Các kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) vừa phát triển một kỹ thuật đột phá để tạo ra và bóc tách các lớp "da" điện tử siêu mỏng, mở đường cho các thiết bị điện tử thế hệ mới như kính nhìn đêm nhẹ hơn và lái xe tự động trong điều kiện sương mù.
Phương pháp này cho phép chế tạo một lớp màng mỏng từ vật liệu pyroelectric - một loại vật liệu cảm biến nhiệt tạo ra dòng điện khi nhiệt độ thay đổi. Điều đáng chú ý là, màng pyroelectric càng mỏng thì khả năng cảm nhận các biến đổi nhiệt nhỏ càng tốt. Với kỹ thuật mới, nhóm nghiên cứu đã tạo ra màng pyroelectric mỏng nhất từ trước đến nay, chỉ 10 nm và chứng minh rằng nó có độ nhạy cao với nhiệt và bức xạ trong quang phổ hồng ngoại xa.
Màng mới này có thể giúp tạo ra các thiết bị cảm biến hồng ngoại xa nhẹ hơn, dễ mang theo và chính xác cao hơn, với các ứng dụng tiềm năng trong kính nhìn đêm và lái xe tự động khi có sương mù. Các cảm biến hồng ngoại xa hiện tại thường đòi hỏi các bộ phận làm mát cồng kềnh. Ngược lại, màng pyroelectric mới không cần làm mát và nhạy cảm với những thay đổi nhiệt độ nhỏ hơn nhiều. Các nhà nghiên cứu đang tìm cách tích hợp màng này vào kính nhìn đêm nhẹ hơn và có độ chính xác cao hơn.
Xinyuan Zhang, một sinh viên sau đại học tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu (DMSE) của MIT cho biết: "Màng này giảm đáng kể trọng lượng và chi phí, làm cho nó nhẹ, di động và dễ tích hợp hơn. Ví dụ, nó có thể được đeo trực tiếp trên tròng kính".
Màng cảm biến nhiệt này cũng có thể có ứng dụng trong cảm biến môi trường và sinh học, cũng như chụp ảnh các hiện tượng thiên văn phát ra bức xạ hồng ngoại xa.
Hơn nữa, kỹ thuật bóc tách mới này có thể được áp dụng cho nhiều loại vật liệu khác ngoài vật liệu pyroelectric. Các nhà nghiên cứu có kế hoạch sử dụng phương pháp này để tạo ra các màng bán dẫn siêu mỏng, hiệu suất cao khác.
Nhóm nghiên cứu của Jeehwan Kim tại MIT đang tìm kiếm những phương pháp mới để tạo ra các thiết bị điện tử nhỏ hơn, mỏng hơn và linh hoạt hơn. Họ hình dung rằng những "lớp da" điện toán siêu mỏng này có thể được tích hợp vào mọi thứ, từ kính áp tròng thông minh và vải cảm biến đeo được đến pin mặt trời co giãn và màn hình uốn cong. Để hiện thực hóa điều này, Kim và các đồng nghiệp đã thử nghiệm các phương pháp để phát triển, bóc tách và xếp chồng các phần tử bán dẫn, nhằm chế tạo các màng mỏng điện tử đa chức năng, siêu mỏng.
Một phương pháp mà Kim tiên phong là "epitaxy từ xa" - một kỹ thuật trong đó các vật liệu bán dẫn được phát triển trên một chất nền đơn tinh thể, với một lớp graphene siêu mỏng ở giữa. Cấu trúc tinh thể của chất nền đóng vai trò là một khung giàn để vật liệu mới có thể phát triển trên đó. Graphene hoạt động như một lớp chống dính, tương tự như Teflon, giúp các nhà nghiên cứu dễ dàng bóc lớp màng mới và chuyển nó lên các thiết bị điện tử linh hoạt và xếp chồng. Sau khi bóc lớp màng mới, chất nền bên dưới có thể được tái sử dụng để tạo ra các màng mỏng khác.
Kim đã áp dụng công nghệ epitaxy từ xa để chế tạo các màng mỏng với các đặc tính khác nhau. Trong quá trình thử nghiệm các kết hợp khác nhau của các nguyên tố bán dẫn, các nhà nghiên cứu tình cờ nhận thấy rằng một loại vật liệu pyroelectric nhất định, gọi là PMN-PT, không cần lớp trung gian để tách khỏi chất nền của nó. Chỉ bằng cách phát triển PMN-PT trực tiếp trên một chất nền đơn tinh thể, các nhà nghiên cứu sau đó có thể loại bỏ lớp màng đã phát triển mà không bị rách hay hỏng cấu trúc tinh thể mỏng manh của nó.
