Trung Quốc chế tạo kim loại 2D siêu mỏng, chỉ dày bằng vài nguyên tử

Các nhà khoa học Trung Quốc vừa đạt được một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực vật liệu khi tạo ra những tấm kim loại siêu mỏng, chỉ dày bằng vài nguyên tử.

Thành tựu này có tiềm năng cách mạng hóa ngành công nghiệp điện tử bằng cách cho phép sản xuất các thiết bị có kích thước nhỏ hơn, đồng thời linh hoạt và hiệu quả hơn.

Lấy cảm hứng từ các kỹ thuật rèn đồng cổ xưa, nhóm nghiên cứu tại Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã thành công trong việc tạo ra các tấm bismuth (Bi), gali (Ga), indi (In), kẽm (Zn) và chì (Pb) với độ dày chỉ bằng 1 nguyên tử.

So với vật liệu truyền thống, những tấm kim loại siêu mỏng này có độ dẫn điện cực cao và nhiều đặc tính độc đáo khác, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong điện tử và công nghệ lượng tử.

GS Javier Sanchez-Yamagishi, chuyên gia về vật liệu 2D tại Đại học California (Mỹ), đánh giá cao nghiên cứu này và nhận định rằng phương pháp mới giúp sản xuất kim loại 2D ở quy mô lớn, điều mà các kỹ thuật trước đây chưa thể thực hiện.

Kim loại 2D vốn dĩ luôn được coi là một đột phá trong sản xuất, bởi chúng có thể thay đổi hoàn toàn các đặc tính vật lý so với cùng loại vật liệu ở dạng 3D.

Một thí dụ điển hình là graphene - một lớp carbon đơn nguyên tử, sở hữu độ bền và khả năng dẫn điện vượt trội so với than chì thông thường, dù có cùng cấu tạo nguyên tử từ carbon.

Tuy nhiên, việc tạo ra kim loại 2D không đơn giản như graphene do cấu trúc nguyên tử dày đặc của kim loại khiến chúng khó bị phân tách thành lớp mỏng.

Nhóm nghiên cứu do GS Zhang Guangyu dẫn đầu đã giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng một cặp tấm sapphire siêu mịn, phủ lớp molybden disulfide để ổn định kim loại siêu mỏng.

Kỹ thuật này bao gồm nung nóng giọt kim loại nhỏ trên một phiến đá, sau đó ép bằng một phiến đá khác. Khi kim loại nguội đi, nó tự động trải thành một lớp mỏng với sự hỗ trợ của molybden disulfide, giúp ngăn chặn quá trình oxy hóa.

Phương pháp này đã giúp nhóm nghiên cứu sản xuất thành công các tấm kim loại dày chỉ từ 1 tới vài nguyên tử, rộng vài trăm micromet. Đây là một kích thước đáng kể đối với vật liệu siêu mỏng.

Điều đặc biệt là phương pháp này có thể áp dụng cho bất kỳ kim loại nào có điểm nóng chảy thấp, mở ra nhiều cơ hội để phát triển các vật liệu điện tử tiên tiến.

Theo GS Zhang, kim loại 2D có thể đóng vai trò quan trọng trong việc thu nhỏ thiết bị điện tử, cải thiện quá trình xử lý và lưu trữ thông tin lượng tử cũng như phát hiện cực nhạy trong các cảm biến. "Chúng có thể trở thành các điểm kết nối quan trọng bên trong chip hoặc thậm chí là vật liệu lõi để chế tạo chip trong tương lai", ông cho biết.

Tuy nhiên, thách thức vẫn còn đó.

Theo Eric Pop, kỹ sư điện tại Đại học Stanford, để kim loại 2D thực sự có thể ứng dụng trong sản xuất công nghiệp, chúng phải vượt qua bài kiểm tra về tính ổn định ở nhiệt độ cao. Đây vốn dĩ là một yêu cầu quan trọng trong quá trình chế tạo chip.

Không chỉ vậy, vấn đề về chi phí sản xuất, cũng như tính phức tạp để đưa vật liệu tới tay đơn vị sản xuất cũng là một bài toán không nhỏ.

Dù vậy, với tốc độ phát triển của công nghệ vật liệu, nhiều chuyên gia tin rằng kim loại 2D sẽ sớm trở thành một yếu tố cốt lõi trong ngành công nghiệp điện tử, góp phần định hình tương lai của công nghệ bán dẫn.