Chìa khóa TKNL cho thiết bị điện tử "uốn dẻo"

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Viện khoa học và công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) đã phát triển một vật liệu cách điện polyme siêu mỏng hiệu năng cao dành cho tranzito hiệu ứng trường (FET).

FET là thành phần thiết yếu cho mọi thiết bị điện tử hiện đại đang được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, từ điện thoại di động và máy tính, đến màn hình phẳng. Cùng với ba điện cực (cổng, nguồn, và cống), FET bao gồm một lớp cách điện và một lớp kênh bán dẫn.

Lớp cách điện trong FET đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát độ dẫn của kênh bán dẫn, kể cả lưu lượng dòng chảy các bộ chuyển đổi. Để FET có thể hoạt động ổn định và tiết kiệm năng lượng, một lớp cách điện siêu mỏng và mạnh mẽ là điều vô cùng cần thiết. Thông thường, những lớp cách điện như vậy thường được làm từ các vật liệu vô cơ (ví dụ như ô-xít và ni-trít) được hình thành trên một bề mặt cứng như silicon hoặc thủy tinh nhờ tính năng cách điện tốt và ổn định của chúng.

Tuy nhiên, những loại vật liệu cách điện như trên rất khó áp dụng vào các thiết bị điện tử “uốn dẻo” do độ cứng và nhiệt độ chế tạo cao. Trong những năm gần đây, nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu polyme với tư cách là một loại vật liệu cách điện đầy hứa hẹn với khả năng tương thích cao độ với các chất nền phi truyền thống mềm và các loại vật liệu bán dẫn mới.

Tuy nhiên, kỹ thuật truyền thống trong việc phát triển một chất cách điện polyme có những giới hạn về diện tích bề mặt thấp ở độ dày cực thấp, cản trở việc hoạt hoá lớp cách điện polyme FET ở điện áp thấp.

Một nhóm nghiên cứu do Sung Gap Im, giáo sư khoa kỹ thuật hoá học và sinh học phân tử, Seunghyup Yoo và Byung Jin Cho, giáo sư khoa kỹ thuật điện của KAIST đã phát triển một lớp cách điện polyme hữu cơ, "pV3D3," với khả năng giảm thiếu đáng kể kích thước, trong khi vẫn đảm bảo tính năng cách điện như bình thường, độ dày này nay đã giảm còn 10 nm so với kỹ thuật pha hơi làm khô tổng thể với tên gọi “lắng đọng hơi hóa học (iCVD)."

Quá trình iCVD cho phép đơn hợp khí và bộ khởi động phản ứng với nhau trong điều kiện chân không thấp, và kết quả là, màng polyme bảo giác với tính cách điện tuyệt vời sẽ nhanh chóng được tạo ra trên chất nền. Không giống như các kỹ thuật truyền thống, tính năng hình thành trên bề mặt của iCVD có thể dễ dàng vượt qua những vấn đề liên quan đến sức căng bề mặt và tạo ra những lớp màng polyme cách điện siêu mỏng đồng đều trên một bề mặt rộng lớn không có giới hạn về bề mặt hay chất nền. Hơn nữa, hầu hết các polyme iCVD được tạo ra ở nhiệt độ phòng, nhờ đó làm giảm sức căng và hư hỏng của chất nền.

Với vật liệu cách điện pV3D3, nhóm nghiên cứu đã tạo ra được những FET có hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng dựa trên nhiều loại vật liệu bán dẫn khác nhau như chất hữu cơ, lá graphit và ô-xít, điều đó cho thấy tính tương thích cao với nhiều loại vật liệu của pV3D3. Họ cũng đã chế tạo một thành phần điện tử dạng dán có thể thay thế sử dụng băng keo thông thường làm chất nền. Bên cạnh đó, trong một dự án hợp tác với giáo sư Yong-Young Noh của Đại học Dongguk Hàn Quốc, nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công một mảng tranzito trên một diện tích chất nền lớn bằng vật liệu cách điện pV3D3.

Giáo sư Im cho biết, "Khả năng giảm kích thước và tương thích cao của pV3D3 là chưa từng có tiền lệ đối với vật liệu cách điện polyme. Màng cách điện pV3D3 iCVD của chúng tôi cho thấy tính năng cách điện vượt trội so với các màng cách điện sử dụng vật liệu vô cơ, với kích thức nhỏ hơn 10 nm. Chúng tô hy vọng sự phát triển này sẽ giúp ích nhiều cho việc sản xuất các thiết bị điện tử uốn dẻo.”

Anh Tuấn (Theo Science Daily)