MỸ – Một nhóm nghiên cứu do đại học Buffalo (university at Buffalo) dẫn đầu đã tìm ra giải pháp giúp các chất bán dẫn bất đối xứng (chiral semiconductor) (*) có thể hấp thụ được ánh sáng khả kiến (ánh sáng nhìn thấy bằng mắt thường).
(*) Chiral semiconductor: là loại vật liệu bán dẫn sở hữu cấu trúc hình học đặc biệt: chúng không thể chồng khít lên hình ảnh phản chiếu qua gương của chính mình. Đặc tính này hoàn toàn tương tự như đôi bàn tay của con người. Bàn tay trái và bàn tay phải của một người trông giống hệt nhau, nhưng khi bạn đặt lòng bàn tay này lên mu bàn tay kia, các ngón tay sẽ không bao giờ trùng khớp. Trong khoa học, hiện tượng này được gọi là tính bất đối xứng gương (chirality).

Bà Wanyi Nie, Phó Giáo sư vật lý, và ông Dave Tsai, trợ lý giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học, đang sử dụng kính hiển vi quang học tự chế để thăm dò các đặc tính bất đối xứng của tinh thể perovskite cấu trúc bất đối xứng.

Trong nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Communications, các nhà khoa học đã kết hợp hóa học một vật liệu bán dẫn bất đối xứng với một phân tử đối xứng vốn có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt hơn. Kết quả là sự ra đời của một hệ thống vật liệu mới: vừa có thể hấp thụ ánh sáng khả kiến, vừa có khả năng phân biệt giữa các sóng ánh sáng thuận tay trái và tay phải (*). Thành tựu này mở ra những tiềm năng mới cho các công nghệ quang điện tử tương lai.
(*) Thông thường, ánh sáng truyền đi theo đường thẳng và các sóng dao động lên xuống ngẫu nhiên. Nhưng bằng các bộ lọc đặc biệt (hoặc ngoài vũ trụ), có thể tạo ra ánh sáng phân cực tròn (circularly polarized light). Lúc này, sóng ánh sáng truyền đi giống như một mũi khoan đang xoay tròn:
– Nếu nó xoay theo chiều kim đồng hồ, khoa học gọi là ánh sáng thuận tay phải;
– Nếu nó xoay ngược chiều kim đồng hồ, gọi là ánh sáng thuận tay trái.

Tiến sĩ Wanyi Nie, Phó Giáo sư tại khoa vật lý thuộc đại học Buffalo và là tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ: “Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc chuyển giao đặc tính bất đối xứng sang một phân tử đối xứng. Vật liệu thu được vẫn giữ nguyên tính ‘handedness’ (là tính thuận tay, để phân biệt hướng xoắn của ánh sáng), yếu tố giúp chất bán dẫn bất đối xứng trở thành vật liệu nền tảng quan trọng cho các thiết bị điện tử thế hệ mới, đồng thời có thêm khả năng phản hồi với ánh sáng khả kiến.”

Nghiên cứu được tài trợ bởi quỹ khoa học quốc gia Mỹ (National science foundation), với sự hợp tác từ các đơn vị uy tín bao gồm phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos (Los Alamos national laboratory), phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (Brookhaven national laboratory), đại học California Berkeley (university of California Berkeley) và đại học quốc gia Đài Loan (national Taiwan university).

Lấy ý tưởng từ ADN
Các phân tử bất đối xứng có cấu trúc không thể chồng khít lên hình ảnh phản chiếu qua gương của chính chúng, tương tự như bàn tay trái và bàn tay phải. Nhiều phân tử sinh học có tính chất này và tồn tại ở dạng thuận tay trái hoặc tay phải; như ADN với cấu trúc xoắn kép nổi tiếng là một cấu trúc thuận tay phải. Điều cốt lõi là tính “thuận tay” này sẽ thay đổi cách chúng tương tác với các phân tử thuận tay trái hoặc tay phải khác.

Tương tự như vậy, một chất bán dẫn có cấu trúc tinh thể bất đối xứng có thể phân biệt giữa ánh sáng phân cực tròn hướng trái và hướng phải, hiểu đơn giản là các phiên bản “thuận tay trái” và “thuận tay phải” của sóng ánh sáng, và đưa ra phản hồi khác nhau đối với từng loại.

