Các nhà khoa học đã đạt được một loạt cột mốc trong việc phát triển chất dẫn màng mỏng chất lượng cao, cho thấy trong một nghiên cứu mới rằng vật liệu này là ứng cử viên nền tảng đầy hứa hẹn cho các thiết bị điện tử đeo được trong tương lai và các ứng dụng thu nhỏ khác.
Sự phụ thuộc góc của dao động lượng tử. a) Độ từ trở được đo ở các góc đã chọn θ so với hướng pháp tuyến của màng, như được mô tả trong phần chèn, trong đó θ=0° biểu thị từ trường ngoài mặt phẳng B và θ=90° tương ứng với B song song với dòng điện J e . b) Các vết dao động của Δρ xx (B)/ρ xx (0) so với 1/B (dịch chuyển theo chiều dọc để rõ hơn). c) Phân tích tần số biến đổi Fourier nhanh của phổ SdH, cho thấy các đóng góp từ hai túi khối 3D. Đường đứt nét của 1/cosθ chỉ ra rằng dải thứ cấp 2 không có nguồn gốc 2D. Tín dụng: Materials Today Physics (2024). DOI: 10.1016/j.mtphys.2024.101486
Các nhà nghiên cứu tại Đại học bang Ohio, Phòng thí nghiệm nghiên cứu quân đội và MIT đã xác định rằng vật liệu này là tốt nhất trong số các loại màng phim có cấu tạo tương tự nhờ tính di động của electron - một chỉ số cho biết mức độ dễ dàng để dòng điện chạy qua nó.
Kết hợp với mật độ khuyết tật thấp để giảm sự can thiệp vào chuyển động của electron trên bề mặt, vật liệu này giống như một xa lộ nhỏ trống trải, nơi tất cả các electron có thể dễ dàng đi đến nơi chúng cần đến mà không cần nhìn thấy phương tiện giao thông nào.
"Chúng tôi đã định nghĩa lại chức năng của một chiếc ô tô trên đường cao tốc - nó giống như một chiếc ô tô có thể chạy rất nhanh mà không bị cản trở bởi những thứ khác trên đường", tác giả đầu tiên của nghiên cứu, Patrick Taylor, một nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu quân đội, cho biết.
"Các thế hệ điện tử trong tương lai sẽ sử dụng loại công nghệ đó vì nó có công suất thấp", Taylor cho biết. "Quân đội quan tâm đến công suất thấp vì họ không muốn cung cấp cho binh lính thứ gì đó ngốn pin của họ. Mặt khác, khu vực thương mại đang xem xét loại công nghệ này để biết điều gì sẽ xảy ra sau silicon, vì silicon đang đi đến cuối con đường của nó và phải có thứ gì đó theo sau nó".
Nhóm nghiên cứu đã báo cáo những phát hiện này trên tạp chí Materials Today Physics .
Đồng tác giả chính Brandi Wooten, một tiến sĩ mới tốt nghiệp ngành khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Đại học bang Ohio, hiện là kỹ thuật viên nghiên cứu về kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ, lưu ý rằng việc thử nghiệm toàn diện các vật liệu đã tạo ra một cột mốc khác: Các nhà nghiên cứu đã có thể phát hiện ra các dao động khó nắm bắt xác nhận rằng các màng nguyên sơ gần như không bị phân tán—không giống như các màng tương tự trong tự nhiên.
"Những vật liệu này, nói một cách tự nhiên, không phải là chất lượng tốt nhất về mặt phát triển màng mỏng, nhưng chúng ta cần màng mỏng để tạo ra các thiết bị", Wooten cho biết. "Đây là một bài báo hay cho thấy chúng ta có thể tạo ra những vật liệu này đủ tốt ở dạng màng mỏng để đưa vào các thiết bị. Đây là bước đệm để đưa những vật liệu này vào nhiều chức năng hơn".
Một phần của việc thực hiện nhiều hơn có thể liên quan đến việc tận dụng—và mở rộng—khả năng nhiệt điện của màng. Wooten, người đã thực tập tại phòng thí nghiệm của Taylor trong hai mùa hè trong khi theo đuổi bằng Tiến sĩ, đã giám sát các thử nghiệm cực kỳ nhạy cảm để đánh giá các đặc tính nhiệt của màng mỏng cho nghiên cứu này và nhóm đã bắt đầu làm việc trên các phiên bản mới của màng dựa trên những gì cô ấy tìm thấy.
