MỸ – Các khách hàng khi chọn mua một chiếc tivi mới có lẽ đều sẽ chú ý đến thuật ngữ OLED (viết tắt của ‘organic light-emitting diode’, nghĩa là ‘đi-ốt phát quang hữu cơ’). Khác với các chất bán dẫn vô cơ truyền thống, màn hình OLED sử dụng các lớp bán dẫn hữu cơ mỏng dựa trên chất liệu carbon để phát sáng, mang lại chất lượng hình ảnh vượt trội, thời gian phản hồi nhanh hơn và thiết kế mỏng hơn. Chính tính linh hoạt này đã mở ra tiềm năng cho các loại thiết bị thế hệ mới.

Các vật liệu tạo nên tính linh hoạt đó có cấu trúc hóa học khác biệt hoàn toàn với silicon và các chất bán dẫn vô cơ hiệu suất cao khác. Đặc tính này cho phép vật liệu được in trên nhiều loại bề mặt khác nhau, có thể uốn cong hoặc kéo giãn, và được sản xuất ở nhiệt độ thấp hơn, những khả năng mà các lựa chọn thay thế vô cơ không thể thực hiện được.

Tại phòng thí nghiệm thuộc đại học Oregon State (Oregon State university), nhà vật lý Oksana Ostroverkhova đã nghiên cứu các chất bán dẫn hữu cơ tương tự. Bà đi sâu vào việc tìm hiểu cách ánh sáng tương tác với những vật liệu này và cách tận dụng các tương tác đó để tạo ra các thiết bị quang điện tử và quang tử mới.

Công trình của bà Ostroverkhova không chỉ dừng lại ở chất bán dẫn mà còn mở rộng sang các hợp chất hữu cơ gốc carbon, bao gồm cả sắc tố từ nấm (pigment) (1) có khả năng uốn cong, dẫn truyền ánh sáng hoặc thay đổi màu sắc khi có dòng điện tác động. Bên cạnh đó, bà cũng thúc đẩy lĩnh vực điện tử học spin (spintronics) (2), một phương pháp tiếp cận mới giúp truyền dẫn thông tin thông qua sóng spin thay vì dòng điện thông thường.
(1) Pigment: Nấm tạo ra sắc tố như một cơ chế bảo vệ để chống lại tia cực tím (UV), nhiệt độ khắc nghiệt hoặc các loài vi khuẩn khác. Các sắc tố này thường có cấu trúc hóa học dựa trên carbon (hữu cơ), giúp chúng có khả năng dẫn điện hoặc tương tác với ánh sáng.
(2) Spintronics (spin electronics): là một lĩnh vực công nghệ nano và vật lý học, sử dụng spin (mô-men động lượng riêng hay độ xoay) của electron. Electron như một nam châm cực nhỏ với hai trạng thái: “xoay lên” (spin-up) hoặc “xoay xuống” (spin-down). Các hướng xoay của electron truyền tín hiệu cho nhau tạo thành sóng spin. Thông tin được mã hóa dựa trên hướng xoay này.

Từ tivi đến cell quang điện, những công nghệ mà bà đang nghiên cứu vốn đã hiện diện trong đời sống hàng ngày.

Bà Ostroverkhova chia sẻ: “Nếu chúng ta có thể khiến vật liệu bán dẫn trở nên bền vững, giá thành thấp và có thể mặc hoặc đeo được trên người, đó sẽ là một lợi thế lớn. Hiện tại, hiệu suất của các phân tử hữu cơ vẫn chưa bằng silicon và độ ổn định cũng chưa cao bằng. Chúng tôi muốn tìm hiểu cách để chúng hoạt động tốt hơn và cải thiện hiệu năng của chúng. Chúng sẽ không thay thế hoàn toàn silicon ở mọi lĩnh vực, nhưng nhóm nghiên cứu muốn tìm ra phân khúc phù hợp nhất cho chúng.”

Việc tập trung vào nhu cầu đặc thù của từng sản phẩm cụ thể sẽ giúp xác định rõ hơn những lĩnh vực mà các phiên bản hữu cơ có thể phát huy tối đa ưu thế.

Bà Ostroverkhova nói rằng: “Ví dụ với các cảm biến dùng một lần. Các khách hàng sẽ không muốn dùng một cảm biến silicon đắt tiền chỉ để biết liệu sữa có còn dùng được hay không. Nhóm nghiên cứu cũng đang hướng tới các loại đồ chơi, trò chơi điện tử và những sản phẩm khác vốn không yêu cầu hiệu suất cao như silicon.”

Bên cạnh đó, nhóm của bà Ostroverkhova đang nghiên cứu cách các vật liệu hữu cơ có thể bổ trợ, thay vì cạnh tranh trực tiếp với các phiên bản truyền thống. Bà nói tiếp: “Liệu chúng ta có thể phủ một lớp gốc carbon lên cell quang điện silicon để tăng cường hiệu suất của nó không?”

Những lợi thế của vật liệu hữu cơ có thể trở nên đặc biệt ý nghĩa khi xét đến yếu tố bền vững. Mặc dù các chất bán dẫn hữu cơ không tạo ra nhiều chất độc hại trong quá trình xử lý, chúng vẫn đang được tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Do đó, bà Ostroverkhova đang cùng các cộng sự tìm kiếm một giải pháp thay thế hoàn toàn tự nhiên.

Hội chợ ‘Future farmers: silicon forest’ diễn ra tại trung tâm PRAx (thuộc đại học Oregon State), một mảnh gỗ mục được ‘nhuộm màu’ bởi nấm. Sắc tố tự nhiên xylindein từ nấm tiết ra khi chúng sinh trưởng trên gỗ, cho thấy tiềm năng trở thành vật liệu bán dẫn.

