Vật liệu siêu hấp thụ ánh sáng từ graphene

111

Với chiều dày chỉ khoảng vài lớp nguyên tử, vật liệu mới này có thể được ứng dụng để chế tạo nên những thiết bị siêu mỏng giống như giấy dán tường thông minh (smart wallpaper). Loại giấy này có thể tạo ra điện năng từ các nguồn nhiệt hay ánh sáng yếu.

Vào ngày 3/3/2016, trang tin khoa học Materials Today đã đăng thông tin phát minh mới về vật liệu siêu hấp thụ ánh sáng làm từ graphene [1]. Với chiều dày chỉ khoảng vài lớp nguyên tử, vật liệu mới này có thể được ứng dụng để chế tạo nên những thiết bị siêu mỏng giống như giấy dán tường thông minh (smart wallpaper). Loại giấy này có thể tạo ra điện năng từ các nguồn nhiệt hay ánh sáng yếu. Điều này sẽ dẫn đến một loạt ứng dụng mới trong lĩnh vực “kết nối vạn vật” (internet of things) – là một viễn cảnh trong đó con người và các thiết bị được kết nối qua một mạng lưới có khả năng tự động truyền tải dữ liệu mà không cần sự tương tác giữa con người với con người hoặc con người với máy tính. Phát minh mới đã được công bố trên tạp chí khoa học Science Advances [2].
Graphene là một lớp đơn nguyên tử của cácbon có kích thước 2 chiều liên kết với nhau theo kiểu hình lục giác tuần hoàn, được hai nhà khoa học Andre K. Geim và Konstantin S. Novoselov từ trường Đại học Manchester (Anh quốc) tìm ra vào năm 2004 [3]. Đến năm 2010, họ được trao tặng giải Nobel Vật lý cho sự khám phá đó. Với các tính chất ưu việt như độ bền cực cao, độ linh động của các hạt dẫn điện rất lớn, trong suốt về mặt quang học [4] nên chúng trở thành một đề tài nghiên cứu rất hấp dẫn cho các nhà nghiên cứu vật lý, hoá học, vật liệu học, điện học và cả sinh học. Các ứng dụng nổi bật có thể kể đến như các tấm pin năng lượng mặt trời (photovoltaic solar cell), các bộ lưu trữ năng lượng, siêu tụ điện (supercapacitor), transitor hiệu ứng trường (field-effect transistor), các mạch tích hợp (intergrated circuit) trong các thiết bị điện tử, cảm biến hóa học (chemical sensor), cảm biến sinh học (biosensor)… [5-7].
Với chiều dày chỉ bằng một nguyên tử, thông thường một lớp graphene chỉ có thể hấp thu khoảng 2-3% lượng ánh sáng từ mặt trời [1]. Vì vậy nhiều phương pháp ghép tương tác quang học (light coupling) đã được tiến hành để gia tăng độ hấp thu này. Một loạt các nghiên cứu có thể kể đến như ghép tương tác các lớp graphene với cụm plasmonic cộng hưởng (resonant plasmonic clusters), bộ phát cộng hưởng plasmonic hình thành từ các cấu trúc nano graphene đơn lớp (single-layer graphene nanostructures), ghép với các bộ cộng hưởng hố nano (nanocavity resonators), graphene ghép với hố nano tinh thể quang tử (photonic crystal nanocavity) [2]… Tuy nhiên độ hấp thu cao nhất chỉ lên đến 45% và với ánh sáng trong một dải phổ hẹp.
Trong nghiên cứu của mình, các nhà khoa học từ trường đại học Surrey đã ứng dụng một kĩ thuật gọi là sắp đặt vi mô (nanotexturing), lấy cảm hứng từ cấu trúc mắt của con bướm đêm (moth). Trong phương pháp này, một lớp graphene siêu mỏng được phát triển xung quanh các bề mặt kim loại có cấu trúc nano (textured metallic surface). Cấu trúc nano của bề mặt graphene/kim loại sẽ hạn chế được sự phản xạ của ánh sáng và giữ ánh sáng lại trong các khe nano hẹp ở giữa bề mặt. Kết quả là lượng ánh sáng hấp thu được lên đến 95% và trải đều trên một dải phổ rộng từ vùng tia cực tím đến vùng ánh sáng hồng ngoại [2]. Con bướm đêm cũng dùng cơ chế tương tự để có thể nhìn được các vật thể trong điều kiện ánh sáng rất yếu vào ban đêm [1].
Thành công này có thể dẫn đến các ứng dụng tuyệt vời như pin năng lượng mặt trời có thể hoạt động với ánh sáng yếu, giấy dán tường, dán cửa sổ thông minh có thể tạo ra điện từ các nguồn sáng và nhiệt yếu, các bộ cảm biến (sensors) và các bộ thu năng lượng (energy harvesters) được kết nối với nhau qua “Internet of Things”…Một lĩnh vực đầy hứa hẹn đang mở ra cho các công ty công nghệ.