Các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa phát minh ra một kĩ thuật vi chế tạo mới có thể tạo ra những cấu trúc 2D với những đối xứng quay rất cao trên những diện tích lớn. Cho đến nay, chỉ có những cấu trúc lặp không gian – những cấu trúc có đối xứng quay bậc sáu hoặc thấp hơn – mới có thể được tạo ra trên những diện tích lớn như thế, sử dụng những kĩ thuật in khắc quang học công nghiệp.
Được đặt tên là in li tô nano moiré, kĩ thuật trên có thể tạo ra những cấu trúc có đối xứng quay lên tới bậc 36 – cái chưa từng quan sát thấy trong tự nhiên. Những đối xứng quay bậc cao như vậy có thể hữu ích trong nhiều ứng dụng đa dạng, từ việc chế tạo các tinh thể quang lượng tử tốt hơn cho đến nâng cao hiệu suất của các dụng cụ quang điện.
Cho đến thập niên 1980, đa số các nhà nghiên cứu nghĩ rằng trật tự xa trong các hệ vật chất là không thể nếu không có sự tuần hoàn không gian. Họ tin rằng các nguyên tử bị giam bên trong các tinh thể trong những cấu trúc đối xứng lặp lại tuần hoàn mãi mãi, và sự lặp lại này là cái cần thiết để có một tinh thể.
Ảnh màu của một ma trận silicon có đối xứng quay bậc 12 được chế tạo bằng kĩ thuật in li tô. (Ảnh: Teri Odom)
Các giả tinh thể phá vỡ khuôn mẫu
Năm 1984, Daniel Shechtman thuộc Viện Công nghệ Technion-Israel đã khám phá ra giả tinh thể - những chất liệu có cấu trúc trật tự nhưng không tuần hoàn. Shechtman thực hiện khám phá của ông trong khi đang nghiên cứu các mẫu hợp kim nhôm-mangan và tìm thấy các nguyên tử trong những tinh thể này sắp xếp thành một hình hai mươi mặt không thể lặp lại nhưng có đối xứng quay “bậc 10”.
Một hệ được nói là có đối xứng quay bậc-n nếu nó trông y hệt như cũ sau khi quay nó đi một góc 360/n độ. Do đó, một mẫu có đối xứng quay bậc 10 vẫn trông như cũ sau khi quay 360/10 = 36 độ. Trước khi có khám phá của Shechtman, người ta nghĩ một hệ trật tự 2D chỉ có đối xứng quay hoặc bậc 1, 2, 3, 4, hoặc bậc 6, còn những bậc khác thì bị cấm bởi các quay luật tinh thể học.
Kể từ năm 1984, các nhà khoa học đã khám phá ra hàng trăm giả tinh thể khác nhau – một số có những tính chất đáng chú ý về mặt công nghệ - và Shechtman đã giành Giải Nobel Hóa học 2011 cho những nỗ lực của ông.
Đối xứng quay bậc 36
Nay một đội đứng đầu là Teri Odom tại trường Đại học Northwestern vừa chế tạo ra những cấu trúc nano giả tinh thể 2D có đối xứng quay bậc 36, sử dụng một kĩ thuật in li tô nano moiré mới. Các cấu trúc moiré đã được biết tới từ lâu và có thể nhìn thấy trong thời gian hàng ngày bằng cách đặt hai tấm lưới mịn lên trên nhau, sau đó quay chúng để tạo ra những cấu trúc mới, phức tạp hơn. Khi bạn tiếp tục quay thì các cấu trúc biến đổi giống như trong một chiếc kính vạn hoa.
Kĩ thuật in li tô nano moiré hoạt động dựa trên sự giao thoa của hai cấu trúc lặp lại chồng lên nhau ở một góc nhất định. Các cấu trúc 2D tuần hoàn có thể được chế tạo dễ dàng bằng kĩ thuật in quang li tô trên những diện tích lớn, nhưng những sắp xếp này có đối xứng quay bậc 6 là nhiều nhất – giống như một mạng lưới hình tổ ong. Những giả tinh thể đối xứng quay bậc cao khác đã trở nên nổi tiếng trong những năm gần đây (nổi tiếng nhất và có đối xứng quay bậc cao nhất là những giả tinh thể đối xứng bậc 12), nhưng những giả tinh thể này phải được định hình qua các phương pháp in li tô tuần tự, ví dụ như khoan chùm ion và in li tô chùm electron, chúng rất tốn thời gian và đắt đỏ.
Phơi moiré
“Chúng tôi đã thành công trong việc chế tạo những cấu trúc nano có đối xứng quay bậc cao hơn bất kì giả tinh thể nào từng được báo cáo trước đây bằng cách tiến hành hai hoặc ba lần phơi qua những mặt nạ nhựa đàn hồi poly(dimethylsiloxane) (PDMS) có cấu trúc,” Odom nói. “Vì trước tiên chúng tôi tạo ra các cấu trúc trong một quang trở, nên sau đó chúng tôi đã chuyển cấu trúc moiré đó lên trên nhiều chất liệu đa dạng, từ silicon đến kim loại. Sau đó chúng tôi có thể chế tạo các bộ phản xạ đa hướng hoặc các điện cực, chẳng hạn, sử dụng những cấu trúc này khá dễ dàng.”
Một cấu trúc moiré được tạo ra trên một bánh xốp. (Ảnh: Teri Odom)
Một nơi mà những cấu trúc nano moiré đối xứng cao như thế có thể có tác động là lĩnh vực quang điện. Nhờ đối xứng quay bậc cao của chúng, những cấu trúc này có thể bẫy ánh sáng với hiệu suất gần như bằng nhau ở mọi hướng. Đặc điểm này có thể có ích cho việc chế tạo các tấm pin mặt trời sẽ không cần những bộ điều khiển phức tạp để hướng theo vị trí của Mặt trời trong ngày.
Và chưa hết, vì khoảng cách giữa các chi tiết trong những mạng đối xứng quay bậc cao này vào cỡ bước sóng của ánh sáng nhìn thấy – khoảng 500 nm – nên những cấu trúc đó có tiềm năng xử lí dòng ánh sáng theo những cách mới và hấp dẫn. “Chẳng hạn, chúng tôi hiện đang chuyển những cấu trúc này lên các chất nền kim loại có thể bẫy, tập trung và làm chậm ánh sáng qua cái gọi là sóng plasmon mặt,” Odom nói. “Chúng tôi cũng đang khảo sát cách những ma trận lỗ nano được định hình với kĩ thuật moiré này ở những tấm kim loại có khả năng truyền chọn lọc ánh sáng ở những năng lượng nhất định trong vùng quang học.”
Tham khảo: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl302535p
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
