ITO là một vật dẫn trong suốt được sử dụng rất phổ biến cho các thiết bị quang điện tử. Tuy nhiên, nó khá đắt do sự khan hiếm của Indium, có tính giòn và dễ vỡ nên không phù hợp cho các thiết bị điện tử mềm dẻo. Thêm vào đó, nhiệt độ cao dùng trong quá trình chế tạo ITO có thể gây hư hại cho các lớp hữu cơ. Gần đây, dây nano bạc (AgNWs) đã cho thấy các tính chất quang và điện gần như tương tự với ITO, nhưng lại linh hoạt hơn nhiều và có thể sử dụng cho quy trình sản xuất thiết bị liên tục, mang lại hiệu quả kinh tế bằng phương pháp dung dịch. Tuy nhiên, tỷ số nở nhiệt của AgNWs lại không phù hợp để duy trì độ dẫn thích hợp khi có độ biến dạng lớn.

 

Trong các ứng dụng thực tiễn, việc sản xuất các điốt quang trong suốt ở vùng ánh sáng khả kiến đã thu hút sự chú ý lớn trong nhiều năm qua, bởi vì thiết bị thực tế bình thường chỉ hoạt động trong vùng ánh sáng khả kiến. Vì vậy, các thiết bị có thể phát hiện cả photon từ ánh sáng nhìn thấy và UV trong một vùng duy nhất là không cần thiết. Ngoài ra, UV được chia thành ba loại là UVA, UVB và UVC tùy theo bước sóng của nó. Do đó, thiết bị thường được thiết kế và mô phỏng để có thể phát hiện ra các bước sóng mong muốn. Một trong những công nghệ quan trọng để cải thiện mức độ chọn lọc của thiết bị là điều chỉnh vùng cấm của lớp hoạt tính. Thực tế, mỗi loại vật liệu bán dẫn trong lớp hoạt tính có một vùng năng lượng cấm nhất định (eV) tương ứng với bước sóng (nm) hay năng lượng (eV) của photon tới. Để phát hiện một photon nào đó, năng lượng vùng cấm của lớp hoạt tính trong thiết bị phải khớp với bước sóng hay năng lượng của photon. Vì vậy, kỹ thuật điều chỉnh vùng cấm sẽ cho phép chúng ta thay đổi mức năng lượng vùng cấm của lớp hoạt tính để phát hiện một cách chính xác bước sóng của photon mong muốn.

Nhằm phát triển một thiết bị quang điện tử linh hoạt, trong suốt, có khả năng phát hiện tia UV trong dải bước sóng từ 200 đến 400 nm với độ nhạy, tính ổn định và độ chọn lọc cao (3S), TS. Trần Việt Cường và các cộng sự tại Trường Đại học Nguyễn Tất Thành - Bộ Giáo dục và Đào tạo đã thực hiện đề tài: “Chế tạo cảm biến tia cực tím linh hoạt và trong suốt dựa trên phương pháp tổng hợp dung dịch”.

Để đạt được điều này, đề tài sẽ tiến hành các thí nghiệm dựa trên phương pháp dung dịch và tập trung vào ba chủ đề chính. Đầu tiên, đề tài sẽ chế tạo điện cực dẫn điện linh hoạt và trong suốt. Tiếp theo, đề tài sẽ thiết kế và chế tạo lớp hoạt tính linh hoạt và trong suốt với cấu trúc nano để điều chỉnh vùng cấm, đồng thời phát triển và tối ưu hóa quy trình tổng hợp tất cả các thành phần này bằng phương pháp dung dịch ổn định. Cuối cùng, đề tài sẽ tích hợp điện cực dẫn linh hoạt và trong suốt (FT) cùng lớp hoạt tính FT vào thiết bị trên các loại vật liệu nền mềm, nhằm tạo ra một thiết bị hoàn chỉnh.