Mặc dù các ứng dụng quân sự và thương mại còn phải mất nhiều năm nữa, những màng phim này, tiêu thụ rất ít năng lượng, có thể được tích hợp với các chip siêu mỏng hiện được chế tạo cho các thiết bị điện tử thu nhỏ. Các ứng dụng tiềm năng có thể bao gồm đóng vai trò là khối xây dựng cơ bản cho thế hệ bộ nhớ từ tiếp theo trong máy tính hoặc tạo ra năng lượng cung cấp năng lượng cho rô-bốt hoặc máy bay không người lái—hoặc thậm chí là các thiết bị đeo được giúp binh lính mát mẻ khi họ mặc đồ bảo hộ nặng và áo chống đạn.
Các màng mỏng—dày từ 90 đến 150 nanomet—là phiên bản tinh chế của tetradymite ba thành phần, một khoáng chất bao gồm bismuth, tellurium và lưu huỳnh. Trong khoảng hai thập kỷ, các nhà khoa học đã tập trung vào việc hoàn thiện các màng tetradymite vì tiềm năng hoạt động như chất cách điện tôpô của chúng: vật liệu mà dòng điện chạy trên bề mặt trong khi phần bên trong hoạt động như chất cách điện, làm giảm bất kỳ sự tiêu tán nào của dòng chảy bề mặt. Sự dẫn điện bề mặt này cũng có các đặc tính spin, có thể mở ra cánh cửa cho các thiết bị spintronic sử dụng mức điện năng rất thấp.
Để đạt được những tính chất đó, Taylor đã chế tạo các màng mỏng bằng một kỹ thuật gọi là epitaxy chùm phân tử (MBE) - bắt đầu với cùng cấu trúc tinh thể như tetradymite, nhưng thay thế các nguyên tố khác để đưa ra hai thành phần khác nhau có cơ chế dẫn điện riêng biệt.
Joseph Heremans, đồng tác giả chính của bài báo, đã giúp hướng dẫn lựa chọn các thành phần để tạo ra những bộ phim tốt nhất. Là một giáo sư về kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ, khoa học và kỹ thuật vật liệu, và vật lý tại Đại học Ohio, Heremans đã khuyên Taylor nên hướng đến trạng thái cân bằng trong khi tạo thành vật liệu—không phải là đặc điểm điển hình của các bộ phim được tạo ra bằng quy trình MBE.
"Đó là ánh sáng chỉ đường của ông ấy", Taylor nói. "Chúng tôi đã cố gắng nhắm đến nhiều điều kiện cân bằng hơn và điều đó đã được đền đáp - và do đó vật liệu chúng tôi có có tính di động cao bất thường".
Wooten cho biết tính di động điện tử cao có được nhờ việc phát triển các màng theo cách làm giảm nồng độ các hạt chuyển động mang điện tích tồn tại bên trong các tetradymite tự nhiên.
"Bằng cách hạ thấp nồng độ chất mang đó, chúng ta có thể sử dụng những trạng thái thực sự mạnh mẽ và bền bỉ này trên bề mặt", bà nói. "Trong các chất cách điện tôpô, dòng điện có thể đi theo một hướng trên bề mặt, nhưng không phải hướng kia. Nó không thể tán xạ ngược, và đó là điều khiến chúng bền bỉ hơn".
Công trình này đại diện cho bước tiến không chỉ trong việc chế tạo những màng phim này mà còn có thể thử nghiệm các đặc tính của chúng trong phòng thí nghiệm—trước đây, các vật liệu dùng để nghiên cứu trong phòng thí nghiệm thường lớn hơn nhiều.
Taylor cho biết: "Bằng cách sử dụng kỹ thuật epitaxy chùm phân tử này, giờ đây chúng ta có thể hình dung ra con đường hướng tới thứ gì đó có thể vừa với máy tính hoặc điện thoại di động của bạn trong tương lai".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
