Kỹ thuật khoảng trống nguyên tử giúp tạo chất bán dẫn linh hoạt

Chất bán dẫn linh hoạt ngày càng cần thiết trong cuộc sống

Đột phá này mở ra những tiềm năng mới cho thiết bị đeo, kết hợp giữa tính linh hoạt và hiệu suất nhiệt điện cao.

Điều chỉnh khoảng trống nguyên tử để tối ưu vật liệu

Các nhà khoa học tại Đại học Công nghệ Queensland (QUT) đã tìm ra một vật liệu mới có thể hoạt động như chất bán dẫn linh hoạt dành cho thiết bị đeo. Phương pháp của họ tập trung vào việc điều chỉnh các khoảng trống giữa nguyên tử, còn gọi là “vacancies”, trong cấu trúc tinh thể.

Kỹ thuật khoảng trống nguyên tử liên quan đến việc tạo và kiểm soát các vị trí trống trong cấu trúc tinh thể. Bằng cách tinh chỉnh những khoảng trống này, các nhà khoa học có thể thay đổi các tính chất cơ học, điện, và nhiệt của vật liệu, dẫn đến các cải tiến như chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn và độ linh hoạt cao hơn.

Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications, nhóm nghiên cứu đã chứng minh cách kỹ thuật khoảng trống nguyên tử cải thiện đáng kể hiệu suất của chất bán dẫn AgCu (Te, Se, S) - một hợp kim gồm bạc, đồng, teluri, selen và lưu huỳnh. Bằng cách kiểm soát chính xác các khoảng trống nguyên tử, họ đã tăng cường khả năng chuyển đổi nhiệt cơ thể thành điện năng, một chức năng quan trọng đối với thiết bị đeo.

Những nhà nghiên cứu có công trong phát hiện này gồm Nanhai Li, tiến sĩ Xiao-Lei Shi, Siqi Liu, Tian-Yi Cao, Min Zhang, Wan-Yu Lyu, Wei-Di Liu, Dongchen Qi, cùng Giáo sư Zhi-Gang Chen thuộc Trung tâm Nghiên cứu phát điện không phát thải ARC, Trường Hóa học và vật lý QUT, và Trung tâm Khoa học vật liệu QUT.

Nanhai Li cho biết kiểm soát chính xác khoảng trống nguyên tử không chỉ giúp cải thiện khả năng chuyển đổi nhiệt thành điện, mà còn tăng cường tính chất cơ học của vật liệu, cho phép nó định hình theo nhiều cách khác nhau để phù hợp với các ứng dụng phức tạp. Để chứng minh khả năng ứng dụng thực tế, nhóm nghiên cứu đã thiết kế các thiết bị siêu nhỏ linh hoạt, có thể dễ dàng gắn vào cánh tay của người dùng.

Giải quyết thách thức trong công nghệ thiết bị đeo

Theo nghiên cứu sinh Li, phát hiện này giải quyết bài toán cải thiện khả năng chuyển đổi nhiệt thành điện của chất bán dẫn AgCu (Te, Se, S) mà vẫn duy trì được tính linh hoạt và đàn hồi, hai yếu tố quan trọng đối với thiết bị đeo.

Nghiên cứu sinh Li nhận định: “Các vật liệu nhiệt điện đã thu hút sự quan tâm rộng rãi trong vài thập niên qua nhờ khả năng độc đáo của chúng trong việc chuyển đổi nhiệt thành điện mà không gây ô nhiễm, tiếng ồn hay cần đến bộ phận chuyển động”.

Giáo sư Chen nhấn mạnh: “Với sự phát triển nhanh chóng của điện tử linh hoạt, nhu cầu về các thiết bị nhiệt điện linh hoạt đang tăng mạnh và QUT đang đi đầu trong lĩnh vực này”.

Giáo sư Chen nhận xét: “Chìa khóa để phát triển công nghệ nhiệt điện linh hoạt là mở rộng nghiên cứu theo nhiều hướng khác nhau”.

Hiện nay, các thiết bị nhiệt điện linh hoạt chủ yếu được chế tạo bằng các vật liệu nhiệt điện màng mỏng vô cơ, vật liệu nhiệt điện hữu cơ trên nền linh hoạt, hoặc hợp chất lai giữa cả hai.

Tuy nhiên, cả vật liệu hữu cơ và vô cơ đều có hạn chế: Vật liệu hữu cơ thường có hiệu suất thấp; còn vật liệu vô cơ có khả năng dẫn nhiệt và điện tốt hơn, nhưng thường giòn và không linh hoạt.

Chất bán dẫn được sử dụng trong nghiên cứu này là một vật liệu vô cơ hiếm, có tiềm năng hiệu suất nhiệt điện linh hoạt vượt trội. Tuy nhiên, các cơ chế vật lý và hóa học giúp tăng hiệu suất trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai vẫn chưa được nghiên cứu sâu cho đến nay.

Nhờ nghiên cứu này, các nhà khoa học đã khai phá được một bước tiến quan trọng trong công nghệ nhiệt điện linh hoạt, mở ra tiềm năng mới cho thiết bị đeo thế hệ tiếp theo.

Anh Tú