MỸ – Các nhà nghiên cứu tại đại học Rice (Rice university), trong quá trình nghiên cứu một nhóm vật liệu bán dẫn siêu mỏng bằng nguyên tử được gọi là “transition metal dichalcogenide” (TMD) (*), đã phát hiện ra rằng ánh sáng có thể kích hoạt sự thay đổi vật lý trong mạng tinh thể của chúng. Khám phá này mở ra một phương thức linh hoạt để điều chỉnh đặc tính và hành vi của vật liệu.
(*) Transition metal dichalcogenide (TMD): là một họ vật liệu bán dẫn có cấu trúc phân lớp cực mỏng (vật liệu 2D), tương tự như graphene nhưng sở hữu những đặc tính quang – điện vượt trội mà graphene không có. Vật liệu TMD có công thức chung là MX2, trong đó: M (kim loại chuyển tiếp) thường là molybdenum (Mo), tungsten (W), titanium (Ti), … X (nguyên tố chalcogen) là lưu huỳnh (S), selen (Se), hoặc tellur (Te).

Hiệu ứng được quan sát trên một biến thể của nhóm vật liệu bán dẫn TMD có tên là Janus (đặt theo tên vị thần hai mặt trong thần thoại La Mã). Phát hiện này hứa hẹn sẽ thúc đẩy các công nghệ sử dụng ánh sáng thay vì điện năng, từ các chip máy tính tốc độ cao, tỏa nhiệt thấp cho đến các cảm biến siêu nhạy và các thiết bị quang điện tử linh hoạt.

Tiến sĩ Kunyan Zhang, cựu sinh viên tại đại học Rice và là đồng tác giả của nghiên cứu, chia sẻ: “Trong lĩnh vực quang học phi tuyến (nonlinear optics) (*), ánh sáng có thể được tái cấu trúc để tạo ra màu sắc mới, các xung nhịp nhanh hơn hoặc các công tắc quang học (optical switch) bật/ tắt tín hiệu. Các vật liệu hai chiều với độ dày chỉ vài nguyên tử cho phép chúng ta chế tạo những công cụ quang học này ở quy mô rất nhỏ”.
(*) Quang học phi tuyến: là lĩnh vực nghiên cứu các hiện tượng quang học xảy ra khi ánh sáng cường độ cao, thường là ánh sáng laser, làm cho phản ứng của vật liệu không còn tỷ lệ tuyến tính với cường độ ánh sáng tới. Trong điều kiện này, các electron trong vật chất dao động theo các phi điều hòa, dẫn đến việc xuất hiện những hiện tượng mới mà quang học tuyến tính không thể giải thích.

Nhóm vật liệu bán dẫn TMD là các tinh thể dạng lớp được cấu tạo từ một kim loại chuyển tiếp (như molybdenum) và hai lớp nguyên tố chalcogen (như lưu huỳnh hoặc selen). Sự kết hợp giữa khả năng dẫn điện, hấp thụ ánh sáng và độ bền cơ học đã làm cho nhóm vật liệu bán dẫn TMD trở thành một trong những loại vật liệu đa năng nhất cho các thiết bị điện tử và quang điện tử thế hệ tiếp theo.

Trong nhóm vật liệu bán dẫn TMD, vật liệu Janus nổi bật nhờ tính bất đối xứng. Loại vật liệu này có hai mặt khác nhau: các lớp nguyên tử ở mặt trên và mặt dưới được tạo thành từ các loại hóa chất khác nhau. Sự khác biệt này gây ra sự mất cân bằng bên trong, hình thành nên độ cực điện (electrical polarity) (*) trong tinh thể, khiến nó nhạy cảm với ánh sáng và các lực tác động từ bên ngoài.
(*) Độ cực điện: là sự phân biệt rõ ràng giữa hai điểm về mặt điện tích, một bên là cực dương (+) và một bên là cực âm (-).

Cô Zhang nói tiếp: “Nghiên cứu của chúng tôi tìm hiểu cách cấu trúc của vật liệu Janus ảnh hưởng đến hành vi quang học của chúng và cách ánh sáng có thể tạo ra một lực tác động lên chính vật liệu đó”.

