Quân đội Mỹ tài trợ nghiên cứu vật liệu mới phát triển linh kiện điện tử nano của Đại học Bách khoa Hà Nội

Tháng 9/2022, đề tài nghiên cứu “Pha tạp các vật liệu 1D và 2D hướng tới phát triển linh kiện điện tử và cảm biến khí nano: Tìm hiểu các đặc tính cơ bản hướng tới ứng dụng trong giám sát môi trường và phân tích hơi thở” của GS. Nguyễn Đức Hòa – Phó Hiệu trưởng Trường Vật liệu, Đại học Bách khoa Hà Nội - đã được Văn phòng châu Á nghiên cứu R&D về không gian thuộc Không lực Hoa Kỳ tài trợ hơn 200.000 USD với thời gian nghiên cứu trong 3 năm. Sản phẩm “đầu ra” của nghiên cứu là các khám phá khoa học, giải pháp công nghệ, chia sẻ rộng rãi với cộng đồng.  

Hình dung nghiên cứu vật liệu nhỏ hơn sợi tóc 1.000 lần

Phổ biến kiến thức cho người “ngoại đạo”, GS. Nguyễn Đức Hòa cho biết tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé, có thể so sánh với các giới hạn lượng tử, dẫn đến nhiều tính chất hóa lí của vật liệu thông thường không thể có. Khoa học nano là khoa học nghiên cứu vật chất ở kích thước cực kì nhỏ bé - kích thước nanomet (nm), một nanomet bằng một phần tỉ của met (m) hay bằng một phần triệu của milimet (mm).

Công nghệ nano là các công nghệ liên quan đến việc thiết kế, chế tạo, ứng dụng các thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước, cấu trúc ở quy mô nanomet (từ 1 – 100 nm). Lấy sợi tóc để so sánh, có thể hình dung dải vật liệu này có kích thước tối thiểu một chiều nhỏ hơn đường kính sợi tóc… 1.000 lần!

Đề tài nghiên cứu của GS. Nguyễn Đức Hòa và các cộng sự tại Trường Vật liệu, Đại học Bách khoa Hà Nội hướng đến phát triển phương pháp để pha tạp vật liệu thấp chiều (1D và 2D) có kích thước cực kì nhỏ bé - kích thước nanomet (nm).

Theo GS. Nguyễn Đức Hòa, việc pha tạp chất của vật liệu làm thay đổi cấu trúc điện tử, các đặc tính vật lý và quang học, cũng như khả năng hấp phụ khí, do đó tạo ra các thiết bị cảm biến khí nano và điện tử nano mới. Các nhà khoa học tại Đại học Bách khoa Hà Nội nhắm mục tiêu đến quá trình tổng hợp có kiểm soát và pha tạp các oxit kim loại một chiều (1D) (WO3, SnO2, ZnO) và các dichalcogenide kim loại chuyển tiếp hai chiều (2D) (TMD) để giải thích vai trò của các nguyên tố pha tạp đến thuộc tính của vật liệu chủ.

Việc pha tạp vật liệu 1D và 2D với các nguyên tố kim loại quý khác nhau sẽ được thực hiện bằng phương pháp cấy ion và / hoặc pha tạp trong quá trình tổng hợp vật liệu. “Chúng tôi sẽ kết hợp các nghiên cứu thực nghiệm và tính toán lý thuyết thông qua lý thuyết hàm mật độ (DFT) để hiểu các hiện tượng vật liệu, trong đó các tác động của quá trình tổng hợp được nhấn mạnh” – GS. Nguyễn Đức Hòa nói.

Có thể hiểu, làm ra vật liệu mới như mong muốn, các nhà khoa học tại Bách khoa Hà Nội không chỉ tìm ra các giải pháp công nghệ mà còn tìm hiểu kỹ bản chất của vật liệu. Trên nền tảng chia sẻ tri thức đó, những cá nhân, tập thể có tiềm lực về công nghệ trên toàn thế giới sẽ phát triển được các linh kiện điện tử và cảm biến nano, ứng dụng giải pháp trong các sản phẩm.

Vật liệu 1D và 2D sẽ được chế tạo với các con đường tổng hợp được kiểm soát bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học và bóc tách cơ học. Vật liệu 1D và 2D sẽ được cấy / pha tạp các ion khác nhau (ví dụ: Pt2 +, Pd2 +, Ag +, v.v.) trong quá trình chế tạo. Các đặc tính hóa lý và đặc trưng khí của vật liệu pha tạp sẽ được nghiên cứu để tìm hiểu bản chất và nguyên lý cơ bản mới để từ đó phát triển các linh kiện điện tử nano và cảm biến khí nano thế hệ mới.

