Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm khoa học vật chất mới nổi RIKEN, Nhật Bản, cùng các cộng sự, đã phát triển một kỹ thuật mới để chế tạo thiết bị nano ba chiều (3D) từ vật liệu đơn tinh thể. Kỹ thuật này sử dụng thiết bị chùm ion hội tụ để tạo hình chính xác vật liệu ở quy mô cực nhỏ. Nghiên cứu của họ được trình bày chi tiết trên tạp chí Nature Nanotechnology.

Sử dụng phương pháp này, nhóm nghiên cứu đã tạo hình cấu trúc xoắn ốc, nhỏ, từ vật liệu từ tính topological làm từ coban, thiếc, lưu huỳnh (Co₃Sn₂S₂). Các thử nghiệm cho thấy, cấu trúc này hoạt động như diode có thể chuyển mạch, cho phép dòng điện truyền dễ dàng hơn theo một hướng so với hướng khác.

Theo nhóm nghiên cứu, việc tạo ra cấu trúc nano 3D phức tạp, có thể dẫn đến các thiết bị điện tử nhỏ hơn, nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Nhưng cho đến nay, rất ít phương pháp có thể tạo ra cấu trúc như vậy. Nhiều phương pháp trong số đó gặp hạn chế về vật liệu sử dụng và thường làm giảm chất lượng của thiết bị cuối cùng, hạn chế tác động thực tiễn của chúng.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học sử dụng chùm ion tập trung, có khả năng cắt vật liệu với độ chính xác dưới micromet để khắc phục các hạn chế này. Về nguyên tắc, kỹ thuật này cho phép tạo hình các thiết bị 3D từ hầu hết mọi vật liệu tinh thể. Quá trình này tương tự tạo hình truyền thống, với chùm ion cẩn thận loại bỏ vật liệu cho đến khi hình dạng mong muốn xuất hiện.

Để chứng minh khả năng của phương pháp này, các nhà nghiên cứu đã chế tạo các thiết bị nano hình xoắn ốc từ tinh thể từ tính Co₃Sn₂S₂. Dựa trên đặc tính của vật liệu, họ kỳ vọng hình dạng xoắn sẽ tạo ra hiệu ứng diode bất thường, được gọi là vận chuyển điện không đối xứng, phát sinh từ hình học bất đối xứng ở cấp độ nano.

Các thí nghiệm đã xác nhận ý tưởng này. Dòng điện truyền dễ dàng hơn theo một hướng so với hướng khác, và hiệu ứng này có thể đảo ngược bằng cách thay đổi từ tính hoặc chiều xoắn của cấu trúc xoắn ốc. Nhóm nghiên cứu cũng quan sát thấy sự tương tác ngược lại, trong đó các xung điện mạnh có thể đảo ngược từ tính của cấu trúc.

Theo Max Birch, tác giả chính của nghiên cứu, bằng cách coi hình học là nguồn phá vỡ tính đối xứng ngang bằng với các đặc tính vật liệu nội tại, chúng ta có thể tạo ra tính bất đối xứng của điện ở cấp độ thiết bị. Phương pháp tạo hình nano bằng chùm ion hội tụ của nhóm mở ra nhiều hướng nghiên cứu về cách sử dụng thiết bị hình học 3D để hiện thực hóa các chức năng điện tử mới.

Bằng cách nghiên cứu các hình xoắn ốc có kích thước khác nhau và thử nghiệm chúng ở nhiều dải nhiệt độ, các nhà khoa học tìm ra nguyên nhân của hiệu ứng này là do cách các electron tán xạ không đồng đều dọc theo các thành cong của thiết bị. Kết quả cho thấy, hình dạng vật lý của linh kiện có thể ảnh hưởng trực tiếp đến cách dòng điện di chuyển qua nó.

Phát hiện này gợi ý những cách thức mới để thiết kế các phần tử điện tử tiêu thụ điện năng thấp, bằng cách tự thiết kế hình học, với các ứng dụng tiềm năng trong các hệ thống bộ nhớ, logic và cảm biến trong tương lai. Diode đóng vai trò trung tâm trong điện tử hiện đại, như chuyển đổi AC/DC, xử lý tín hiệu và công nghệ LED.