Giới hạn vận chuyển của các điện tử và ion có thể làm thay đổi đặc tính vật liệu, nghiên cứu

Bình luận Nguyễn Can • 09:13, 17/09/21

Giúp NTDVN sửa lỗi

Giống như những gợn sóng trong hồ, các electron di chuyển như sóng xuyên qua các vật liệu, khi chúng va chạm và tương tác, chúng có thể thay đổi đặc tính và làm cho vật liệu trở thành mẫu hình mới và thú vị.

Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã chứng kiến một dạng sóng mới xuất hiện trong một màng mỏng oxit kim loại được gọi là titania khi hình dạng của nó bị giới hạn. Bằng việc hạn chế sự vận chuyển của các điện tử và ion trong một khoảng giới hạn có thể làm thay đổi các đặc tính của vật liệu và chuyển động của các phân tử qua nó.

Thí nghiệm với titania làm cho các electron giao thoa với nhau theo một kiểu duy nhất, làm tăng độ dẫn điện của oxit, hoặc mức độ nó dẫn điện. Tất cả điều này đã xảy ra ở cấp độ trung bình, một thang đo mà các nhà khoa học có thể nhìn thấy cả hiệu ứng lượng tử và chuyển động của các electron và phân tử.

Công trình này cung cấp cho các nhà khoa học cái nhìn sâu sắc hơn về cách các nguyên tử, electron và các hạt khác hoạt động ở cấp độ lượng tử. Những thông tin này có thể hỗ trợ trong việc thiết kế các vật liệu mới có thể xử lý thông tin và hữu ích trong các ứng dụng điện tử khác.

Tác giả chính Frank Barrows, một nghiên cứu sinh của Đại học Northwestern thuộc Bộ phận Khoa học Vật liệu (MSD) của Argonne, cho biết: “Điều thực sự làm nên sự khác biệt của công trình này là quy mô mà chúng tôi đã nghiên cứu. "Việc nghiên cứu ở giới hạn độc đáo này cho phép chúng tôi thấy những hiện tượng thực sự thú vị cho thấy có sự giao thoa đang xảy ra ở cấp độ lượng tử, đồng thời thu được thông tin mới về cách các điện tử và ion tương tác".

Thay đổi kết cấu hình học làm thay đổi tính chất vật liệu

Thông thường, khi một dòng điện được đặt vào một oxit như titania, các electron chạy qua vật liệu dưới dạng sóng đơn giản. Đồng thời, các ion - hoặc các hạt mang điện - cũng chuyển động xung quanh. Các quá trình này làm phát sinh các đặc tính vận chuyển điện tử của vật liệu, chẳng hạn như độ dẫn điện và điện trở, được khai thác trong thiết kế của các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo.

Thông thường, khi một dòng điện được đặt vào một oxit như titania, các electron chạy qua vật liệu dưới dạng sóng đơn giản.
Thông thường, khi một dòng điện được đặt vào một oxit như titania, các electron chạy qua vật liệu dưới dạng sóng đơn giản. (Ảnh minh họa: Pixabay)

Đồng tác giả Charudatta Phatak, một nhà khoa học vật liệu và trưởng nhóm tại Argonne's MSD, cho biết: “Những gì chúng tôi đã làm trong nghiên cứu của mình nhằm chứng minh giả thuyết có thể thay đổi tính chất vật liệu bằng cách giới hạn hình học hoặc hình dạng của tấm vật liệu”.

Để bắt đầu, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các tấm phim titania, sau đó khắc những lỗ tròn trên tấm vật liệu đó. Trong mô hình là các lỗ chỉ cách nhau 10 đến 20 nanomet. Việc thêm các lỗ tròn đã làm thay đổi thiết kế hình học đồng thời làm thay đổi chuyển động của các electron giống như cách ném đá vào một vùng nước làm thay đổi sóng truyền qua nó. Trong thí nghiệm với titania, các lỗ nhỏ gây ra các sóng điện tử giao thoa với nhau, làm cho oxit dẫn điện nhiều hơn.

Ông Phatak cho rằng: "Hình thái giao thoa về cơ bản được giữ ở vị trí của oxy hoặc các ion thường di chuyển trong các vật liệu như titania. Và chúng tôi thấy rằng việc giữ chúng tại chỗ là quan trọng và cần thiết để có được sự giao thoa mang tính xây dựng của các sóng đó".

Các nhà nghiên cứu đã khảo sát độ dẫn điện và các đặc tính khác bằng hai kỹ thuật: Quang ba chiều điện tử và quang phổ tổn thất năng lượng điện tử. Để đạt được mục tiêu đó, họ đã tận dụng các nguồn lực tại trung tâm vật liệu nano (CNM) của Argonne, một cơ sở nghiên cứu khoa học của DOE, để chế tạo các mẫu của họ và thực hiện một số phép đo.

Barrows cho biết: “Chúng tôi sẽ không thể nhìn thấy mô hình giao thoa độc đáo này nếu chúng tôi không thể tạo ra đủ các lỗ tròn trong một tấm vật liệu mẫu, một điều rất khó thực hiện”. "Chuyên môn và nguồn lực tại CNM và bộ phận khoa học vật liệu của Argonne cho thấy tầm quan trọng trong việc giúp chúng tôi quan sát đặc tính mới nổi này".

Các ứng dụng trong tương lai

Trong tương lai, nếu các nhà nghiên cứu có thể hiểu rõ hơn điều gì đã dẫn đến sự gia tăng độ dẫn điện, họ có thể tìm ra cách kiểm soát các đặc tính điện hoặc quang học và khai thác thông tin này để xử lý thông tin lượng tử. Thông tin chi tiết cũng có thể được sử dụng để mở rộng hiểu biết của chúng ta về các vật liệu có thể chuyển đổi điện trở. Điện trở đo lường mức độ một vật liệu chống lại sự di chuyển của các electron trong dòng điện.

Phatak cho rằng: “Vật liệu chuyển đổi điện trở được quan tâm vì chúng có thể là vật mang thông tin — trạng thái kháng điện có thể là 0 và trạng thái dẫn điện có thể là 1. Những gì chúng tôi đã làm có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về cách có thể kiểm soát các thuộc tính này bằng cách sử dụng các giới hạn hình học".

Khoa học Công nghệ


BÀI CHỌN LỌC

Giới hạn vận chuyển của các điện tử và ion có thể làm thay đổi đặc tính vật liệu, nghiên cứu