Máy dò hồng ngoại từ chấm lượng tử: Con mắt cho cái không nhìn thấy

Từ các loại vải thông minh đến ô tô tự hành: Các nhà nghiên cứu Empa đã phát triển nhiều loại máy dò mới cho bức xạ nhiệt hồng ngoại trở nên bền vững hơn, linh hoạt hơn và chi phí thấp hơn so với các công nghệ hiện hành. Trung tâm của thành công này không chỉ là thành phần của vật liệu mà còn ở kích thước của nó.

Nhiều vật liệu đang thách thức các nhà sản xuất: chúng thường đòi hỏi các điều kiện cực đoan như mức nhiệt độ rất cao, và rất nhiều năng lượng. Các nhà nghiên cứu Empa đang thuyết phục là có một cách dễ dàng hơn. Một nhóm nghiên cứu do Ivan Shorubalko từ Phòng thí nghiệm vận chuyển tại các giao diện ở cấp độ nano đang nghiên cứu về các máy dò hồng ngoại ở mức siêu nhỏ được làm như các chấm lượng tử keo.

Từ “chấm lượng tử” không giống như một khái niệm dễ dàng để hiểu với nhiều người. Shorubalko giải thích, “Các đặc tính của vật liệu này phụ thuộc vào không chỉ thành phần hóa học của nó mà còn ở các chiều của nó”. Nếu bạn tạo ra các hạt nhỏ ở một vật liệu nhất định, chúng có thể có những đặc tính khác biệt hơn các hạt lớn hơn, dù được làm từ cùng một loại vật liệu. Điều này là do hiệu ứng lượng tử, kể từ đó nó mang tên ‘các chấm lượng tử’”.

Với khám phá và tổng hợp các hạt nhỏ bé hấp dẫn đó, Moungi Bawendi, Louis E. Brus và Alexey Ekimov đã được trao giải Nobel Hóa học năm 2023. Nhưng trong khi khoa học đằng sau chấm lượng tử rất phức tạp, sự đơn giản nằm trong quá trình xử lý của chúng. Các chấm lượng tử keo được hình thành trong một dung dịch và có thể đưa vào nhiều vật liệu khác nhau bởi lớp phủ spin hoặc in – nghĩa là rẻ hơn, hiệu quả về năng lượng hơn và linh hoạt hơn so với các bán dẫn thông thường.

Từ vật liệu đến quá trình ứng dụng

Các chấm lượng tử đã có một lịch sử được nghiên cứu ở Empa. Nhóm nghiên cứu của Maksym Kovalenko trong Phòng thí nghiệm màng mỏng và Photovoltaics đã nghiên cứu về tổng hợp các chấm lượng tử từ nhiều vật liệu khác nhau trong vòng một thập niên qua.  Shorubalko và nhóm nghiên cứu của ông sau đó đã tích hợp các chấm lượng tử để tạo ra các hợp phần điện tử mang chức năng, hay còn gọi là các linh kiện – ví dụ các máy dò hồng ngoại. Cùng với các chuyên gia khác của Empa, họ đang tìm kiếm các phương pháp xử lý và xa hơn là những ứng dụng cho các chấm lượng tử và linh kiện được làm từ thứ vật liệu này.

Ví dụ, vào năm 2023, các nhà nghiên cứu Empa đã thành công trong việc in một máy dò hồng ngoại được làm từ các chấm lượng tử dựa trên một sợi polymer quang – thi thoảng được coi là không thể với các máy dò hồng ngoại thông thường. Để đạt được điều này, chuyên gia linh kiện Shorubalko và nghiên cứu sinh của ông đã nghiên cứu không chỉ với chuyên gia vật liệu Kovalenko mà còn với cả Yaroslav Romanyuk, một chuyên gia về in từ phòng thí nghiệm màng mỏng và Photovoltaics của Empa, và với một chuyên gia về sợi René Rossi từ phòng thí nghiệm Màng sinh học và vải phỏng sinh. Họ xuất bản phát hiện trên tạp chí Advanced Materials Technologies vào năm 2023.