"Nó hoạt động tốt một cách đáng ngạc nhiên. Chúng tôi thấy rằng lớp màng đã bóc ra thì nhẵn ở cấp độ nguyên tử", Zhang cho biết.
Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu tại MIT và Đại học Wisconsin-Madison đã xem xét kỹ hơn quá trình này và phát hiện ra rằng chì là chìa khóa cho đặc tính dễ bóc của vật liệu. Nhóm nghiên cứu, cùng với các đồng nghiệp tại Viện Bách khoa Rensselaer đã phát hiện ra rằng màng pyroelectric chứa một sự sắp xếp trật tự của các nguyên tử chì có "ái lực điện tử" lớn, nghĩa là chì hút các điện tử và ngăn các hạt mang điện tích di chuyển và kết nối với các vật liệu khác, chẳng hạn như chất nền bên dưới. Chì hoạt động như các đơn vị chống dính nhỏ, cho phép toàn bộ vật liệu bóc ra một cách hoàn hảo.
Nhóm nghiên cứu đã tận dụng phát hiện này và chế tạo nhiều màng PMN-PT siêu mỏng, mỗi màng dày khoảng 10 nm. Họ đã bóc các màng pyroelectric và chuyển chúng lên một con chip nhỏ để tạo thành một mảng gồm 100 điểm ảnh cảm biến nhiệt siêu mỏng, mỗi điểm ảnh rộng khoảng 60 micron vuông (khoảng 0,006 cm2). Họ đã thử nghiệm các màng này với những thay đổi nhiệt độ ngày càng nhỏ và nhận thấy các điểm ảnh có độ nhạy cao với những thay đổi nhỏ trên toàn bộ quang phổ hồng ngoại xa.
Độ nhạy của màng pyroelectric tương đương với các thiết bị nhìn đêm hiện đại. Các thiết bị này hiện dựa trên vật liệu quang điện, trong đó sự thay đổi nhiệt độ khiến các điện tử của vật liệu nhảy lên mức năng lượng cao hơn và tạm thời vượt qua một "bandgap", trước khi trở lại trạng thái cơ bản của chúng. Bước nhảy điện tử này đóng vai trò là tín hiệu điện về sự thay đổi nhiệt độ. Tuy nhiên, tín hiệu này có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ môi trường, và để ngăn chặn những ảnh hưởng như vậy, các bộ quang điện phải bao gồm các thiết bị làm mát để hạ nhiệt độ xuống nhiệt độ nitơ lỏng.
Kính nhìn đêm và ống nhòm hiện tại rất nặng và cồng kềnh. Với phương pháp dựa trên pyroelectric mới của nhóm nghiên cứu, các thiết bị nhìn đêm (NVD) có thể có cùng độ nhạy mà không cần trọng lượng của hệ thống làm mát.
Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy rằng các màng này nhạy cảm vượt ra ngoài phạm vi của các thiết bị nhìn đêm hiện tại và có thể phản ứng với các bước sóng trên toàn bộ quang phổ hồng ngoại. Điều này cho thấy rằng các màng này có thể được tích hợp vào các thiết bị nhỏ, nhẹ và di động cho nhiều ứng dụng khác nhau đòi hỏi các vùng hồng ngoại khác nhau. Ví dụ, khi được tích hợp vào các nền tảng xe tự lái, các màng này có thể cho phép ô tô "nhìn thấy" người đi bộ và các phương tiện khác trong bóng tối hoàn toàn hoặc trong điều kiện sương mù và mưa.
Màng này cũng có thể được sử dụng trong cảm biến khí để theo dõi môi trường theo thời gian thực và tại chỗ, giúp phát hiện các chất ô nhiễm. Trong điện tử, chúng có thể theo dõi những thay đổi nhiệt trong chip bán dẫn để phát hiện sớm các dấu hiệu của các bộ phận bị lỗi.
Nhóm nghiên cứu cho biết phương pháp bóc tách mới này có thể được tổng quát hóa cho các vật liệu có thể không chứa chì. Trong những trường hợp đó, các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng họ có thể truyền các nguyên tử chì giống như Teflon vào chất nền bên dưới để tạo ra hiệu ứng bóc tách tương tự. Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang tích cực làm việc để tích hợp màng pyroelectric vào một hệ thống nhìn đêm hoạt động được.