Các nhà khoa học Đại học Bách khoa Hà Nội đặt đích đến hiện tượng mới của vật liệu pha tạp cho phép chế tạo linh kiện điện tử nano, cảm biến nano khí hiệu suất cao với kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp, giới hạn phát hiện khí thấp, độ nhạy cao và độ chọn lọc cao dựa trên thiết kế mới của vật liệu 1D và 2D được pha tạp. Cùng trên một đơn vị diện tích, tăng mật độ linh kiện sẽ tăng được tốc độ của con chip điện tử, từ đó tăng tốc độ tính toán. Hơn nữa, khi kích thước giảm, quãng đường truyền – mạch dây dẫn – cũng giảm, từ đó giảm được năng lượng tiêu thụ của linh kiện.

Những ông lớn công nghệ như Samsung, TSMC, Intel, … đều đang đi theo hướng nghiên cứu này.

Thầy giáo đam mê điều khiển vật liệu nano chia sẻ bài toán khó nhất pha 1

GS. Nguyễn Đức Hòa là giáo sư trẻ nhất Ngành Vật lý năm 2019 khi ông 41 tuổi. Giáo sư có đam mê nghiên cứu về vật liệu nano và cảm biến khí, công bố trên 100 bài báo quốc tế uy tín SCI, tổng trích dẫn hơn 6000 lần, với chỉ số H-index 47; sở hữu 1 sáng chế quốc tế, 3 sáng chế/giải pháp hữu ích trong nước (7 đang trong quá trình xét duyệt). Năm 2021, ông đạt giải thưởng Nhà nước về Khoa học và Công nghệ…

Qua nhiều đề tài nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực vật liệu siêu nhỏ, nhà khoa học Nguyễn Đức Hòa ngày càng đam mê điều khiển các vật liệu nano.

Sau 1 năm thực hiện, pha 1 của đề tài nghiên cứu (được đầu tư 85.000 USD) đã có sản phẩm. Bài toán khó nhất của đề tài nghiên cứu chính là pha tạp vật liệu. Các nhà khoa học Bách khoa đã kiên nhẫn, tỉ mỉ thực hiện rất nhiều lần các thí nghiệm pha tạp ion nguyên tử vào sợi dây nano nhỏ hơn sợi tóc 1.000 lần để thay đổi tính chất điện, độ linh động… của vật liệu. GS. Nguyễn Đức Hòa nói từ chuyên môn là “cấy nano”, nhưng với người “ngoại đạo”, các nhà khoa học, thầy giáo Bách khoa Hà Nội như những bậc thầy có siêu năng lực biến hóa, điều khiển vật liệu vậy!

Điều GS. Nguyễn Đức Hòa thấy hài lòng chính là đa số các thí nghiệm được thực hiện ngay tại Đại học Bách khoa Hà Nội, chỉ một vài phép đo thuê bên ngoài do cả Hà Nội chỉ có vài thiết bị chuyên biệt này. “Đại học được dự án SAHEP (Dự án Nâng cao chất lượng giáo dục đại học của WB) đã đầu tư nhiều trang thiết bị hiện đại, góp phần giúp đỡ cho các nhà khoa học Bách khoa Hà Nội đỡ mất thời gian, chủ động trong các bước nghiên cứu” – GS. Hòa chia sẻ.

Cùng việc đóng góp tri thức cho cộng đồng, GS. Nguyễn Đức Hòa còn truyền lửa đam mê nghiên cứu, dìu dắt các sinh viên năm 3, năm 4, các học viên cao học, nghiên cứu sinh Trường Vật liệu, Đại học Bách khoa Hà Nội. Thầy nghiên cứu, trò được làm việc, được kiểm nghiệm lý thuyết học trên trường, tự học, tự khai thác năng lực, tìm hiểu tài liệu…

Một số đồ án, luận văn, luận án được khởi nguồn từ những kỹ năng, kiến thức nền tảng khi cùng thầy nghiên cứu khoa học. Sau khi tốt nghiệp, các sinh viên, học viên, nghiên cứu sinh sẽ có hiểu biết chuyên sâu, có giải pháp… ứng dụng vào bài toán thật trong thực tiễn.

Từ những tấm gương tận tâm, đổi mới sáng tạo, đột phá của các thầy/cô giáo Đại học Bách khoa Hà Nội, mỗi thế hệ người Bách khoa đều rực cháy khát vọng, đam mê, nhiệt huyết, có trách nhiệm với cộng đồng, xã hội.
 

Sau 1 năm nghiên cứu, GS. Nguyễn Đức Hòa và cộng sự đã có 5 công bố khoa học tại hội thảo và 3 công bố trên tạp chí quốc tế (Q1) uy tín thế giới.