Nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học Hồng Kông dẫn đầu đã sáng tạo phương pháp sản xuất vật liệu nano bán dẫn cho các cảm biến linh hoạt, áp dụng trên các bề mặt cong của đối tượng cần giám sát.
Nhóm nghiên cứu quốc tế do các nhà khoa học Hồng Kông dẫn đầu đã phát triển một phương pháp sản xuất vật liệu nano bán dẫn mới, có thể chế tạo thành những cảm biến linh hoạt, áp dụng trên bề mặt cong, cho phép giám sát trạng thái an toàn của những cấu trúc cơ sở hạ tầng, phát triển các thiết bị kết nối Internet vạn vật (IoT) và thiết bị điện tử mang đeo linh hoạt.
Trang Bưu điện Hoa Nam buổi sáng, dẫn báo cáo khoa học của Nhóm nghiên cứu quốc tế cho biết, lưới nano bán dẫn được hình thành từ một mạng lưới dây nano, được sản xuất ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với những chất bán dẫn hiện có, có thể phát triển trên những loại vật liệu phổ thông như nhựa và giấy, cho phép giảm đáng kể chi phí sản xuất thiết bị.
Nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà khoa học từ Đại học Thành phố Hồng Kông (CityU), Viện Quang học, Cơ học và Vật lý Trường Xuân thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Trung Quốc, Đại học Trịnh Châu, Đại học Công nghệ Bắc Kinh và Đại học Kyushu ở Nhật Bản đã công bố phát minh này trên tạp chí Nature Communications.
Linh kiện bán dẫn là những thiết bị, phát triển trên vật liệu silicon, được tạo thành từ hàng trăm triệu, trong một số trường hợp là hàng tỷ, bóng bán dẫn, hoạt động như những "công tắc" siêu nhỏ điều khiển chuyển động của các electron tạo thành tín hiệu điện.
Nhóm nghiên cứu của CityU (từ trái sang): TS Alex Wong Chun-yuen, GS Johnny Ho Chung-yin và TS Meng You. Ảnh: Handout
Một bóng bán dẫn dẫn điện trong một số điều kiện nhất định và không dẫn diện trong những điều kiện khác, khiến bóng bán dẫn trở thành công cụ điều khiển dòng điện hiệu quả cao. Hầu hết các linh kiện bán dẫn trên thế giới, thường được gọi là mạch tích hợp hoặc vi mạch, được chế tạo từ những nguyên tố tinh khiết như silicon chiết xuất từ cát.
Trong nghiên cứu gần đây, các nhà khoa học đã sử dụng Tellurium, một vật chất bán dẫn mới. Đây là nguyên tố bán kim loại, có thể được điều khiển để hoạt động như một kim loại hoặc bán dẫn. Vật chất này cũng có thể được trộn với các kim loại khác để tạo thành hợp kim.
Tác giả chính của công trình nghiên cứu Johnny Ho Chung-yin, GS khoa Khoa học và Kỹ thuật vật liệu tại CityU cho biết, phân tử tellurium có cấu trúc độc đáo, được tạo thành từ những chuỗi nguyên tử xoắn ốc, liên kết bởi lực van der Waals (lực tương tác giữa các nguyên tử và phân tử).
Lực tương tác này cho phép những mắt lưới nano Tellurium tự hàn gắn và phát triển trên các bề mặt cứng, linh hoạt hoặc cong. Quá trình tự hàn gắn làm tăng hiệu suất và độ bền cơ học của những thiết bị điện.
GS Ho giải thích: "Nhờ tác động của lực tương tác van der Waals, chúng tôi có thể phát triển lưới nano bán dẫn trên bất kỳ chất nền nào mà không phải lo lắng về những khuyết tật trong vật liệu, có thể phát sinh do được cấy trên những chất nền không phù hợp."
Để tạo ra lưới nano, trước tiên, nhóm nghiên cứu làm bay hơi bột tellurium, sau đó lắng đọng trên vật liệu cơ bản như oxit silic, polymer (nhựa co giãn mềm) hoặc giấy. Trên vật liệu này, tellurium được nung nóng ở 100 độ C (212 độ F) và phát triển thành mạng lưới. Nhiệt độ thấp hơn nhiều so với yêu cầu 600 đến 700 độ bằng các phương pháp thông thường.
Sơ đồ minh họa về sự phát triển lưới nano Tellurium ở nhiệt độ thấp trên các bề mặt tùy ý. Ảnh Nature Communications.
Theo nhóm nghiên cứu, vật liệu lưới nano bán dẫn tellurium có thể được sử dụng cho những ứng dụng trong mạng Internet vạn vật “Internet of Things” (IoT), mạng lưới các đối tượng vật lý, được nhúng các cảm biến, phần mềm và những công nghệ khác để thu thập và chia sẻ dữ liệu.
Cảm biến quang hồng ngoại lưới nano tellurium giá rẻ, được chế tạo trên giấy. Ảnh: TS Meng You, Đại học Thành phố Hồng Kông.
GS Ho nói: "Bằng phương pháp chế tạo lưới bán dẫn nano tellurium, những cảm biến giờ đây có thể được chế tạo trên các loại vật liệu linh hoạt, cho phép kết gắn trên những bề mặt cong như các bộ phận của cây cầu. Chúng tôi có thể triển khai hàng loạt cảm biến với số lượng cần thiết theo nhu cầu do thiết bị có thể được sản xuất với chi phí thấp, sử dụng để đo áp lực mà cây cầu có thể chịu được cũng như những tình trạng kỹ thuật khác như quá tải hoặc rung lắc quá giới hạn cho phép, giúp nhanh chóng cảnh báo nhân viên đến những khu vực cần phải sửa chữa và áp dụng các biện pháp đảm bảo an toàn."
Theo ông, dữ liệu thu thập được từ các cảm biến có thể được phân tích thời gian thực để phản ánh tình trạng an toàn của những cấu trúc cơ sở hạ tầng, thường xuyên chịu áp lực hoặc tình trạng của các phương tiện giao thông trong quá trình hoạt động như máy bay, xe vận tải hạng nặng.
Lưới nano tellurium cũng có thể được sử dụng để chế tạo thành cảm biến mảng pha cho camera nhìn đêm phát xạ ánh sáng hồng ngoại. Những cảm biến lưới nano tellurium này sẽ thu nhận những chùm tia sáng hồng ngoại phản xạ từ các vật thể, xử lý thành tín hiệu điện cung cấp hình ảnh nhìn thấy được.
Alex Wong Chun-yuen, PGS hóa học tại CityU, đồng dẫn đầu nghiên cứu cho biết, dự án liên ngành được bắt đầu khi GS Ho, cộng tác viên lâu năm của ông trong lĩnh vực khoa học vật liệu, đưa ra vấn đề mà ông nhận thấy có khả năng giải quyết được bằng giải pháp hóa học. Ông nói thêm:
"Là nhà hóa học, chúng tôi nghiên cứu những đặc tính của các nguyên tố và có khả năng điều khiển những điều kiện phản ứng của vật liệu cơ bản". Ông cũng lưu ý, nhóm nhà hóa học tổng hợp của ông đã phát triển những điều kiện, giúp đảm bảo quá trình sản xuất có thể được mở rộng trên quy mô công nghiệp.
Nhóm nhà khoa học thông báo sẽ tiếp tục nghiên cứu các loại vật liệu nano và đang thử nghiệm chế tạo những hợp kim thông minh, kết hợp kim loại với tellurium.