Hạn chế lớn nhất là hoạt tính của hạt tải điện, hay còn gọi là tốc độ của electron có thể di chuyển qua các chất bán dẫn. Những chất bán dẫn 2D mang khuyết điểm chậm chạp trong lĩnh vực này, do đó, đã làm giảm khả năng cải tiến và ứng dụng trong thế giới thực.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas ở quận Austin, bang Texas, Mỹ đã phát hiện ra hơn 10 loại vật liệu khác nhau cho chất bán dẫn 2D có thể cho phép các electron di chuyển nhanh chóng hơn, mở ra cơ hội cho bước đột phá về khả năng của ngành điện tử.

Yuanyue Liu, trợ lý giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí Walker của Trường Kỹ thuật Cockrell và Viện vật liệu Texas, người đứng đầu dự án cho biết: Nếu có thể thay thế silicon bằng chất bán dẫn 2D, thiết bị sẽ hoạt động nhanh hơn nhưng tiêu thụ ít năng lượng hơn đáng kể. Nghiên cứu gần đây đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Sự khác biệt cơ bản giữa chất bán dẫn dựa trên silicon truyền thống và chất bán dẫn 2D là cấu trúc hình học của chúng. Chất bán dẫn 2D mỏng hơn chất bán dẫn làm từ silicon nhiều lần, chúng chỉ có cấu tạo một vài lớp nguyên tử. Đặc tính này mang nhiều ý nghĩa khi các nhà nghiên cứu đang nỗ lực triển khai chất bán dẫn trở nên nhỏ hơn. 

Tính nhỏ gọn của chất bán dẫn 2D cũng là điểm yếu. Các electron được sắp xếp trong không gian nhỏ, không thể di chuyển tự do. Các nguồn tán xạ có thể dễ dàng đánh bật chúng hơn trong những cấu trúc không gian nhỏ hơn. Đó là lý do tại sao hoạt tính của hạt tải điện nói chung khá kém ở chất bán dẫn 2D, cản trở việc cải thiện năng lượng và hiệu quả.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu phát hiện 14 vật liệu ngoại lệ. Các đặc tính độc đáo ở những vật liệu này làm cho các electron trở nên trong suốt hơn, khiến chúng về cơ bản trở nên vô hình đối với sự tán xạ và cho phép các electron tiếp tục chuyển động.

Để tìm ra những vật liệu này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng cơ sở dữ liệu về nguyên vật liệu hiện có và danh sách kiểm tra các đặc điểm để họ đưa ra giả thuyết sẽ giúp cải thiện hoạt tính. Sau đó, họ sử dụng một phương pháp cơ học lượng tử để tính toán chính xác độ linh động của hạt tải điện trong vật liệu.

Trợ lý Liu cho biết, việc tìm kiếm chất bán dẫn 2D có hoạt tính tốt khá khó khăn, và cần hợp tác với các nhà nghiên cứu và nghiên cứu chế tạo vật liệu để kiểm tra và xác minh phát hiện của họ. Mặc dù Liu tin vào những phát hiện này, nhưng ông dự báo, chúng vẫn mang lý thuyết nhiều và sẽ cần được kiểm chứng bằng thử nghiệm trong thế giới thực.

Hải Hà