Một nhóm nghiên cứu quốc tế do Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah KAUST dẫn đầu đề xuất sử dụng các dạng công nghệ thiết bị điện tử màng mỏng mới nổi, phát triển trên những vật liệu bán dẫn thay thế như chất hữu cơ có thể in 3D, đồng vị nano carbon nano và oxit kim loại, có thể tạo ra mạng lưới vạn vật kết nối internet (IoT) bền vững hơn trong kinh tế và môi trường.

Báo cáo khoa học của nhóm được đăng trên tạp chí Nature Electronics.

IoT trong tương lai sẽ có những tác động lớn đến sự phát triển cuộc sống hàng ngày và nhiều ngành công nghiệp. IoT kết nối và tạo điều kiện trao đổi dữ liệu giữa vô số thiết bị thông minh có những chức năng, hình dạng và kích thước khác nhau như hệ thống an ninh gia đình điều khiển từ xa, ô tô tự lái trang bị cảm biến phát hiện biển báo giao thông và chướng ngại vật trên đường, hệ thống kiểm soát nhiệt độ thiết bị nhà máy và các mạng cảm biến, truyền thông khác trên nền tảng internet.

Trong thập kỷ này, siêu mạng IoT đang phát triển mạnh mẽ, được dự đoán sẽ kết nối hàng nghìn tỷ thiết bị, làm gia tăng với cấp số nhân số lượng những nút cảm biến được triển khai trên các nền tảng IoT.

Hiện nay, những phương pháp cung cấp năng lượng cho các nút cảm biến được sử dụng trên cơ sở công nghệ pin lưu trữ lithium-ion, đây là một thách thức trong sự phát triển IoT do pin cần được thay thế thường xuyên, có chi phí tốn kém và theo thời gian sẽ gây ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, công nghiệp khai thác và sản xuất lithium toàn cầu cho vật liệu pin hiện nay không theo kịp nhu cầu thiết bị cung cấp năng lượng ngày càng tăng do số lượng cảm biến phát triển nhanh chóng.

Các nút cảm biến được cung cấp năng lượng không dây sẽ giúp IoT đạt được sự phát triển bền vững bằng giải pháp thu năng lượng từ môi trường, sử dụng các thiết bị, được gọi là bộ thu năng lượng tế bào quang điện trong pin điện mặt trời và bộ thu năng lượng từ sóng vô tuyến (RF), một phần trong rất nhiều công nghệ thu năng lượng khác. Thiết bị điện tử diện tích lớn có thể là giải pháp then chốt khai thác nguồn năng lượng này, cung cấp cho các cảm biến và những bộ phận khác.

TS Kalaivanan Loganathan, cựu sinh viên KAUST, phối hợp với GS Thomas Anthopoulos ở KAUST và các nhà khoa học đồng nghiệp đã nghiên cứu đánh giá nhiều công nghệ điện tử diện rộng khác nhau, tiềm năng của những công nghệ này trong khả năng chế tạo các cảm biến IoT chạy bằng năng lượng không dây từ sóng vô tuyến, thân thiện với môi trường.

Các thiết bị điện tử diện tích lớn hiện nay có thể có tiềm năng là giải pháp thay thế hấp dẫn cho những công nghệ trên cơ sở silicon thông thường nhờ những tiến bộ lớn trong quá trình xử lý trên cơ sở những giải pháp, giúp in 3D các chi tiết và mạch in dễ dàng hơn trên những chất nền diện tích lớn, linh hoạt và dẻo dai.

Các bản mạch điện tử in 3D có thể được chế tạo ở nhiệt độ thấp, trên các chất nền phân hủy sinh học như giấy, khiến các thiết bị điện tử thân thiện với môi trường hơn so với những chất nền, phát triển trên cơ sở silicon.

Trong những năm qua, nhóm của GS Anthopoulos phát triển nhiều loại linh kiện điện tử thu năng lượng từ sóng vô tuyến (RF), bao gồm các thiết bị bán dẫn trên cơ sở hợp chất oxit kim loại và polyme hữu cơ, được gọi là đi-ốt Schottky. TS Loganathan nói: “Những thiết bị này là thành phần quan trọng trong bộ phận thu năng lượng không dây, quyết định hiệu suất và chi phí của những nút cảm biến.

Những đóng góp quan trọng của nhóm nghiên cứu KAUST là các phương pháp có thể mở rộng để sản xuất công nghiệp đi-ốt RF, thu năng lượng từ sóng vô tuyến đạt đến dải tần số 5G/6G. GS Anthopoulos cho biết: “Những công nghệ này cung cấp các khối xây dựng cần thiết, hướng tới một phương pháp bền vững, cung cấp năng lượng cho hàng tỷ nút cảm biến trong tương lai gần”.

Nhóm nhà khoa học đang nghiên cứu sự tích hợp đóng gói của những thiết bị năng lượng thấp này với ăng-ten và cảm biến, chứng minh trên thực tế tiềm năng ứng dụng của linh kiện điện tử RF, TS Loganathan cho biết thêm.