Các chấm lượng tử là các cụm gồm khoảng 1.000 nguyên tử hoạt động như một ‘siêu nguyên tử’ lớn. Có thể thiết kế chính xác các thuộc tính điện tử của những dấu chấm này chỉ bằng cách thay đổi kích thước của chúng.
Tuy nhiên, để tạo ra các thiết bị chức năng, một số lượng lớn các dấu chấm phải được kết hợp thành một vật liệu mới. Trong quá trình này, các thuộc tính của các dấu chấm thường bị mất.
Giờ đây, một nhóm nghiên cứu do Maria Antonietta Loi, giáo sư Quang vật lý và Quang điện tử của Đại học Groningen, dẫn đầu, đã thành công trong việc tạo ra một siêu vật liệu quang điện tử có tính dẫn điện cao thông qua quá trình tự tổ chức.
Siêu vật liệu này được mô tả trên tạp chí Advanced Materials, xuất bản vào ngày 29 tháng 10.
Các chấm lượng tử PbSe (chì selenua) hoặc PbS (chì sunfua) có thể chuyển ánh sáng hồng ngoại sóng ngắn thành dòng điện. Đây là một thuộc tính hữu ích để chế tạo máy dò hoặc công tắc viễn thông.
‘Tuy nhiên, một dấu chấm không tạo nên một thiết bị. Và khi các chấm được kết hợp với nhau, tổ hợp thường mất đi tính chất quang học độc đáo của các chấm riêng lẻ, hoặc nếu duy trì chúng thì khả năng vận chuyển hạt mang điện của chúng trở nên rất kém’, Lợi giải thích. ‘Điều này là do rất khó để tạo ra một vật liệu có trật tự từ các dấu chấm.’
Lớp có thứ tự
Làm việc với các đồng nghiệp từ Viện Vật liệu Cao cấp Zernike thuộc Khoa Khoa học và Kỹ thuật, Đại học Groningen, Loi đã thử nghiệm một phương pháp cho phép sản xuất siêu vật liệu từ dung dịch keo của các chấm lượng tử.
Những chấm này, mỗi chấm có kích thước khoảng 5 đến 6 nanomet, cho thấy độ dẫn điện rất cao khi được tập hợp thành một mảng có trật tự, trong khi vẫn duy trì các đặc tính quang học của chúng.
‘Từ tài liệu, chúng tôi biết rằng các dấu chấm có thể tự tổ chức thành một lớp hai chiều, có trật tự. Chúng tôi muốn mở rộng điều này thành vật liệu 3D’, Loi nói.
Để đạt được điều này, họ đổ đầy các bình chứa nhỏ một chất lỏng hoạt động như một ‘tấm đệm’ cho các chấm lượng tử keo. ‘Bằng cách bơm một lượng nhỏ lên bề mặt chất lỏng, chúng tôi đã tạo ra vật liệu 2D. Sau đó, việc thêm một khối lượng lớn hơn các chấm lượng tử đã tạo ra một vật liệu 3D có trật tự.’
Siêu mạng
Các chấm không chìm trong chất lỏng mà tự định hướng trên bề mặt để đạt được trạng thái năng lượng thấp. ‘Các chấm có dạng hình khối cắt cụt, khi ghép lại với nhau, chúng tạo thành một cấu trúc có trật tự trong không gian ba chiều; một siêu mạng, trong đó các chấm hoạt động giống như các nguyên tử trong tinh thể’, Loi giải thích.
Siêu mạng này được cấu tạo bởi các siêu nguyên tử chấm lượng tử hiển thị độ linh động của electron cao nhất được báo cáo cho các tổ hợp chấm lượng tử.
Máy dò
Cần có thiết bị đặc biệt để xác định siêu vật liệu mới trông như thế nào. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một kính hiển vi điện tử có độ phân giải nguyên tử để hiển thị các chi tiết của vật liệu.
Họ cũng ‘chụp ảnh’ cấu trúc quy mô lớn của vật liệu bằng cách sử dụng một kỹ thuật gọi là tán xạ tia X góc nhỏ tỷ lệ rải rác. Loi nói: “Cả hai kỹ thuật đều có sẵn tại Viện Zernike, nhờ các đồng nghiệp của tôi là Bart Kooi và Giuseppe Portale, đó là một sự trợ giúp tuyệt vời.
Các phép đo tính chất điện tử của vật liệu cho thấy nó gần giống với tính chất của chất bán dẫn số lượng lớn, nhưng có các tính chất quang học của các chấm.
Như vậy, thí nghiệm mở đường cho việc tạo ra các siêu vật liệu mới dựa trên các chấm lượng tử. Độ nhạy của các chấm được sử dụng trong nghiên cứu hiện tại đối với ánh sáng hồng ngoại có thể được sử dụng để tạo ra các công tắc quang học cho các thiết bị viễn thông. ‘Và chúng cũng có thể được sử dụng trong máy dò hồng ngoại để nhìn ban đêm và lái xe tự động.’
Trợ cấp ERC
Lợi vô cùng tâm đắc với kết quả thí nghiệm:
“Từ những năm 1980 người ta đã mơ ước đạt được điều này. Đó là khoảng thời gian mà các nỗ lực đã được thực hiện để lắp ráp các chấm lượng tử thành các vật liệu chức năng. Việc kiểm soát cấu trúc và các thuộc tính mà chúng tôi đã đạt được nằm ngoài sự mong đợi điên rồ nhất của chúng tôi.’
Lợi hiện đang nghiên cứu để hiểu và cải thiện công nghệ xây dựng các siêu mạng mở rộng từ các chấm lượng tử, nhưng cũng đang lên kế hoạch làm như vậy với các khối xây dựng khác, mà gần đây cô đã được trao Giải thưởng Cấp cao từ Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu.
‘Bước tiếp theo của chúng tôi là cải tiến kỹ thuật để làm cho vật liệu trở nên hoàn hảo hơn và chế tạo bộ tách sóng quang với chúng.’