Hợp tác với các nhà nghiên cứu từ các trường lâm nghiệp và kỹ thuật, đội ngũ của bà Ostroverkhova đang tìm hiểu các sắc tố như xylindein, một hợp chất màu xanh lam – xanh lá do các loài nấm ăn gỗ tạo ra. Độ bền của nó là một yếu tố hấp dẫn, bởi các nghệ sĩ đã sử dụng loại sắc tố này trong hàng trăm năm qua.

Bà Ostroverkhova nói rằng: “Nếu một thứ gì đó có thể tồn tại hơn 500 năm mà không bị phân hủy bởi ánh sáng hay nhiệt độ, tôi muốn biết lý do tại sao”.

Thông qua nghiên cứu, nhóm đã phát hiện ra rằng loại nấm này phát triển các cấu trúc dạng sợi và có độ linh hoạt rất cao. Nhờ khả năng uốn cong, các mạng lưới sợi này có thể đóng vai trò như các ống dẫn quang, những cấu trúc điều hướng dòng chảy của ánh sáng.

Các sắc tố này cũng có thể phản ứng linh hoạt với các tín hiệu điện. Bà Ostroverkhova chia sẻ: “Có thể đưa điện áp vào một số sắc tố này và chúng sẽ thay đổi màu sắc. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đang cân nhắc những ứng dụng mà đặc tính này hữu ích.”

Bên cạnh việc nghiên cứu xem các chất bán dẫn hiệu suất cao nên được chế tạo từ đâu, bà Ostroverkhova cũng đang tư duy lại về cách thức vận hành của chúng.

Nhờ sự hỗ trợ từ quỹ hạt giống nghiên cứu và đổi mới (Seed grant) của trường khoa học, bà hiện là thành viên của một nhóm nghiên cứu đa ngành bao gồm các nhà vật lý, hóa học, toán học và kỹ sư. Nhóm cùng hợp tác về điện tử học spin, một phương pháp tiếp cận mới trong tính toán, sử dụng các magnon (hay các cụm sóng spin siêu nhỏ) thay vì điện tích để truyền tải thông tin. Trong các chất bán dẫn truyền thống, thông tin được xử lý bằng cách di chuyển các electron qua vật liệu, quá trình này tạo ra nhiệt khi điện trở tăng lên. Điện tử spin áp dụng một cơ chế hoàn toàn khác biệt: thay vì dịch chuyển điện tích, nó truyền dẫn thông tin thông qua các sóng xoay chiều của electron (spin).

Để thực hiện điều đó, các nhà nghiên cứu đang dựa vào một loại vật liệu mới được gọi là chất bán dẫn từ tính hai chiều (2D). Đây là những vật liệu siêu mỏng có khả năng vừa hỗ trợ các hành vi điện tử, vừa duy trì được trật tự từ tính.

Vì các magnon không tạo ra nhiệt điện trở, chúng mở ra con đường dẫn đến các công nghệ nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Tuy nhiên, để biến điều đó thành hiện thực, trước tiên các nhà khoa học cần hiểu cách các sóng này di chuyển qua vật liệu và cách kiểm soát chúng. Việc kết hợp các nam châm 2D này với các phân tử hữu cơ có thể là một trong những điểm quan trọng để điều chỉnh sự lan truyền của sóng spin. Nhóm nghiên cứu sẽ sử dụng hệ thống siêu máy tính mới tại trung tâm đổi mới sáng tạo Huang (Huang collaborative innovation center) để mô phỏng sóng spin với độ chính xác cao.

Bà Ostroverkhova cẩn trọng cầm một mẫu vật được sử dụng để nghiên cứu các đặc tính quang học của vật liệu tiên tiến

Thắp sáng con đường tới tương lai
Nhìn về phía trước, bà Ostroverkhova hình dung về một thế giới nơi các công nghệ dựa trên ánh sáng được tích hợp vào môi trường sống hàng ngày theo những cách khó có thể tưởng tượng ở thời điểm hiện tại.

Bà Ostroverkhova nói rằng: “Chúng ta sẽ có những bức tường nguyên khối hoạt động như một màn hình hiển thị và sử dụng cảm ứng. Thậm chí là các màn hình với hình ảnh ba chiều (holographic) (1) 3D, nơi tạo ra một hình ảnh 3D có khả năng tái ghi (rewritable) (2).”
(1) Holographic: kỹ thuật tạo ra các hình ảnh ba chiều (hologram) lơ lửng trong không gian mà không cần sử dụng các loại màn hình phẳng truyền thống.
(2) Rewritable: Hiện tại, các ảnh hologram chất lượng cao là “tĩnh” (như tem chống giả trên thẻ tín dụng), một khi đã in ra thì không thể thay đổi được. Trong tương lai, hình ảnh có thể được xóa đi và ghi đè bằng hình ảnh mới ngay lập tức, giống như cách màn hình máy tính thay đổi điểm ảnh liên tục.

Dù những điều này nghe có vẻ xa vời, bà Ostroverkhova nhấn mạnh rằng những tiến bộ này đều bắt nguồn từ các nghiên cứu cơ bản, loại nghiên cứu thường ít được chú ý tới. Bà Ostroverkhova nói tiếp: “Mọi người đã quá quen thuộc với công nghệ đến mức họ không nghĩ về việc tất cả những thứ này đến từ đâu. Thực tế, chúng đều xuất phát từ các phòng thí nghiệm, nơi đang thực hiện những nghiên cứu chuyên sâu trong lĩnh vực này.”

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

 

Nguồn: Electronics Online