Một bước tiến mới trong khoa học vật liệu đã được ghi nhận, khi các nhà nghiên cứu sử dụng hiện tượng gọi là gia nhiệt plasmon (plasmonic heating) để kiểm soát quá trình hình thành tinh thể chính xác hơn. Nhờ phương pháp này, các loại tinh thể vốn được dùng trong laser, đèn LED hay chất bán dẫn cho cảm biến thiên văn có thể sớm được “vẽ ra” thay vì “nuôi cấy”, giúp cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.
Nhóm nghiên cứu do Elad Harel thuộc Đại học Bang Michigan (Mỹ) dẫn đầu đã sử dụng tia laser để làm nóng một hạt nano vàng, từ đó kích hoạt quá trình hình thành tinh thể trong dung dịch perovskite halide chì. Bằng cách di chuyển hạt nano vàng này bằng laser, về lý thuyết, họ có thể “vẽ” các tinh thể chính xác ngay tại vị trí cần thiết trong linh kiện điện tử.
Trước nay, các tinh thể dùng trong thiết bị điện tử thường được tạo ra bằng nhiều phương pháp khác nhau như khuếch tán hơi, kết tinh từ dung dịch hay “nuôi cấy” từ một “mầm tinh thể”. Tuy nhiên, các kỹ thuật đó thiếu độ chính xác, khiến tinh thể phát triển ngẫu nhiên, sai vị trí hoặc không đạt hình dạng, kích thước mong muốn.
“Trong một thiết bị, đôi khi ta chỉ cần một lượng tinh thể rất nhỏ đặt tại những vị trí cực kỳ cụ thể,” Harel nói với Space.com.
Phương pháp mới của ông dựa trên hiện tượng gia nhiệt plasmon, cho phép kiểm soát tốt hơn quá trình kết tinh. Trong thí nghiệm, nhóm nghiên cứu chiếu laser có bước sóng 660 nanomet vào hạt nano vàng trong buồng phản ứng chứa dung dịch perovskite halide chì trên nền thủy tinh borosilicate – nơi tinh thể sẽ được “vẽ” lên.
Hạt nano vàng cực kỳ nhỏ, chỉ bằng khoảng một phần nghìn độ dày của sợi tóc người, nên toàn bộ quy trình phải đạt độ chính xác tuyệt đối và được theo dõi theo thời gian thực bằng kính hiển vi tốc độ cao.
“Chúng tôi dùng hạt nano vàng vì chúng hoạt động như những bộ gia nhiệt siêu nhỏ,” Harel giải thích. “Khi tia laser chiếu đúng tần số, các electron trong vàng dao động và tạo ra nhiệt.”
Hiện tượng này làm dung dịch xung quanh kết tinh chính xác tại vị trí mong muốn.
Tinh thể perovskite halide chì vốn được đánh giá cao trong pin mặt trời và đèn LED, nhưng chúng không phải loại duy nhất được sử dụng trong điện tử. Ví dụ, cảm biến hồng ngoại của Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) dùng tinh thể silicon pha asen. Harel hy vọng kỹ thuật mới có thể mở rộng sang các loại tinh thể khác, dù hiện nó đặc biệt phù hợp với perovskite vì đặc tính “ngược” bất thường của chúng.
“Điểm đặc biệt là khi nhiệt độ tăng, độ hòa tan của chúng lại giảm, khiến tinh thể hình thành nhanh hơn,” ông nói. “Hầu hết vật liệu không có tính chất này — thường thì nhiệt độ cao làm tăng độ hòa tan.”
Ngoài ra, các electron dao động có thể không chỉ tạo nhiệt mà còn trực tiếp tham gia vào phản ứng hóa học hình thành tinh thể. “Chúng tôi cần thêm thời gian để kiểm chứng khả năng mở rộng sang các vật liệu khác, nhưng kết quả bước đầu rất hứa hẹn,” Harel cho biết.
Lợi ích của phương pháp này rất rõ ràng: nhanh hơn, rẻ hơn và chính xác hơn. Tinh thể là thành phần quan trọng trong vô số thiết bị — từ màn hình cảm ứng, cảm biến khói, tấm pin mặt trời, máy quét y tế đến các linh kiện quang điện tử và cảm biến ánh sáng.
“Đây là một phương pháp rất đơn giản, chỉ cần laser giá rẻ,” Harel nói thêm. “Nó giúp tiết kiệm đáng kể chi phí sản xuất vì ta có thể đặt tinh thể chính xác vào nơi cần thiết, đúng thời điểm.”
Vì tinh thể đóng vai trò thiết yếu trong cảm biến thiên văn, kỹ thuật “vẽ tinh thể” này thậm chí có thể giúp chế tạo các thiết bị không gian giá rẻ hơn trong tương lai.
Bước tiếp theo của nhóm là sử dụng nhiều tia laser ở các bước sóng khác nhau để “vẽ” các hoa văn tinh thể phức tạp hơn, rồi thử nghiệm trong các thiết bị thực tế nhằm kiểm tra hiệu suất và chi phí. “Đó là điều chúng tôi đang nghiên cứu ngay lúc này,” Harel nói.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí ACS Nano.
Elad Harel, Đại học Bang Michigan, bên hệ thống laser dùng để “vẽ” tinh thể. Ảnh: Paul Henderson
