, đánh dấu bước đột phá trong việc giải quyết 'nút thắt điện' (electrical bottleneck) kéo dài trong ngành công nghiệp chip, hứa hẹn giảm đáng kể điện trở tiếp xúc cho các thiết bị bán dẫn thế hệ tiếp theo, đặc biệt là chip AI và bán dẫn siêu tiết kiệm năng lượng.

Vấn đề 'nút thắt điện' trong chip truyền thống

Trong các thiết bị bán dẫn, bề mặt tiếp xúc giữa điện cực kim loại và chất bán dẫn tạo ra điện trở tiếp xúc, gây suy giảm hiệu suất và tiêu hao năng lượng. Khi kích thước chip ngày càng thu nhỏ, vấn đề này trở nên nghiêm trọng hơn, được xem là một trong những rào cản kỹ thuật chính đối với sự phát triển của bán dẫn thế hệ mới. Các phương pháp truyền thống chỉ đơn thuần gắn trực tiếp điện cực kim loại lên bề mặt bán dẫn, nhưng vẫn khó loại bỏ hoàn toàn điện trở tiếp xúc. Có thể hình dung, khi dòng điện chảy từ kim loại vào bán dẫn, nó phải vượt qua một 'rào cản năng lượng' (energy barrier), hay còn gọi là hàng rào Schottky. Trong chip silicon thông thường, việc chọn kim loại có công thoát phù hợp có thể hạ thấp rào cản này. Tuy nhiên, trong các hệ thống vật liệu 2D chỉ dày vài lớp nguyên tử, các trạng thái khuyết tật của vật liệu 'ghim' mức Fermi tại chỗ, khiến chiều cao rào cản hầu như không thay đổi dù thay đổi điện cực kim loại, dẫn đến điện trở tiếp xúc luôn ở mức cao.

Giải pháp đột phá: Cấu trúc 'bán kim loại - bán dẫn' trong cùng vật liệu

Nhóm nghiên cứu đã tìm ra hướng đi mới: thay vì ghép hai vật liệu khác nhau, họ xây dựng liên tục vùng bán kim loại (semi-metal) và vùng bán dẫn (semiconductor) bên trong một màng mỏng platinum diselenide (PtSe2) – vật liệu 2D chỉ dày một hoặc hai lớp nguyên tử. Hai vùng này kết nối tự nhiên trong cùng một vật liệu, tạo thành cấu trúc tích hợp. Cấu trúc này tránh được sự gián đoạn tại mặt phân cách giữa các vật liệu khác nhau, cho phép dòng điện chảy trơn tru từ vùng bán kim loại sang vùng bán dẫn mà không bị cản trở.

Kiểm chứng bằng thực nghiệm: Dòng điện chảy liên tục, ổn định

Để xác minh thiết kế, nhóm đã sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) để quan sát trực tiếp hành vi vận chuyển điện tích bên trong màng mỏng ở cấp độ nano. Kết quả cho thấy, khi dòng điện đi qua ranh giới giữa vùng bán kim loại và vùng bán dẫn, dòng chảy liên tục, ổn định, không xuất hiện hiện tượng tắc nghẽn hay lệch hướng. Đây là lần đầu tiên thực nghiệm chứng minh trực tiếp rằng mặt phân cách đơn khối (monolithic interface) không làm gián đoạn dòng điện. Ngoài ra, bằng cách tác động điện trường lên vùng bán dẫn, nhóm đã điều khiển thành công dòng điện đóng/ngắt, xác nhận cấu trúc có khả năng vận hành như một thiết bị thực tế.

Ý nghĩa và triển vọng ứng dụng

Nghiên cứu này mang ý nghĩa đột phá khi giải quyết vấn đề từ cơ chế vật lý, thay vì dựa vào các phương pháp xếp chồng vật liệu truyền thống vốn gây tổn hao năng lượng. Bằng cách xây dựng cấu trúc 'bán kim loại - bán dẫn' đặc biệt bên trong cùng một vật liệu 2D, dòng điện có thể truyền tải không trở ngại – một sáng tạo mang tính nền tảng. Thành tựu này có thể cung cấp logic cơ bản mới cho thiết kế chip trong kỷ nguyên hậu Moore, không còn phụ thuộc vào độ chính xác của quy trình để 'chịu đựng' khuyết tật, mà dựa vào đặc tính vật liệu để loại bỏ chướng ngại. Trong tương lai, khi công nghệ này được kỹ thuật hóa, nó sẽ trực tiếp thúc đẩy hiệu suất năng lượng của chip AI và đẩy nhanh việc triển khai các thiết bị điện toán biên siêu tiết kiệm năng lượng, đặc biệt có giá trị lớn đối với thiết bị đeo thông minh và các ứng dụng Internet vạn vật (IoT).

Theo China Science and Technology Network

Ảnh: Pixabay / Pexels