Một quá trình đơn giản chỉ một bước để chế tạo các mạch điện kích cỡ nano mét từ graphene đã được phát triển bởi các nhà nghiên cứu ở Mĩ và ở Pháp. Kĩ thuật mới trên bao gồm việc “ghi” các dây nano dẫn điện lên trên graphene oxide sử dụng một đầu nhọn nhỏ xíu đã làm nóng và có thể thật lí tưởng cho việc chế tạo các dụng cụ điện tử dẻo.
Biến tính graphene oxide cho điện tử học graphene bằng kĩ thuật in khắc hóa nhiệt. Các mạch điện nano có độ dẫn khác nhau với kích cỡ xuống tới 12 nm đã được tạo ra trong các màng graphene mọc ghéo oxide hóa trong một bước duy nhất rõ ràng, nhanh chóng và xác thực. (Ảnh: Science/AAAS)
Graphene là một tấm carbon kiểu tổ ong chỉ dày một nguyên tử với một số tính chất vật lí độc đáo. Vì những tính chất này, nên nhiều nhà nghiên cứu tin rằng graphene có thể thay thế cho silicon dùng làm chất liệu điện tử của tương lai. Thí dụ, nó có thể dùng để sản xuất các transistor cực nhanh vì các electron chuyển động trong nó ở tốc độ cực kì cao.
Các tấm graphene đơn độc còn trong suốt đối với ánh sáng, một tính chất có thể khai thác để chế tạo các màn hiển thị, màn ảnh cảm ứng nhạy và pin mặt trời. Graphene có thể cho phép mang lại các bộ phận chi phí thấp hơn và linh hoạt hơn so với các chất liệu ngày nay.
Nhưng để cho các công nghệ gốc graphene có giá trị thương mại, các nhà nghiên cứu trước tiên phải phát triển các công nghệ chế tạo mạch điện graphene trên quy mô lớn, sử dụng các kĩ thuật xác thực và có thể sinh sôi thêm. Thí dụ, các phương pháp hiện có “cắt” dây nano ra khỏi một tấm graphene và lắp ráp chúng ở lại để chế tạo mạch điện.
In khắc nano hóa nhiệt
Nhưng mọi thứ có thể đơn giản hơn nhiều khi liên quan đến graphene. Paul Sheehan thuộc Phòng nghiên cứu Hải quân ở Washington, Elisa Riedo tại Viện Công nghệ Georgia và các đồng nghiệp hiện nay khai thác thực tế là graphen oxide, một chất cách điện, biến đổi trở lại thành graphene dẫn điện khi bị làm nóng. Tuy nhiên, thay vì làm nóng toàn bộ mẫu chất, các nhà nghiên cứu sử dụng đầu nhọn của một kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) để biến đổi những dải rất hẹp, bề ngang chỉ 12 nm, thành graphene dẫn.
Kĩ thuật trên thật chính xác, nghĩa là phần còn lại của mẫu graphene oxide vẫn cách điện. Việc ghi với các nhiệt độ đầu nhọn khác nhau, từ 130o C trở lên, còn cho phép các tính chất điện tử của dây nano được điều chỉnh trên hơn bốn bậc độ lớn, tạo ra các dây dẫn tốt hơn hoặc kém hơn.
“Cái đẹp của kĩ thuật của chúng tôi là chúng tôi đã nghĩ ra một kĩ thuật đơn giản, xác thực và có khả năng phát triển thêm, cho phép chúng tôi biến đổi một mẫu chất cách điện thành một dây nano dẫn điện”, phát biểu của Sheehan, lãnh đạo Trung tâm Khoa học và Công nghệ Nano Bề mặt tại Phòng nghiên cứu Hải quân. “Tính linh hoạt của kĩ thuật trên còn cho phép các dây nano được ghi trước hoặc sau khi biến đổi graphene thành một chất nhận”, ông cho biết thêm.
‘Rất có triển vọng’
“Quá trình trên – gọi là in khắc hóa nhiệt – làm thay đổi hóa tính của một chất liệu với một đầu nhọn nano nóng bỏng là rất triển vọng và chúng tôi đã có thể ghi các đường bán dẫn hoặc kim loại trên một ma trận cách điện bằng cách sử dụng một ma trận đầu nhọn đã làm nóng ở những nhiệt độ khác nhau”, Riedo bổ sung thêm.
Theo đội nghiên cứu, bao gồm các nhà nghiên cứu ở Đại học Illinois và Viện Néel ở Grenoble, các dây nano dẫn điện tốt hơn silicon vô định hình pha tạp và so sánh tốt với đa số các chất dẫn polymer pha tạp. Tuy nhiên, không giống như những chất liệu khác, toàn bộ sự dẫn điện xảy ra trong một lớp nguyên tử đơn nhất trong mẫu.
Trong khi nghiên cứu vẫn còn trong giai đoạn đầu phát triển, thì có khả năng là các công nghệ mới ấy sẽ có thể mở rộng cho các ma trận đầu nhọn AFM ghi nhanh các mạch điện ở tốc độ cao trên các bánh xốp silicon. Graphene có thể là một loại “thớt điện tử” cỡ nano”, Sheehan nói.
‘Lĩnh vực phong phú và đầy bất ngờ’
“Graphene và graphene biến tính hóa học, như graphene oxide, là những chất liệu hết sức triển vọng”, ông bổ sung thêm. “Càng biết nhiều về hóa học carbon, người ta càng biết nhiều về ống nano carbon áp dụng cho graphene trong thời gian gần đây. Tôi nghĩ đây sẽ là một lĩnh vực nghiên cứu phong phú và đầy bất ngờ trong nay mai sẽ xuất hiện”.
Các nhà nghiên cứu hiện đang mở rộng công trình của họ cho các tấm graphene đơn đã chuyển lên trên bánh xốp silicon.
Các kết quả công bố trên tạp chí Science.
- Xuân Nguyễn (theo physicsworld.com)
