Trong nhiều thập kỷ, việc thu nhỏ liên tục các linh kiện điện tử đã thúc đẩy công nghệ nhanh hơn, hiệu quả hơn. Giờ đây, các kỹ sư kỳ vọng vật liệu 2D – những lớp mỏng chỉ dày bằng một nguyên tử – sẽ mở ra khả năng kiểm soát chưa từng có ở quy mô siêu nhỏ.

Tuy nhiên, nghiên cứu mới từ Đại học Công nghệ Vienna (TU Wien) cho thấy nhiều vật liệu này có thể không hoạt động như kỳ vọng. Vấn đề không chỉ nằm ở bản thân vật liệu, mà còn ở cách chúng tương tác với lớp cách điện. Khi vật liệu 2D kết hợp với lớp cách điện, một khoảng trống nguyên tử hình thành, làm giảm đáng kể hiệu suất. Việc xác định vật liệu nào tránh được hiện tượng này có thể giúp ngành bán dẫn tránh những khoản đầu tư sai lầm trị giá hàng tỷ USD.

Giáo sư Mahdi Pourfath giải thích: “Một vật liệu 2D đơn lẻ không thể tạo thành thiết bị điện tử. Chúng ta cần thêm lớp cách điện – thường là oxide. Và đây chính là nơi mọi thứ trở nên phức tạp.”

Trong transistor, lớp bán dẫn (có thể là vật liệu 2D) được điều khiển bởi điện cực cổng, nhưng phải tách biệt bằng lớp cách điện siêu mỏng. Phân tích ở cấp độ nguyên tử cho thấy trong nhiều trường hợp, liên kết giữa vật liệu 2D và lớp cách điện rất yếu, chỉ được giữ bằng lực van der Waals. Kết quả là luôn tồn tại một khoảng trống cực nhỏ – khoảng 0,14 nanomet, mỏng hơn cả một nguyên tử lưu huỳnh – nhưng đủ để hạn chế khả năng thu nhỏ thiết bị.

Để vượt qua rào cản này, các nhà nghiên cứu đề xuất sử dụng “zipper materials” – vật liệu có khả năng liên kết chặt chẽ giữa lớp bán dẫn và lớp cách điện, loại bỏ khoảng trống.

Giáo sư Tibor Grasser nhấn mạnh: “Nếu chỉ tập trung vào vật liệu 2D mà bỏ qua lớp cách điện, ngành bán dẫn có nguy cơ đầu tư hàng tỷ USD vào hướng đi không thể thành công vì giới hạn vật lý cơ bản.”