Đồng hồ thông minh có thể được chế tạo chỉ từ máy in phun kỹ thuật số

Mới đây, các nhà nghiên cứu đã tiến một bước theo định hướng này thông qua in một dãy bóng bán dẫn đáng tin cậy, rẻ tiền-các thành phần then chốt của các thiết bị điện tử hiện đại-và sử dụng chúng để thực hiện các nhiệm vụ tính toán cơ bản. Công trình nghiên cứu này một ngày nào đó có thể giúp mở ra một kỷ nguyên mới cho các thiết bị điện tử tiêu dùng linh hoạt như máy tính, điện thoại,... và thiết bị điện tử hữu cơ.

Thay vì sử dụng silicon thông thường, các mạch mới này được chế tạo từ các hợp chất hữu cơ hoặc các hợp chất gốc cácbon trong khi các mạch khác phải cả máy in phun kỹ thuật số kết hợp với các phương pháp kỹ thuật lắng đọng khác thì phương pháp mới này chỉ cần sử dụng một máy in phun kỹ thuật số để tạo ra khối nguyên vẹn.

“Tôi không thể nghĩ đến thiết bị nào ngoài thiết bị có ít nhất hai lớp. Và đây là một sản phẩm công nghệ rất tuyệt vời”, Ananth Dodabalapur, kỹ sư điện tử tại Trường Đại học Texas, không thuộc nhóm nghiên cứu, nói.

Hơn nữa, các thiết bị điện tử thương mại mới yêu cần phải nhỏ gọn, độ bền cao và linh hoạt để có thể sản xuất hàng loạt. Hiện nay gần như đa số các thiết bị trên thị trường đều phụ thuộc vào các mạch vi xử lý của nguyên tố hóa học silicon, mà trên đó các nhà sản xuất có thể khắc lên từng bóng bán dẫn siêu nhỏ. Riêng các loại máy tính, về cơ bản để chế tạo các mạch logic cho máy tính các kỹ sư có thể dùng các thiết bị chuyển mạch điện.

Tuy nhiên, các con chip bằng vật liệu silicon lại có một số nhược điểm đó là các lát silicon (loại vật liệu bán dẫn để chế tạo mạch tích hợp) lại khá cứng nên rất khó để chế tạo các mạch điện gốc silicon mềm dẻo. Những ý tưởng nghĩ rằng các thiết bị điện tử dễ uốn, nhỏ gọn,có thể cầm tay có thể chế tạo được bằng các vật liệu hữu cơ đã giúp mở ra các ứng dụng mới cho các thiết bị điện tử. Ví dụ như các thiết bị điện tử mềm dẻo có thể thu nhận các dữ liệu y tế quan trọng như độ cứng động mạch để có thể trợ giúp dự đoán các cơn đau tim và hoạt động điện não để có thể báo hiệu khả năng sắp lên cơn động kinh ở các bệnh nhân.

Để giúp mọi người có thể thấy rõ tiềm năng của các thiết bị mới này, Sungjune Jung, kỹ sư điện tại Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (Hàn Quốc) đã cùng với các đồng nghiệp thực hiện in thử các hệ thống đang hoạt động của các bóng bán dẫn hữu cơ nhằm xem xét quá trình in có dễ dàng hay không. Và để có thể chèn đầy nhiều bóng bán dẫn hết mức có thể, họ đã thiết kế ra các bóng bán dẫn có thể chất chồng lên nhau, thay vì đặt sát cạnh nhau trên con chíp và đóng gói thành công hai bóng bán dẫn vào không gian mà thông thường chỉ có thể đặt một bóng bán dẫn.

Tiếp đến, nhóm nghiên cứu tiến hành in duy nhất chỉ một lần các mạch điện đơn lớp có chiều cao 3 micrometer bằng một máy in phun kỹ thuật số. Trước đó, nhóm nghiên cứu đã tiến hành bọc phủ hợp chất gốc carbon trên bề mặt đáy để có thể hình thành các bộ phận mà từ đó các dòng điện có thể chạy vào trong và ra ngoài một bóng bán dẫn, sau đó các điện cực kim loại có thể kiểm soát dòng điện ở cả hai bóng bán dẫn, và cuối cùng các hợp chất sẽ tạo thành các bộ phận mang điện của bóng bán dẫn khác. Ở giữa các lớp bóng bán dẫn, nhóm nghiên cứu đặt các màng mỏng của vật liệu bảo vệ có tên là parylene. Như vậy thiết bị này bao gồm hơn 100 bóng bán dẫn, đủ để tạo ra các mạch điện logic có bổ sung vài phép tính toán cơ bản bao gồm phép cộng hai con số.

Theo báo cáo trên Tạp chí ACS Nano, thiết bị của Jung đã đạt một số tiêu chuẩn quan trọng. Tất cả các bóng bán dẫn đều hoạt động tốt với thời gian là 8 tháng từ sau khi sản xuất và đây được xem là một thành tích đầy ấn tượng đối với thiết bị điện tử hữu cơ, bởi vì các thiết bị này thường suy giảm chất lượng rất nhanh. Hơn nữa, quá trình chế tạo này yêu cầu nhiệt độ không cao hơn 120 độ C, so với nhiệt độ cần để chế tạo các lát silicon là mấy trăm độ C. Tuy nhiên, các thiết bị này còn xa mới có thể cạnh tranh thương mại với thiết bị bằng silicon mặc dù nhóm nghiên cứu có thể đóng gói khoảng 5 bóng bán dẫn transistor vào một milimet vuông trong khi đó các chip mạch tích hợp trong các máy tính ngày nay có thể chứa hàng triệu bóng bán dẫn trong cùng một không gian.

Do muốn chứng minh một khái niệm chứ không phải là xác định nguyên mẫu của sản phẩm nên nhóm nghiên cứu của Jung tiếp tục in mạch thiết bị trên kính cứng. Jung cũng cho biết, nhóm nghiên cứu đã thực hiện in các thành phần tương tự trên nhựa dẻo và các kết quả thu được sẽ sớm công bố rộng rãi.

Janos Veres, chuyên gia về thiết bị điện tử linh hoạt tại PARC - một tổ chức nghiên cứu ở Palo Alto, California cho biết: “Những thiếu sót của sản phẩm có thể giải quyết khi thương mại hóa sản phẩm và ông nhận thấy nghiên cứu này đã cho thấy một phương pháp mới để in và bảo vệ các thành phần mạch hữu cơ, tạo ảnh nhãn hiệu và các cảm biến chứa không chỉ hai mà rất nhiều các bóng bán dẫn, và có thể làm việc kết hợp với các chip silicon hoặc các công nghệ khác trong tương lai”.

P.T.T-NASATI (Theo Sciencemag)