Hai năm sau khi các nhà vật lí dự đoán rằng thiếc có thể hình thành một mạng lưới chỉ dày một nguyên tử, các nhà nghiên cứu cho biết họ đã tạo ra được nó. Màng mỏng thu được, gọi tên là stanene, được công bố trên tạp chí Nature Materials số ra ngày 3/8/2015. Nhưng các nhà nghiên cứu chưa có thể xác nhận vật liệu mới có các tính chất điện tử mới lạ như dự đoán khiến các nhà lí thuyết hào hứng hay không, ví dụ như việc nó có khả năng dẫn điện mà không sinh ra nhiệt hao phí.
Stanene (tên gọi từ gốc Latin stannum nghĩa là thiếc, cái mang lại cho nguyên tố kí hiệu hóa học Sn của nó) là họ hàng mới nhất của graphene, mạng lưới tổ ong của các nguyên tử carbon đã thúc đẩy hàng nghìn nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu 2D. Trong số đó có các tấm silicene, làm từ các nguyên tử silic; phosphorene, làm từ phospho; germanene, làm từ germanium; và những chồng tấm mỏng kết hợp các nguyên tố hóa học khác nhau.
Các nhà vật lí cho biết họ đã tạo ra được stanene – một lớp hai chiều của các nguyên tử thiếc (Sn). Nó tạo ra một cấu trúc tổ ong “oằn” trên chất nền bismuth telluride (giữa: nhìn từ trên xuống; phải: nhìn ngang). Ảnh chụp hiển vi chỉ cho thấy rìa trên của màng mỏng (trái).
Nhiều tấm vật liệu này là vật dẫn điện tuyệt vời, nhưng stanene – trên lí thuyết – là hết sức đặc biệt. Ở nhiệt độ phòng, các electron sẽ có thể chạy dọc theo rìa của mạng lưới mà không va chạm với các electron và nguyên tử khác như cái xảy ra trong đa số vật liệu. Điều này sẽ cho phép màng mỏng dẫn điện mà không hao phí năng lượng dưới dạng nhiệt, theo các dự đoán hồi năm 2013 của Shou-Cheng Zhang, một nhà vật lí tại Đại học Stanford, đồng tác giả của nghiên cứu mới trên.
Điều đó có nghĩa là một màng mỏng stanene có thể là xa lộ hoàn hảo để vận tải dòng trong các mạch điện, theo lời Peide Ye, một nhà vật lí và kĩ sư điện tại Đại học Purdue ở West Lafayette, Indiana. “Tôi luôn tìm kiếm cái gì đó không những hứng thú về mặt khoa học mà còn có tiềm năng ứng dụng trong một dụng cụ nào đó,” ông nói. “Đó là một công trình nghiên cứu hấp dẫn.”
Theo dự đoán thì stanene là một ví dụ của chất cách điện tô-pô học, trong đó các hạt mang điện (ví dụ như electron) không thể dịch chuyển qua vùng tâm vật liệu nhưng có thể chuyển động tự do dọc theo rìa của nó, với hướng dịch chuyển của chúng phụ thuộc vào một tính chất lượng tử gọi là spin của chúng – spin ‘hướng lên’ hoặc ‘hướng xuống’. Dòng điện không bị tiêu tán bởi vì đa số khuyết bẩn không ảnh hưởng đến spin và không thể làm chậm dòng electron, theo lời Zhang.
Nhưng ngay cả sau khi chế tạo được stanene, Zhang và các đồng sự tại bốn trường đại học ở Trung Quốc vẫn chưa có thể xác nhận nó có là một chất cách điện tô-pô học hay không. Các nhà thực nghiệm tại Thượng Hải đã chế tạo được mạng lưới bằng cách cho bay hơi thiếc trong chân không và cho phép các nguyên tử bám lên một chất nền làm từ bismuth telluride. Mặc dù bề mặt này cho phép các tinh thể stanene 2D hình thành, nhưng nó cũng tương tác với chúng, tạo ra các điều kiện sai lạc đối với một chất cách điện tô-pô học, theo lời Zhang. Ông còn là đồng tác giả của một bài báo khác khảo sát những bề mặt nào hoạt động tốt hơn.
Ralph Claessen, một nhà vật lí tại Đại học Würzburg ở Đức, cho biết rằng người ta chưa hoàn toàn chắc chắn liệu các nhà nghiên cứu đã tạo được stanene hay chưa. Lí thuyết dự đoán rằng mạng lưới thiếc 2D sẽ tạo ra một cấu trúc tổ ong cong oằn, với các nguyên tử xen kẽ gấp lên thành các gờ nhăn gấp nếp; Zhang và đội của ông chỉ chủ yếu nhìn thấy gờ trên của các nguyên tử thông qua kĩ thuật hiển vi quét chui hầm của họ, ngoại trừ trong một vùng nhỏ gờ nhăn đó biến mất và phơi ra lớp nguyên tử thiếc bên dưới. Tuy nhiên, họ cam đoan rằng họ đã tạo ra được một tổ ong cong oằn, một phần bởi vì khoảng cách giữa lớp trên và lớp dưới ăn khớp với các dự đoán.
Claessen cho biết ông phải nhìn thấy các phép đo trực tiếp của cấu trúc mạng – từ kĩ thuật nhiễu xạ tia X – thì mới dám chắc chắn rằng đội nghiên cứu đã tạo được stanene, chứ không phải một kiểu sắp xếp khác của thiếc. Yêu cầu này đòi hỏi lượng vật liệu lớn hơn so với mẩu mà Zhang và các đồng tác giả của ông đã nuôi cấy.
Yuanbo Zhang, một nhà vật lí tại Đại học Fudan ở Thượng Hải, Trung Quốc, người không có liên quan trong nghiên cứu trên, thì bị thuyết phục hơn. “Tôi nghĩ công trình nghiên cứu này là một đột phá đáng kể một lần nữa mở rộng thế giới vật liệu 2D,” ông nói. “Thật là hào hứng khi thấy vật liệu mới đáp ứng cái người ta trông đợi về nó.”
Guy Le Lay, một nhà vật lí tại Đại học Aix-Marseille ở Pháp, một trong những người đầu tiên tạo ra silicene lẫn germanene, bày tỏ sự lạc quan về nỗ lực xác thực các tính chất điện tử của stanene. “Nó tựa như việc đi lên Mặt Trăng,” ông nói. “Bước đầu tiên là bước đi thiết yếu.”
Nguồn: Nature 524, 18 (06/8/2015) doi:10.1038/nature.2015.18113
