Các thiết bị điện tử bằng cacbon đang được nghiên cứu rộng rãi do tính chất điện và cơ hấp dẫn của chúng, nhưng để tổng hợp chúng với số lượng lớn và chi phí thấp vẫn còn là một thách thức lớn.
Trong một nghiên cứu mới đây, các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp mới tổng hợp toàn bộ các thiết bị điện tử tích hợp hoàn toàn bằng cacbon, gồm có bóng bán dẫn, điện cực, các liên kết, và cảm biến, trong một bước duy nhất, đơn giản hóa việc chế tạo của chúng. Các thiết bị điện tử không đắt tiền này sau đó có thể được gắn vào nhiều loại bề mặt khác nhau, bao gồm cả lá cây, côn trùng, giấy, quần áo và da.
Các mảng graphite-ống nano cacbon mềm dẻo được đặt lên mặt lá cây sống và một con bọ. Các cảm biến này có thể được sử dụng để phát hiện các tác nhân vũ khí hóa học hoặc giám sát điều kiện môi trường.
Phương pháp tiếp cận mới lợi dụng cấu trúc hình học nguyên tử độc đáo của cacbon để tổng hợp toàn bộ mảng thiết bị điện tử, đặc biệt là bóng bán dẫn ống nano cacbon, cảm biến ống nano cacbon, và điện cực than chì.
"Các thiết bị hoàn toàn bằng cacbon của chúng tôi (bóng bán dẫn và cảm biến) được cấu tạo từ (i) các ống nano cacbon (làm kênh dẫn) và (ii) than chì (làm điện cực)," đồng tác giả Jang-Ung Park, PGS Học viện KH&CN Quốc gia Ulsan (Hàn Quốc) nói. "Phần kênh đòi hỏi các vật liệu bán dẫn có trở kháng đủ nhạy để có thể được kiểm soát bởi hiệu thế dịch (bias) bên ngoài. Còn phần điện cực cần vật liệu kim loại có trở kháng rất nhỏ với thay đổi không đáng kể bởi hiệu thế dịch bên ngoài". Park giải thích rằng các thuộc tính khác nhau của các ống nano và than chì là do cấu trúc liên kết khác nhau của chúng.
(a) Mảng cảm biến ống nano cacbon-graphite (trái) trên một bề mặt rắn và (phải) nổi trên mặt nước. (b) Hình ảnh của các mảng cảm biến gắn lên móng tay, mặt nạ hạt, một ống tay áo, băng keo, và một tờ báo. Thang tỷ lệ: 1 cm. Ảnh: American Chemical Society, 2014.
"Cả ống nano cacbon và than chì đều là cacbon", ông nói. "Tùy thuộc vào cấu trúc liên kết của cacbon, các ống nano cacbon có thể biểu hiện các tính chất bán dẫn và than chì có thể cho thấy các thuộc tính kim loại. Chúng tôi thiết kế nhiều chất xúc tác để tổng hợp các ống nano cacbon và than chì tại chỗ với các cấu trúc thiết bị điện tử mong muốn. Bằng cách này, các thiết bị hoàn toàn bằng cacbon có thể được tổng hợp".
Các thiết bị thu được cho thấy hoạt động tốt, với các bóng bán dẫn hoạt động với tỷ lệ bật-tắt cao trên 103. Để chứng minh sự mềm dẻo của các thiết bị, các nhà nghiên cứu đã chuyển các cảm biến trực tiếp lên các bề mặt cong của một sợi quang học với bán kính 100 micromet, tại đó các cảm biến tiếp tục hoạt động bình thường.
Các thiết bị điện tử cũng có thể được tích hợp vào các bề mặt khác nhau thông qua lực van der Waals. Ví dụ, sau khi làm ướt bóng bán dẫn và cảm biến, các nhà nghiên cứu đã cho thấy rằng chúng có thể được gắn vào lá một cây tre sống và lớp biểu bì của một con bọ cánh cứng đang sống. Các nhà nghiên cứu cũng đã chứng minh rằng các cảm biến có thể được gắn lên bề mặt móng tay, mặt nạ, tay áo, băng keo và tờ báo.
Ứng dụng rộng rãi các thiết bị điện tử hoàn toàn bằng cacbon ở môi trường ngoài trời có thể hữu ích theo nhiều lý do. Ở đây các nhà nghiên cứu cho thấy rằng các cảm biến này có thể phát hiện các mức hơi DMMP rất thấp, được sử dụng để sản xuất khí độc thần kinh như soma và sarin. Các cảm biến này cũng có thể được sử dụng để giám sát điều kiện môi trường, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, ô nhiễm và nhiễm trùng. Tất cả điều này có thể được thực hiện mà không cần nguồn điện đi kèm.
"Thiết bị này được tích hợp ăng-ten", Park nói. "Do vậy, có thể truyền điện và các tin hiệu cảm ứng không dây mà không cần pin". Do độ bám dính tốt của chúng lên các bề mặt không phẳng của các vật liệu sinh học, các thiết bị điện tử hoàn toàn bằng cacbon cũng có tiềm năng sử dụng làm thiết bị có thể cấy ghép sinh học. Các nhà nghiên cứu dự kiến khám phá những ứng dụng tiềm năng trong tương lai, ví dụ như theo dõi bệnh tiểu đường, ô nhiễm, phóng xạ bằng các thiết bị điện tử mặc trên người.
KT (Nguồn: www.vista.gov.vn)