Kim loại siêu mỏng gấp 100.000 lần sợi tóc: tiềm năng cách mạng hóa ngành điện tử

Theo nghiên cứu mới nhất, các nhà khoa học đã phát triển được các tấm kim loại 2D từ bismuth, gallium, indium, thiếc và chì có độ mỏng gấp 100.000 lần sợi tóc người. Đột phá này mở ra tiềm năng cách mạng hóa ngành công nghiệp điện tử, từ transistor công suất thấp đến chip thế hệ mới và cảm biến siêu nhạy.

Viện Hàn lâm Vật lý Trung Quốc Phát triển thành công tấm kim loại mỏng gấp 100.000 lần sợi tóc, có thể cách mạng hóa ngành điện tử. Ảnh: Representational.

Kim siêu mỏng gấp 100.000 lần sợi tóc được phát triển bởi các nhà nghiên cứu từ Viện Hàn lâm Vật lý Trung Quốc, những tấm kim loại 2D siêu mỏng này còn sở hữu khả năng dẫn điện cực kỳ cao. Các nhà khoa học đã phát hiện rằng khi kim loại được làm mỏng đến mức chỉ còn một hoặc vài nguyên tử, các tính chất của chúng thay đổi một cách đáng kể do hiện tượng được gọi là "giới hạn lượng tử" (quantum confinement).

Tính chất độc đáo và tiềm năng ứng dụng cao

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature cho thấy các tính chất thu được từ vật liệu này có tiềm năng ứng dụng rất lớn. Tuy nhiên, những kim loại 2D này thường rất khó ổn định ở kích thước micromet hoặc lớn hơn, bởi các nguyên tử có xu hướng trở về cấu trúc 3D tự nhiên và dễ bị oxy hóa khi tiếp xúc với không khí.

Quy trình mới của các nhà khoa học Trung Quốc để nén kim loại xuống độ dày nguyên tử sử dụng một máy ép thủy lực đặt trên bàn làm việc. Phương pháp đơn giản này tạo ra các tinh thể 2D ổn định trong không khí với kích thước lớn hơn 100 micromet, một cải tiến đáng kể so với những gì có thể tạo ra bằng các kỹ thuật phức tạp và đắt tiền hơn.

Phương pháp đơn giản, hiệu quả áp dụng được với nhiều kim loại

Các nhà nghiên cứu tiết lộ rằng phương pháp này có thể áp dụng cho bất kỳ kim loại nào có điểm nóng chảy thấp. Một chuyên gia đánh giá đã nhấn mạnh rằng dù nhóm nghiên cứu Trung Quốc không phải là người đầu tiên sản xuất kim loại mỏng nguyên tử, nhưng kết quả của họ nổi bật vì phương pháp mới tạo ra "kim loại 2D thực sự, quy mô lớn" so với các kỹ thuật trước đây.

"Đây chỉ là điểm khởi đầu," Javier Sanchez-Yamagishi, một nhà vật lý nghiên cứu vật liệu 2D tại Đại học California phát biểu. "Bây giờ, những người khác có thể tham gia và bắt đầu nghiên cứu các tính chất của những tấm kim loại này." Javier cũng nhấn mạnh rằng sự ổn định và kích thước lớn của những vật liệu này mở ra nhiều khả năng để tích hợp chúng với các vật liệu khác và để tạo ra các thiết bị điện tử hoặc quang học mới.

Cách mạng hóa ngành công nghiệp điện tử

Một số chuyên gia tin rằng thành tựu này có thể cách mạng hóa cách thức sản xuất thiết bị điện tử, từ transistor công suất thấp đến chip thế hệ tiếp theo và các bộ cảm biến siêu nhạy. Áp dụng kỹ thuật của mình, nhóm nghiên cứu đã tạo ra các tấm từ năm loại kim loại khác nhau chỉ dày vài nguyên tử, rộng vài trăm micromet – một kích thước đáng kinh ngạc đối với một vật liệu mỏng đến vậy, theo báo cáo của SCMP.

Để tạo ra một tấm kim loại siêu mỏng, nhóm nghiên cứu đã làm nóng một giọt kim loại giữa hai đe sapphire, sau đó ép chúng lại với nhau khi kim loại nguội dần (một quá trình được gọi là 'Putting the squeeze on'). Vì MoS2 (molybdenum disulfide) tương tác mạnh hơn với kim loại so với sapphire, các nhà nghiên cứu có thể tách các lớp sandwich MoS2–kim loại–MoS2 ra khỏi thiết bị giống như lấy một chiếc bánh panini từ máy ép.

Guangyu Zhang, chuyên gia nghiên cứu vật liệu nano tại Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc ở Bắc Kinh, cùng nhóm của ông đã tạo ra các tấm từ năm loại kim loại khác nhau chỉ dày vài nguyên tử, với kích thước rộng vài trăm micromet, một thành tựu đáng chú ý đối với một vật liệu mỏng đến vậy.

Với những đặc tính kỹ thuật vượt trội và khả năng ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp điện tử, công nghệ vật liệu 2D này được kỳ vọng sẽ là nền tảng cho thế hệ thiết bị điện tử tương lai với hiệu suất cao hơn, kích thước nhỏ hơn và tiêu thụ năng lượng thấp hơn.