Giải thích được sự dẫn điện của lớp tiếp xúc của hai điện môi

Mang hai chất không dẫn điện lại tiếp xúc với nhau thì đúng ngay tại chỗ tiếp giáp của chúng xảy ra một điều thật bất ngờ: tại đúng nơi đó, sự dẫn điện là có thể.

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Nano MESA+ thuộc trường đại học Twente, Hà Lan, cùng với các đồng nghiệp ở Munich, Berkeley và Davis, cũng vừa chứng minh được rằng tại chỗ tiếp xúc này hai “đường dẫn” song song được tạo ra, cách nhau chỉ một nano mét. Đó không chỉ là một đột phá trong sự hiểu biết của chúng ta về hiện tượng trên, mà nó còn mở ra các khả năng cho những dạng mới của vi điện tử học. Các nhà nghiên cứu công bố kết quả của họ trên tờ Physical Review Letters.

alt

Cấu trúc nguyên tử xếp chồng của lanthanum oxide với một lớp strontium titanate phủ lên trên một chất nền strontium titanate (cấu trúc tinh thể từ trái sang phải, ở phía trên hình minh họa), thế năng nội trong lớp LAO mang lại sự phân bố lại điện tích. Các electron thu được trên lớp tiếp xúc để lại phía sau những lỗ trống ở cách nó chỉ một nano mét. Các electron (trái) và khe trống (phải) song song nhau góp phần tạo ra sự dẫn điện.

Các nhà nghiên cứu ở trường đại học Twente trước đây đã chứng minh được rằng hai oxide kim loại không dẫn điện có thể trở nên dẫn điện tại đúng nơi chúng tiếp xúc nhau, và các oxide kim loại phi từ tính ‘đột ngột’ trở nên có từ tính tại chỗ tiếp xúc của chúng, thí dụ như kết hợp strontium titanate và lanthanum aluminate. Khi hai oxide phức tạp này tiếp xúc nhau, những ion đa dạng có mặt ở cả hai lớp tiếp xúc tinh thể, tất cả đều mang điện tích riêng của chúng. Khi hai oxide đó tiếp nhau thì xảy ra sự sắp xếp lại của điện tích, gọi là sự tái cấu trúc điện từ.

Tại nơi các electron đông đúc hơn, những electron này giờ có thể dẫn điện. Đồng thời, các lỗ trống – các hạt mang điện dương – sẽ được tạo ra đâu đó trong cấu trúc, nơi các electron bị lấy mất. Những tính toán và thí nghiệm mới hiện nay cho biết những lỗ trống này thật sự tồn tại, và các lỗ trống và electron chuyển động song song với nhau, với một khoảng không gian chỉ một nanomet phân cách giữa chúng. Đây không chỉ là một bước đột phá trong việc tìm hiểu sự dẫn điện tại lớp tiếp xúc, mà nó còn mở ra lộ trình cho những ứng dụng mới cho đến nay không thể thực hiện trong ngành điện tử học bán dẫn hiện nay. Thí dụ, một khả năng hấp dẫn là sự tương tác cũng có thể xảy ra trong những lớp dẫn này với những hạt và trạng thái lượng mới.

Ngoài ra, cho đến nay vẫn giả thuyết rằng các oxide có bề dày nhất định là cần thiết để thu được hiệu ứng này. Tuy nhiên, nghiên cứu mới công bố cho thấy cơ thể trên xảy ra ngay cả với một bề dày bằng một ô đơn vị: chỉ một lớp tinh thể. Viện Công nghệ Nano MESA+ có những thiết bị độc đáo cho việc xây dựng những loại oxide này trên từng lớp nguyên tử một, và theo phương pháp này chế tạo các chất có một ngưỡng tính chất rộng đến bất ngờ.

Theo PhysOrg.com