Một ứng dụng có thể của công nghệ này là một loại vải thông minh. “Thị trường vải toàn cầu lớn hơn và phát triển nhanh hơn thị trường điện tử dân dụng”, Shorubalko nhận xét. Các loại vải đặc biệt có thể có lợi từ các máy dò hồng ngoại linh hoạt, ví dụ như các quần áo có chức năng riêng biệt như chống lửa hoặc vải y khoa học giám sát bệnh nhân.

Tuy nhiên, Shorubalko cũng thấy tiềm năng lớn trong thời trang. “Nếu máy dò và những hợp phần điện tử khác đều nhỏ, không mấy đắt đỏ và dễ dàng sản xuất thì chúng tôi có thể sử dụng chúng cho những trang phục có chức năng riêng biệt hàng ngày. Các công nghệ hiện thời đơn giản là không tích hợp được vào các loại vải”.

Kể từ khi máy dò bao gồm nhiều chấm lượng tử chỉ ở kích thước năm nano mét, có thể tạo ra những máy dò hồng ngoại rất nhỏ. Trong một xuất bản gần đây ở tạp chí ACS Photonics, Shorubalko, Kara và các cộng sự của họ ở Empa và ETH Zurich đã miêu tả một máy dò nhỏ hơn cả bước sóng của ánh sáng được nó đo đạc. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu ghi nhận các đặc tính tăng thêm của ánh sáng hồng ngoại như pha hoặc giao thoa, khiến cho máy dò này thậm chí trở nên tinh tế nhiều hơn.

Tốc độ vô song

Bước tiếp theo, Shorubalko hướng đến cải thiện tố độ của máy dò. Các máy dò hồng ngoại cực nhanh luôn được đón nhận, ví dụ lidar, công nghệ máy dò ở khoảng cách xa dựa trên ánh sáng giúp các xe tự lái tìm thấy đường, cùng với những ứng dụng khác. “Ngày nay, các  lidar sử dụng những máy dò hồng ngoại dựa trên silicon, với đo lường tia hồng ngoại với bước sóng khoảng 905 nano mét”, ông cho biết.

Vấn đề là ở chỗ: dẫu bước sóng này không thể thấy bằng mắt thường, thì nó vẫn còn đủ sức gây hại ở mức công suất cao. Vì vậy, tia laser của lidar có thể chỉ phát ra tia sáng yếu, dẫn đến những giới hạn phạm vi hoạt động của toàn hệ thống. Các máy dò cho những bước sóng an toàn hơn, dài hơn cũng có nhưng chúng lại quá đắt đỏ để sử dụng ở quy mô lớn. Một máy dò tốc độ cao dựa trên các chấm lượng tử có thể cung cấp một giải pháp thay thế và cho phép có được các hệ thống lidar hiệu quả về chi phí, an toàn, hiệu lực cao và an toàn.

Vậy khi nào thì máy dò hồng ngoại dựa trên chấm lượng tử ra được tới thị trường? Không giống như những công nghệ mới và vật liệu mới nhất, trường hợp này không cần phải chờ đợi quá lâu. “Các máy dò hồng ngoại dựa trên chấm lượng tử sẵn sàng có trên thị trường”, Shorubalko nói. “Tôi chưa từng thấy công nghệ nào tạo ra bước nhảy vọt từ phòng thí nghiệm ra tới thị trường nhanh đến thế”.

Tuy nhiên thì công việc của các nhà nghiên cứu vẫn còn nhiều. Nhiệm vụ của họ giờ bây giờ là khiến cho công nghệ hứa hẹn này trở nên linh hoạt hơn, nhanh hơn, hiệu quả về chi phí hơn và bền vững hơn.

Thanh Hương dịch từ Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology

Nguồn: https://www.empa.ch/web/s604/ir-detectors