Tiến sĩ Dave (Hsinhan) Tsai, đồng tác giả và là trợ lý giáo sư tại khoa kỹ thuật hóa học và sinh học thuộc đại học Buffalo, chia sẻ: “Điều này cho phép phát hiện, xử lý và truyền tải thông tin bằng ánh sáng theo những phương thức phức tạp hơn. Nó mở ra tiềm năng ứng dụng lớn trong các cảm biến ánh sáng phân cực tiên tiến, hệ thống truyền thông quang học và quang xúc tác”.

Tuy nhiên, từ trước đến nay, ứng dụng của chất bán dẫn bất đối xứng vẫn bị hạn chế do phần lớn chúng không hấp thụ ánh sáng khả kiến một cách hiệu quả. Hiện tượng hấp thụ ánh sáng chỉ xảy ra khi các hạt photon có đủ năng lượng để kích thích các electron (điện tử) nhảy lên trạng thái năng lượng cao hơn. Trong khi đó, nhiều chất bán dẫn bất đối xứng lại có vùng cấm (bandgap) lớn, tức là khoảng năng lượng mà electron không thể tồn tại, cần một mức năng lượng cao hơn để electron có thể thực hiện cú nhảy đó.

Phó Giáo sư Nie nói rằng: “Ánh sáng khả kiến không mang đủ năng lượng để tương tác với các vật liệu bất đối xứng, vì vậy các vật liệu này chủ yếu chỉ hấp thụ tia cực tím (UV) vốn có mức năng lượng cao hơn”.

Tiến sĩ Tsai và Phó Giáo sư Nie đã kết hợp hóa học một vật liệu bán dẫn bất đối xứng với một phân tử đối xứng có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt hơn

Quá trình chuyển dịch điện tích giữa các chất liệu
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã kết hợp một chất bán dẫn bất đối xứng làm từ vật liệu perovskite với một phân tử chất kích tạp (dopant) (*), một hợp chất hữu cơ có tên F4TCNQ với đặc tính rất dễ nhận electron.
(*) Dopant: còn gọi là chất pha tạp, là một lượng nhỏ các nguyên tử ngoại lai được chủ động đưa vào bên trong cấu trúc tinh thể tinh khiết của một vật liệu bán dẫn nguyên bản (như silicon, germani, hay gần đây là perovskite).

Sau đó, họ chiếu ánh sáng khả kiến vào vật liệu này. Chất bán dẫn bất đối xứng đã phản hồi khác nhau đối với các sóng ánh sáng thuận tay trái và tay phải, khiến các electron di chuyển từ vật liệu nền bất đối xứng sang các trạng thái năng lượng cao hơn của phân tử chất kích tạp. Trạng thái chuyển dịch điện tích này chính là yếu tố chính kích hoạt khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến.

Phó Giáo sư Nie nói rằng: “Nguyên lý vật lý cốt lõi ở đây gắn liền với quá trình chuyển dịch electron, giúp truyền tính bất đối xứng từ vật liệu nền perovskite sang phân tử chất kích tạp đối xứng”.

Tiến sĩ Tsai nói thêm rằng sự hợp tác giữa hai phân tử này giống như trong môn bóng rổ: “Phân tử bất đối xứng đóng vai trò là hậu vệ, còn phân tử kích tạp là tiền đạo. Hậu vệ đọc tình huống trận đấu rồi chuyền bóng cho tiền đạo”.

Bước kế tiếp của nhóm nghiên cứu là đi sâu vào cơ chế vật lý giúp các đặc tính bất đối xứng của chất bán dẫn được chuyển giao sang phân tử kích tạp.

Phó Giáo sư Nie chia sẻ: “Nhóm nghiên cứu nhận thấy khả năng phân biệt ánh sáng thuận tay trái hay tay phải đang được truyền từ vật liệu này sang vật liệu khác, nhưng nhóm vẫn chưa hiểu hoàn toàn cách thức các electron mang thông tin đó đi qua, cũng như yếu tố nào đang chi phối quá trình này”.

Các đồng tác giả khác từ đại học Buffalo bao gồm cô Reshna Shrestha, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Phó Giáo sư Nie, và anh Cunyi Wei, cựu học viên cao học tại khoa kỹ thuật hóa học và sinh học.

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

 

Nguồn: Electronics Online