Ảnh chụp qua kính hiển vi điện tử quét cho thấy màng mỏng kẽm oxide và các dây nano. Thanh tỉ lệ xích ở phía dưới bên trái dài 1 µm. (Ảnh: Nature Nanotechnology/Jianlin Liu)
Từ việc đọc đĩa DVD cho đến tinh lọc nước uống, các laser bán dẫn đã có nhiều ứng dụng đa dạng trong công nghệ hiện đại. Nay, chúng có thể còn tìm thấy sự ứng dụng rộng rãi hơn nữa nhờ các nhà nghiên cứu ở Mĩ, họ vừa phát triển một loại dụng cụ mới có thể dành cho những laser tử ngoại nhỏ hơn, mạnh hơn và rẻ tiền hơn. Công nghệ trên có thể dẫn tới một loại CD có khả năng lưu trữ đến sáu giờ âm nhạc, hoặc thậm chí có thể mang lại một phương pháp mới để khảo sát các đơn tế bào sinh vật.
Lượng thông tin lưu trữ trên một đĩa CD phụ thuộc vào các rãnh dược khắc mịn như thế nào. Nhưng các rãnh trên một đĩa CD không thể quá mịn, nếu không laser sẽ không được đọc chúng. Kích cỡ tối thiểu này được gọi là giới hạn nhiễu xạ và nó bằng khoảng một nửa bước sóng của ánh sáng laser.
Thách thức miền tử ngoại
Để nhồi nhét nhiều dữ liệu hơn vào những rãnh càng mịn hơn, những thế hệ công nghệ kế tiếp nhau đã sử dụng những laser có bước sóng ngày một ngắn hơn. Máy hát audio CD sử dụng laser 780 nm (hồng ngoại gần), còn máy hát DVD sử dụng laser ánh sáng đỏ 657 nm, và thiết bị Bluray sử dụng ánh sáng tím 405 nm. Bước hiển nhiên tiếp theo là laser tử ngoại, nhưng việc tạo ra một dụng cụ thích hợp vẫn còn là thách thức.
Mỗi laser bán dẫn có một lớp tiếp xúc p-n: với vùng n chứa electron tự do và vùng p chứa những “lỗ trống” mang điện dương. Khi có điện áp đặt vào, các electron và lỗ trống chuyển động về phía nhau và kết hợp lại, tạo thành ánh sáng. Bước sóng của ánh sáng đó phụ thuộc vào loại chất bán dẫn, với gallium nitride trước đây được xem là ứng cử viên sáng giá nhất của laser tử ngoại. Tuy nhiên, gallium nitride không tạo ra một laser hiệu quả ở nhiệt độ phòng vì có quá nhiều nhiệt giải phóng ra khi các electron và lỗ trống kết hợp lại.
Làm thế nào tạo ra vùng p?
Để giải quyết vấn đề này, Sheng Chu và các đồng nghiệp, đứng đầu là Jianlin Liu tại trường Đại học California, Riverside, đã chọn kẽm oxide thay thế. Thách thức mà đội đang đối mặt là làm thế nào tạo ra vùng p trong kẽm oxide – vùng n thì dễ rồi. Nghiên cứu trước đây của nhóm Riverside và những nhóm khác cho thấy việc pha tạp kẽm oxide với những lượng nhỏ antimony sẽ tạo ra những lỗ trống cần thiết. Khó khăn là việc tạo ra một đơn tinh thể chứa cả vùng n và vùng p, sao cho các electron và lỗ trống có thể chảy tự do giữa hai vùng.
Sơ đồ thể hiện diện mạo của laser dây nano. (Ảnh: Nature Nanotechnology/Jianlin Liu)
Đội của Liu giải quyết vấn đề này bằng cách nuôi cấy những tinh thể mỏng, dài của kẽm oxide pha tạp antimony trên một màng mỏng kẽm oxide tinh khiết (xem hình). Những dây nano này có đường kính chừng 200 nm và dài khoảng 3 µm. Giống như đội nghiên cứu hi vọng, mỗi đầu dây nano nối vào một đơn tinh thể với màng mỏng nằm bên dưới. Những kiểm tra cho thấy dụng cụ trên hoạt động cực kì tốt với vai trò một nguyên mẫu laser tử ngoại, tạo ra ánh sáng với bước sóng trên dưới 385 nm.
Cần nghiên cứu thêm
Ritesh Agarwal ở trường Đại học Pennsylvania, người không có liên quan trong nghiên cứu trên, cảm thấy ấn tượng và ông nghĩ công nghệ trên nên phát triển thêm. “[Các nhà nghiên cứu] đã chứng minh cho những dụng cụ phát laser cỡ lớn, nhưng tiềm năng thật sự của dây nano sẽ được hiện thực hóa khi các diode laser dây nano đơn có thể được chế tạo tự do. Đây vẫn là một thử thách lớn trong lĩnh vực này”, ông nói.
Chu cũng cảm thấy tầm quan trọng thật sự của nghiên cứu trên có lẽ nằm ở những laser dây nano đơn có thể dùng để nghiên cứu những tế bào sống. “Nếu chúng tôi phát triển phương pháp của mình thêm nữa, tôi hi vọng chúng tôi có thể đưa laser nhỏ xíu này vào trong tế bào hoặc thậm chí những bộ phận nhỏ hơn nằm bên trong tế bào. Nếu công nghệ này được hiện thực hóa, thì nó sẽ là một công cụ mạnh cho việc nghiên cứu sinh học và y sinh cơ bản về đơn tế bào và có lẽ còn cho nghiên cứu tiêu diệt virus nữa”, ông nói.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology.
Nguồn: physicsworld.com