Sau một thời gian thực hiện, đề tài thu được các kết quả sau:

1. Điện cực dẫn linh hoạt trong suốt

Đề xuất giải pháp kết hợp vật liệu rGO (reduced Graphene Oxide) và sợi nano bạc (AgNWs) cho phép tạo ra dung dịch dẫn điện sẵn sàng cho quá trình phủ phun điện cực lưới trên nền dẻo và trong suốt ở nhiệt độ thấp. Giải pháp này giúp nâng cao độ dẫn điện của lớp sợi nano bạc, đặc biệt khi bị uốn cong hoặc biến dạng. Vai trò của lớp vật liệu rGO là gia cố các liên kết giữa các sợi nano bạc khi chịu tác động biến dạng, từ đó giảm điện trở mối nối giữa các sợi nano bạc.

Việc thay đổi độ rộng vùng cấm của lớp hoạt động với cấu trúc đa chiều nano bằng phương pháp tổng hợp dung dịch dễ dàng tạo ra tổ hợp nhiều loại vật liệu với rất nhiều cấu trúc ở kích thước nano khác nhau.

Những cấu trúc đa chiều được hình thành bằng cách tổ hợp các loại vật liệu khác nhau này cho phép thay đổi độ rộng năng lượng vùng cấm so với các vật liệu riêng lẻ. Từ đó, có thể sử dụng các cấu trúc này cho lớp vật liệu hoạt động để chế tạo các thiết bị cảm biến hoạt động ở từng vùng ánh sáng khác nhau, với độ chọn lọc có thể điều chỉnh được.

2. Chế tạo thiết bị FT-UVS với cấu trúc điện cực lưới dưới đáy (bottom-electrode)

Với đề xuất và thiết kế cấu trúc thiết bị FT-UVS (Flexible Transparent - Ultraviolet Sensor) có điện cực lưới dưới đáy, việc chế tạo thiết bị FT-UVS bằng phương pháp dung dịch trở nên khả thi. Cấu trúc này rất phù hợp với phương pháp dung dịch vì cho phép phủ phun từng lớp vật liệu theo giải pháp bottom-up với nhiệt độ thấp và kích thước lớn. Quy trình này hoàn toàn tương thích với các loại đế nền dẻo và trong suốt. Cần lưu ý rằng, nếu phương pháp chế tạo với nhiệt độ lớn hơn 250 độ C, sẽ dẫn đến hiện tượng biến dạng của đế nền dẻo (PET). Điều này khiến thiết bị FT-UVS hoạt động không tốt, biểu hiện qua việc không thể hồi phục đường baseline, thời gian phản ứng và thời gian hồi phục lâu. Nguyên nhân là do khi gia tăng nhiệt độ quá mức cho phép (250 độ C), đế nền sẽ bắt đầu bị biến dạng, dẫn đến suy giảm các tiếp xúc giữa các lớp vật liệu và hình thành các bẫy điện tử ở các lớp tiếp xúc.

3. Chế tạo hệ đo đạc và quy trình đo đạc FT-UVS

Trong nghiên cứu này, một thiết bị và quy trình đo đạc đầy đủ để đánh giá đặc tính hoạt động của cảm biến tia cực tím linh hoạt trong suốt đã được chế tạo và thiết lập. Kết quả thu được từ nghiên cứu này không chỉ là tiền đề để nhóm thực hiện đề tài tiếp tục nghiên cứu các loại cảm biến quang học với các vùng ánh sáng khác vùng cực tím, mà còn giúp nhóm mở rộng nghiên cứu sang các loại cảm biến khác, như cảm biến khí, cảm biến VOCs, v.v.

Nhìn chung, kết quả nghiên cứu này đã tạo ra một nền tảng vững chắc cho sự phát triển các thiết bị điện tử quang linh hoạt, trong suốt và hiệu quả.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 21168/2022) tại Cục Thông tin, Thống kê.

P.T.T (NASTIS)