Các nhà khoa học spa triệt “lông” cho các tinh thể nano để cải thiện tính chất điện tử của chúng

 

Đột phá của các nhà hóa học tại Đại học Chicago có thể tạo ra các thiết bị trong tương lai như màn hình và pin mặt trời thế hệ tiếp theo

 

Ngày nay, bạn có thể mang cả một chiếc máy tính trong túi vì các khối công nghệ ngày càng nhỏ hơn kể từ những năm 1950. Nhưng để tạo ra các thế hệ điện tử trong tương lai – chẳng hạn như điện thoại mạnh hơn, pin mặt trời hiệu quả hơn, hoặc thậm chí là máy tính lượng tử – các nhà khoa học sẽ cần phải đưa ra công nghệ hoàn toàn mới ở kích thước nhỏ nhất.

 

Một lĩnh vực được quan tâm là các tinh thể nano. Những tinh thể nhỏ bé này có thể tự lắp ráp thành nhiều cấu hình, nhưng các nhà khoa học vẫn đang gặp khó khăn trong việc tìm ra cách làm cho chúng “nói chuyện” với nhau.

 

Một nghiên cứu mới đưa ra một bước đột phá trong việc làm cho các tinh thể nano hoạt động cùng nhau bằng điện tử. Được công bố ngày 25 tháng 3 trên tạp chí Science, nghiên cứu này có thể mở ra cánh cửa cho các thiết bị trong tương lai với những khả năng mới.

 

“Chúng tôi gọi đây là những khối xây dựng siêu nguyên tử, bởi vì chúng có thể mang lại những khả năng mới – ví dụ như cho phép camera quan sát trong phạm vi hồng ngoại”. Giáo sư Dmitri Talapin, tác giả chính của bài báo cho biết. “Nhưng cho đến nay, việc lắp ráp chúng thành cấu trúc và “nói chuyện” với nhau là rất khó. Lần đầu tiên, chúng tôi không phải lựa chọn. Đây là một cải tiến mang tính biến đổi.”

 

Trong bài báo của mình, các nhà khoa học đưa ra các quy tắc thiết kế cho phép tạo ra nhiều loại vật liệu khác nhau, Josh Portner – Nghiên cứu sinh hóa học và là một trong những tác giả thứ nhất của nghiên cứu cho biết.

 

 

Một vấn đề nhỏ

 

Các nhà khoa học có thể phát triển các tinh thể nano từ nhiều vật liệu khác nhau: kim loại, chất bán dẫn và vật liệu từ tính, mỗi loại sẽ mang lại những đặc tính khác nhau. Nhưng rắc rối là bất cứ khi nào họ cố gắng tập hợp các tinh thể nano này lại với nhau thành mảng, các siêu tinh thể mới sẽ mọc lên với những “sợi lông” dài xung quanh chúng.

 

Những “sợi lông” này khiến các electron khó nhảy từ tinh thể nano này sang tinh thể nano khác. Electron là sứ giả của mạng truyền thông điện tử; khả năng di chuyển dễ dàng của chúng là một phần quan trọng của bất kỳ thiết bị điện tử nào.

 

Các nhà nghiên cứu cần một phương pháp để giảm các “sợi lông” xung quanh mỗi tinh thể nano, để họ có thể gói chúng chặt chẽ hơn và giảm khoảng cách ở giữa. “Khi những khoảng trống này nhỏ hơn chỉ bằng một hệ số ba, xác suất để các electron nhảy qua cao hơn khoảng một tỷ lần” đó là lời của Talapin, Giáo sư Xuất sắc Ernest DeWitt Burton trong Khoa Hóa học và Kỹ thuật Phân tử của Đại học Chicago và một nhà khoa học cấp cao tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne. “Nó thay đổi rất mạnh theo khoảng cách.”, họ nói.

 

Để triệt sạch “lông”, họ tìm cách tìm hiểu những gì đang diễn ra ở cấp độ nguyên tử. Để làm được điều này, họ cần sự trợ giúp của chùm tia X mạnh mẽ tại Trung tâm Vật liệu Kích thước nano tại Argonne và Nguồn bức xạ Synchrotron Stanford tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC, cũng như để làm các mô phỏng mạnh mẽ về mô hình hóa học và vật lý. Tất cả những điều này cho phép họ hiểu những gì đang xảy ra ở bề mặt — và tìm ra chìa khóa để khai thác cho hoạt động sản xuất của họ.

 

Một phần của quá trình phát triển siêu tinh thể được thực hiện trong dung dịch – nghĩa là ở thể lỏng. Hóa ra là khi các tinh thể lớn lên, chúng trải qua một sự biến đổi bất thường, trong đó các pha khí, lỏng và rắn đều cùng tồn tại. Bằng cách kiểm soát chính xác hóa học của giai đoạn đó, họ có thể tạo ra các tinh thể có bề ngoài cứng hơn, mỏng hơn và có thể được kết hợp với nhau chặt chẽ hơn nhiều. Portner cho biết: “Hiểu được hành vi chuyển pha của chúng là một bước tiến lớn đối với chúng tôi.

 

Toàn bộ các ứng dụng vẫn chưa rõ ràng, nhưng các nhà khoa học có thể nghĩ ra nhiều lĩnh vực mà kỹ thuật này có thể dẫn đầu. “Ví dụ, có thể mỗi tinh thể có thể là một qubit trong máy tính lượng tử; việc ghép các qubit thành mảng là một trong những thách thức cơ bản của công nghệ lượng tử hiện nay”, Talapin nói.

 

Portner cũng quan tâm đến việc khám phá trạng thái trung gian bất thường của vật chất được nhìn thấy trong quá trình phát triển siêu tinh thể: “Sự cùng tồn tại ba pha như thế này là rất hiếm đến mức thật hấp dẫn khi nghĩ về cách tận dụng lợi thế hóa học này để chế tạo vật liệu mới.”

 

Nghiên cứu này được đóng góp bởi các nhà khoa học của Đại học Chicago, Đại học Technische Dresden, Đại học Northwestern, Đại học Bang Arizona, SLAC, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley và Đại học California, Berkeley.

 

Nguyễn Tiến Dũng dịch

Nguồn: https://news.uchicago.edu/story/scientists-shave-hairs-nanocrystals-improve-their-electronic-properties

Tìm hiểu thêm thiết bị tán xạ tia X được dùng trong ứng dụng trên tại đây!

 

Công bố được đăng trên tạp chí: Igor Coropceanu et al, Self-assembly of nanocrystals into strongly electronically coupled all-inorganic supercrystals, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abm6753. www.science.org/doi/10.1126/science.abm6753