Phương pháp hình ảnh mới cho thấy cách ranh giới điện cực nhỏ xíu di chuyển trong vật liệu thế hệ mới

Hình ảnh mô phỏng một đầu nhọn của cần rung trong kính hiển vi lực nguyên tử quét bề mặt vật liệu để đo chuyển động của vách đômen, tăng cường hiểu biết về các tính chất động của vách. (Ảnh: Stephen Jesse, ORNL).

Khi nhu cầu về điện toán tiêu thụ nhiều năng lượng ngày càng tăng, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) thuộc Bộ Năng lượng đã phát triển một kỹ thuật mới cho phép các nhà khoa học quan sát cách các giao diện di chuyển trong các vật liệu đầy hứa hẹn cho điện toán và các ứng dụng khác với độ chi tiết chưa từng có. Phương pháp này, hiện đã có sẵn cho người dùng tại Trung tâm Khoa học vật liệu Nanophase tại ORNL, có thể giúp thiết kế các công nghệ tiết kiệm năng lượng hơn đáng kể.

Các trung tâm dữ liệu ngày nay tiêu thụ lượng năng lượng tương đương với các thành phố nhỏ, và mức tiêu thụ này đang tăng vọt. Để chống lại xu hướng này, các nhà khoa học đang nghiên cứu các vật liệu đặc biệt như ferroelectric có thể lưu trữ và xử lý thông tin hiệu quả hơn nhiều so với silicon, vật liệu được sử dụng theo truyền thống. Nhưng việc hiện thực hóa tiềm năng này phụ thuộc vào việc hiểu các quá trình xảy ra ở kích thước nhỏ hơn hàng nghìn lần so với sợi tóc người – cụ thể là tại các vách đômen của vật liệu ferroelectric, là ranh giới giữa các vùng vật liệu có các tính chất từ hoặc điện khác nhau.

Neus Domingo của ORNL cho biết: “Các vách đômen có thể có các tính chất hoàn toàn khác biệt so với các đômen lân cận mà chúng phân tách. Một số có thể dẫn điện – mặc dù vật liệu khối không dẫn điện – trong khi những đômen khác thể hiện hành vi từ tính mặc dù vật liệu xung quanh không có từ tính. Những khác biệt này rất quan trọng vì chúng có thể cho phép chúng ta sử dụng chúng làm các thành phần nano điện tử mới để lưu trữ và xử lý tín hiệu ở quy mô nhỏ nhất, điều này rất quan trọng để phát triển các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp thế hệ tiếp theo như chip nhớ và cảm biến”.

Các nhà nghiên cứu đã công bố một kỹ thuật mới ghi lại các hình ảnh chi tiết về cách các vách đômen di chuyển dưới tác động của các điện trường dao động nhanh chóng. Như được mô tả trên tạp chí Small Methods, kỹ thuật này, được gọi là kính hiển vi lực phản ứng áp điện dao động quét, cho thấy cả các chuyển động chậm và đột ngột ở các ranh giới này, cung cấp những hiểu biết mới về quản lý năng lượng ở quy mô cực kỳ nhỏ.

Việc hiểu và kiểm soát hành vi của các vách đômen như vậy mà không có kỹ thuật mới này giống như cố gắng huấn luyện một trận bóng bầu dục chỉ với hai bức ảnh tĩnh: một bức ảnh cho thấy tiền vệ xếp hàng trước khi phát bóng, và một bức ảnh chụp khoảnh khắc sau khi pha bóng kết thúc. Nếu không biết các sự kiện ở giữa, sẽ khó khăn hơn nhiều để biết liệu đó là một pha chạy hay chuyền, những cầu thủ nào là quan trọng hoặc nỗ lực nào đã dẫn đến kết quả. Việc cải thiện cách đội chơi đòi hỏi phải có khả năng nhìn thấy toàn bộ diễn biến.

Stephen Jesse của ORNL cho biết: “Phương pháp này tạo ra các hình ảnh trực quan động cho phép các nhà khoa học quan sát cách các vách đômen di chuyển và ước tính tốt hơn lượng năng lượng cần thiết để dịch chuyển chúng. Nó biến một bức ảnh tĩnh thành một chuỗi hình ảnh sống động, mang tính giải thích. Sử dụng các thiết bị điện tử điều khiển và đo lường có thời gian chính xác, chúng tôi có thể nhanh chóng và có hệ thống thay đổi trạng thái của vật liệu ferroelectric và theo dõi cách các thay đổi diễn ra theo thời gian. Cho đến nay, mức độ chi tiết này chưa đạt được bằng kính hiển vi lực nguyên tử, và phương pháp này có thể được điều chỉnh để sử dụng trong kính hiển vi điện tử và các thiết bị tiên tiến khác”.

Kỹ thuật này ghi lại cả chuyển động nhỏ, lặp đi lặp lại của các vách đômen khi chúng phản ứng với những thay đổi trong môi trường của chúng – chẳng hạn như tín hiệu điện hoặc cơ học – và các chuyển động đột ngột, dừng và đi xảy ra khi các vách bị kẹt trong một thời gian ngắn và sau đó dịch chuyển đột ngột, giống như một cánh cửa bị kẹt trước khi mở ra.

Những kiểu chuyển động này, cả trơn tru và giật cục, tiết lộ cách phân cực ferroelectric được điều chỉnh bên trong vật liệu. Phân cực ferroelectric là sự sắp xếp tự nhiên của các điện tích trong một số vật liệu nhất định có thể bị thay đổi bởi một điện trường bên ngoài, và khả năng này rất quan trọng đối với các ứng dụng như lưu trữ bộ nhớ và cảm biến.

Các nhà nghiên cứu hướng tới việc tiếp tục tinh chỉnh kỹ thuật này để nghiên cứu các vật liệu khác và hợp tác với các đối tác trong ngành để khám phá các ứng dụng thương mại tiềm năng.

Cục TT,TK