Sử dụng ánh sáng laser có màu sắc khác nhau, nhóm nghiên cứu đã phân tích cách vật liệu Janus hai lớp (gồm molybdenum sulfur selenide xếp chồng lên molybdenum disulfide) chuyển đổi ánh sáng thông qua hiện tượng sóng hài bậc hai (second harmonic generation – SHG) (*). Trong quy trình này, vật liệu phát ra ánh sáng có tần số gấp đôi tần số của chùm sáng đầu vào. Kết quả cho thấy khi ánh sáng đầu vào tương thích với tần số cộng hưởng tự nhiên của vật liệu, mô hình ánh sáng gấp đôi tần số bị biến dạng. Đây là tín hiệu cho thấy các nguyên tử bên trong vật liệu đang bị dịch chuyển vị trí dưới tác động của ánh sáng.
(*) Hiện tượng sóng hài bậc hai: hay ‘tần số bậc hai’, là một hiện tượng quang học phi tuyến. Trong quang học thông thường (tuyến tính), ánh sáng đi qua vật liệu mà không thay đổi màu sắc (tần số). Nhưng trong quy trình SHG, khi cường độ ánh sáng đủ mạnh (thường là tia laser), vật liệu sẽ tương tác với ánh sáng theo cách phi tuyến. Hình dung một cách đơn giản: khi chiếu một tia sáng màu đỏ vào vật liệu, và vật liệu đó phát ra một tia sáng màu xanh lá cây (có năng lượng gấp đôi). 

Cô Zhang nói rằng: “Chúng tôi phát hiện ra rằng khi chiếu sáng vào các hợp chất Janus molybdenum sulfur selenide và molybdenum disulfide, một lực định hướng siêu nhỏ sẽ được tạo ra bên trong vật liệu. Tác động này được thể hiện rõ nét thông qua sự thay đổi trong mô hình sóng hài bậc hai (SHG). Thông thường, tín hiệu SHG tạo thành hình bông hoa sáu cánh, phản ánh tính đối xứng hoàn hảo của tinh thể. Nhưng khi ánh sáng tác động lực đẩy lên các nguyên tử, tính đối xứng này bị phá vỡ, khiến các cánh hoa trong mô hình SHG co lại không đều.”

Nhóm nghiên cứu đã xác định nguyên nhân gây ra sự biến dạng là do hiện tượng quang giật (optostriction), một quy trình mà chính trường điện từ của ánh sáng tạo ra lực đẩy cơ học lên các nguyên tử. Trong vật liệu Janus, lực đẩy đó được khuếch đại nhờ sự liên kết mạnh mẽ giữa các lớp nguyên tử. Điều này cho phép ngay cả những tác động nhỏ nhất cũng có thể tạo ra sự biến dạng có thể đo lường được.

Cô Zhang nói thêm: “Vật liệu Janus lý tưởng cho nghiên cứu này vì cấu trúc không đồng đều của chúng tạo ra sự liên kết mạnh mẽ giữa các lớp, khiến chúng nhạy cảm hơn với các lực cực nhỏ của ánh sáng, những lực nhỏ đến mức khó có thể đo lường trực tiếp, nhưng chúng tôi có thể phát hiện ra chúng thông qua những thay đổi trong mô hình SHG”.

Độ nhạy vượt trội này mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn vượt xa phạm vi phòng thí nghiệm. Các linh kiện chuyển mạch hoặc dẫn hướng ánh sáng dựa trên nguyên lý này có thể giúp các chip quang học hoạt động nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn, vì mạch quang học tỏa nhiệt ít hơn so với các thiết bị điện tử truyền thống. Đồng thời khả năng phản hồi này có thể được khai thác để tạo ra các cảm biến chính xác cao, có khả năng phát hiện những rung động hoặc thay đổi áp suất nhỏ nhất, hoặc các nguồn sáng có thể điều chỉnh được cho màn hình và thiết bị chẩn đoán hình ảnh tiên tiến.

Bà Shengxi Huang, Phó giáo sư kỹ thuật điện và máy tính, khoa học vật liệu và kỹ thuật nano tại đại học Rice, đồng thời là tác giả chính của dự án nghiên cứu, chia sẻ: “Khả năng điều khiển chủ động như vậy sẽ hỗ trợ thiết kế các chip quang tử thế hệ mới, các máy dò siêu nhạy hoặc các nguồn sáng lượng tử, những công nghệ sử dụng ánh sáng để truyền tải và xử lý thông tin thay vì dựa vào điện năng.”

Bằng cách chứng minh sự mất cân bằng cấu trúc nội tại của vật liệu Janus đã mở ra những phương thức mới để điều khiển dòng chảy của ánh sáng, nghiên cứu này nhấn mạnh cách những đặc điểm cấu trúc siêu nhỏ có thể khai phá tiềm năng công nghệ to lớn.

Để xem các tin bài khác về “Bán dẫn”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online