Đột phá trong nghiên cứu chế tạo chất bán dẫn và siêu dẫn

Khai phá tính linh hoạt trong vật liệu duy nhất

Một nhóm nhà vật lý tại RIKEN (Nhật Bản) đã phát triển loại kỹ thuật dựa trên transistor, cho phép chỉ cần lớp vật liệu duy nhất có thể hoạt động như siêu dẫn, kim loại, chất bán dẫn, hoặc chất cách điện. Cách tiếp cận này có tiềm năng dẫn đến sự khám phá các vật liệu siêu dẫn mới.

Nhà vật liệu học Yoshihiro Iwasa tại Trung tâm Khoa học vật liệu mới RIKEN, người dẫn đầu nghiên cứu, nhận xét: “Sự đa dạng về đặc tính điện tử trên vật liệu duy nhất thật sự hấp dẫn từ góc độ khoa học vật liệu”.

Vật liệu được nghiên cứu là disulfide molybden (MoS₂), có thể được tách thành các lớp mỏng ở cấp độ nguyên tử. Mỗi lớp bao gồm nguyên tử molybden nằm giữa hai lớp nguyên tử lưu huỳnh. Tùy thuộc vào cách sắp xếp của các nguyên tử lưu huỳnh, MoS₂ có thể tồn tại dưới hai dạng cấu trúc khác nhau:

Pha 2H hay Hexagonal (pha lục giác). Cấu trúc tinh thể là các lớp nguyên tử xếp chồng lên nhau theo kiểu ABAB, với đối xứng lục giác, hoạt động như một chất bán dẫn.

Pha 1T hay Tetragonal (pha tứ giác). Cấu trúc tinh thể: Các lớp xếp kiểu ABCABC, và atom kim loại ở trung tâm khối tám mặt, hoạt động như một kim loại.

Ông Iwasa nhấn mạnh: “Disulfide molybden 2 chiều rất hứa hẹn trong việc ứng dụng vào các thiết bị bán dẫn thế hệ tiếp theo”.

Điều chỉnh pha bằng ion kali

Để nghiên cứu sự chuyển đổi giữa các pha của vật liệu, nhóm nghiên cứu đã xây dựng một transistor trường và kết nối nó với mẫu MoS₂ ở pha 2H. Bằng cách điều chỉnh điện áp, họ có thể kiểm soát việc đưa ion kali vào vật liệu với độ chính xác cao.

Pha 2H và 1T của disulfide molybden

Khi nồng độ kali tăng, vật liệu đột ngột chuyển từ pha 2H sang pha 1T. Sự thay đổi này xảy ra khi có khoảng hai ion kali trên 5 nguyên tử molybden, cho thấy một mối liên hệ rõ ràng giữa nồng độ ion và hành vi chuyển pha.

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã chèn một lượng kali thích hợp vào vật liệu và làm lạnh mẫu xuống -268°C, họ phát hiện pha 1T trở thành siêu dẫn.

Siêu dẫn trước đây chỉ được quan sát thấy trong pha 2H, nhưng sự xuất hiện của nó ở pha 1T là điều bất ngờ. Iwasa nhận xét: “Phát hiện siêu dẫn khi chúng tôi đưa ion kali vào là điều khiến chúng tôi ngạc nhiên nhất”.

Nhiều điều bất ngờ khác cũng được phát hiện. Khi nhóm nghiên cứu để ion kali thoát ra khỏi MoS₂ ở pha 1T, làm giảm đáng kể nồng độ ion, rồi hạ nhiệt độ xuống -193°C, vật liệu bất ngờ chuyển từ kim loại sang chất cách điện. Iwasa chia sẻ: “Chúng tôi thấy hiện tượng này thú vị vì không hề dự đoán trước được”.

Kết quả này chứng minh rằng việc đưa ion kali vào vật liệu hai chiều như MoS₂ là một phương pháp hiệu quả để điều khiển cấu trúc và tính chất điện tử.

Hướng đi tương lai

Ông Iwasa cho biết: “Chúng tôi đã phát triển phương pháp này trong suốt một thập niên qua. Nó không chỉ hữu ích trong việc khám phá các đặc tính mới của siêu dẫn và các pha điện tử liên quan, mà còn giúp phát hiện ra các vật liệu siêu dẫn mới”.

Khả năng điều chỉnh trạng thái điện tử của vật liệu với độ chính xác cao này có thể mở ra cánh cửa cho công nghệ bán dẫn và siêu dẫn trong tương lai.

Anh Tú