Tính chất điện của dây nano là do các electron quyết định

Hiệp Khách Quậy Các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa thu được những kiến thức mới quan trọng về cách thức các electron chuyển động trong các dây kim loại cỡ nano. Họ phát hiện thấy lực mà các electron đẩy các nguyên tử ra xung quanh trong những cấu trúc này mạnh hơn nhiều so với trước đây người ta vẫn nghĩ – kết quả có thể giúp... Xin mời đọc tiếp.

Các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa thu được những kiến thức mới quan trọng về cách thức các electron chuyển động trong các dây kim loại cỡ nano. Họ phát hiện thấy lực mà các electron đẩy các nguyên tử ra xung quanh trong những cấu trúc này mạnh hơn nhiều so với trước đây người ta vẫn nghĩ – kết quả có thể giúp cải tiến các bộ phận vi điện tử học thế hệ tiếp theo.

Khi các dụng cụ điện tử ngày càng trở nên nhỏ hơn, các nhà nghiên cứu cần phải hiểu rõ hơn cách thức dòng điện ảnh hưởng đến cấu trúc nguyên tử của những mạch điện nhỏ xíu. Đặc biệt, sự di trú electron của các nguyên tử trong một dây nano có thể làm thay đổi các tính chất điện tử của nó – hoặc thậm chí làm cho nó không hoạt động. Trên phương diện tích cực, chuyển động này của các nguyên tử có thể dùng để lắp ghép các cấu trúc dạng hộp.

Ellen Williams và các đồng nghiệp tại trường Đại học Maryland bắt đầu nghiên cứu của họ bằng cách tạo ra nhiều loại cấu trúc nano khác nhau, thí dụ như những hòn đảo và “bậc thang” (gồm 100 đến 100.000 nguyên tử), ở trên những sợi dây bạc rất mỏng, bề ngang 2 đến 50 nm. Sau đó, các nhà nghiên cứu sử dụng một kính hiển vi quét chui hầm để quan sát xem những cấu trúc đó chuyển động hoặc thay đổi hình dạng như thế nào khi một dòng điện chạy qua dây. “Thật bất ngờ - khi chúng tôi đổi hướng của dòng điện, chúng tôi nhận thấy chúng tôi có thể làm cho các cấu trúc chuyển động tới lui”, William nói.

alt

Giản đồ cơ cấu thí nghiệm: Đầu nhọn kính hiển vi quét chui hầm (màu nâu) theo dõi chuyển động của các nguyên tử trong một cấu trúc (màu xanh nhạt) trên một sợi dây nhỏ xíu. Ảnh: Science.

Mạnh hơn 20 lần

Đội Maryland cho biết lực mà các hạt mang điện (trong trường hợp này là các electron) đẩy các nguyên tử ra xung quanh trong những cấu trúc như vậy mạnh hơn nhiều – lên tới 20 lần – so với trước đây người ta nghĩ. Theo các nhà nghiên cứu trên, “lực di trú điện” mạnh này có thể dùng để làm di chuyển các nguyên tử một cách có chủ ý ra xung quanh trong những bộ phận vi điện tử học – cái có thể hỗ trợ sự tự lắp ráp các dây nano, chẳng hạn, để tạo ra những dụng cụ có thể xoay vòng qua những cấu trúc khác nhau dưới một dòng điện xoay chiều. Nó còn có thể dùng để di chuyển các cỗ máy nano trong tương lai.

Và chưa hết: đội khoa học còn nhận thấy lực di trú điện có thể giảm đi nhiều lần bằng cách thêm vào một cấu trúc (hay khiếm khuyết) rút electron, thí dụ như C60, dọc theo các rìa bậc đơn nguyên tử.

Những con đường khác nhau mà các electron có thể chuyển động qua một dây nano có thể mô tả bằng mức độ dễ dàng mà các electron di chuyển, hoặc truyền đi, qua cấu trúc trên, Williams giải thích. Đa số các cấu trúc nguyên tử cho phép các electron chuyển động qua một cách dễ dàng nhưng các khiếm khuyết làm chậm đi chuyển động electron. Điều này mang lại một “điện trở suất lưỡng cực” cục bộ, nghĩa là các vị trí khiếm khuyết có một điện trở cục bộ và điện trường cục bộ rất khác với điện trường trong phần còn lại của vật liệu. “Điểm mấu chốt là cấu trúc nguyên tử đặc biệt của các khiếm khuyết gây ra sự truyền đi yếu ớt của các electron (hay sự tán xạ mạnh)”.

Graphene là mục tiêu tiếp theo

Đội của Williams hiện có kế hoạch nghiên cứu những hiệu ứng tương tự trong các cấu trúc nano trên graphene (những tấm carbon chỉ dày một nguyên tử). “Nhóm chúng tôi đang chế tạo những cấu trúc khiếm khuyết của graphene và cho lắng những lượng nhỏ nguyên tử tán xạ lên trên chất liệu carbon ấy”, Williams tiết lộ. “Sử dụng các kĩ thuật hiển vi mạnh của chúng tôi, chúng tôi hi vọng sẽ trông thấy những hiệu ứng có thể so sánh của chuyển động nguyên tử và điện trở cục bộ khi graphene mang điện”.

Các kết quả của nghiên cứu này cuối cùng có thể đưa đến những phương pháp mới khảo sát những tính chất điện tử độc nhất vô nhị của graphene.

Công trình công bố trên tạp chí Science 328 737.

Theo physicsworld.com

Mời đọc thêm