Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) và Đại học George Washington đã công bố những phát hiện đột phá vào tháng 9 năm 2025, được đăng trên tạp chí Science. Nghiên cứu này đã xác nhận một hiện tượng quan trọng: các nguyên tử trong vật liệu bán dẫn có thể tự sắp xếp thành các mẫu cục bộ được gọi là trật tự tầm ngắn (SRO). Sự sắp xếp có trật tự này có ảnh hưởng sâu sắc đến các đặc tính điện tử của vật liệu.
Nghiên cứu tập trung vào các hợp kim germanium-tin (GeSn), một loại vật liệu đầy hứa hẹn cho các ứng dụng trong điện toán lượng tử và quang điện tử. Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua quét 4D (4D-STEM) tiên tiến, các nhà khoa học đã quan sát thấy các cấu trúc nguyên tử có thể nhận biết và lặp lại trong các mẫu GeSn, cung cấp bằng chứng thực nghiệm trực tiếp đầu tiên về sự tồn tại của SRO trong vật liệu bán dẫn.
Để giải mã các mẫu nguyên tử quan sát được, nhóm nghiên cứu đã hợp tác với nhóm của Tianshu Li tại Đại học George Washington. Các đồng nghiệp của Li đã phát triển một mô hình máy học phức tạp, có khả năng mô phỏng hàng triệu nguyên tử, cho phép các nhà nghiên cứu đối chiếu chính xác các họa tiết thực nghiệm với các cấu trúc nguyên tử cụ thể. Sự kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa và thực nghiệm này đã giúp hiểu rõ hơn về SRO trong hợp kim GeSn.
Những khám phá này mang ý nghĩa to lớn đối với việc phát triển các thiết bị vi điện tử trong tương lai. Bằng cách kiểm soát chính xác SRO, các nhà khoa học có thể điều chỉnh hiệu quả các đặc tính điện tử của chất bán dẫn, mở đường cho việc tạo ra các linh kiện điện tử hiệu quả và chuyên dụng hơn. Bước tiến này đánh dấu một bước quan trọng hướng tới thiết kế chất bán dẫn ở cấp độ nguyên tử, có tiềm năng tác động đến nhiều công nghệ, bao gồm vật liệu lượng tử, điện toán thần kinh và các bộ tách sóng quang học.
Nghiên cứu đã nhận được sự hỗ trợ từ Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Trung tâm Phân tử, một Cơ sở Người dùng của Văn phòng Khoa học DOE. Các phát hiện cũng đã được trình bày tại Hội nghị Thường niên MRS 2025 ở Seattle, Washington. Những cá nhân chủ chốt tham gia nghiên cứu bao gồm Anis Attiaoui, John Lentz, Lilian Vogl, Joseph C. Woicik, Jarod Meyer, Shunda Shen, Kunal Mukherjee, Tianshu Li, Andrew Minor và Paul McIntyre. Lilian Vogl, từng là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Berkeley Lab trong quá trình nghiên cứu, hiện là trưởng nhóm tại Viện Max Planck về Vật liệu Bền vững. Tianshu Li là giáo sư Kỹ thuật Dân dụng và Môi trường tại Đại học George Washington.
Việc hiểu và kiểm soát SRO trong vật liệu bán dẫn mở ra những khả năng mới trong việc tạo ra các thiết bị điện tử có hiệu suất cao hơn và các chức năng tiên tiến. Khả năng điều chỉnh cấu trúc nguyên tử ở quy mô nhỏ này cho phép các nhà khoa học và kỹ sư tinh chỉnh các đặc tính của vật liệu, dẫn đến những đổi mới trong các lĩnh vực như điện toán lượng tử và quang điện tử, nơi mà sự kiểm soát chính xác các tính chất điện tử là tối quan trọng.