Một nhóm các nhà khoa học tại Viện Khoa học và Kỹ thuật tiến tiến Hàn Quốc (KAIST) đã phát triển một lớp cách nhiệt polymer siêu mỏng hiệu năng cao cho các transistor hiệu ứng trường (field-effect transistors - FETs). Các nhà khoa học đã sử dụng các monomer hóa hơi để chế tạo các lớp màng mỏng polymer bao phủ đồng đều trên các bề mặt khác nhau bao gồm cả nhựa dẻo để tạo ra các lớp cách điện mềm dẻo có khả năng đáp ứng hàng loạt các yêu cầu cho các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo. Các kết quả nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí Nature Materials.
FETs là một linh kiện thiết yếu cho mọi thiết bị điện tử hiện đại dùng trong cuộc sống hàng ngày từ điện thoại di động, máy tính, cho đến các màn hình phẳng. Cùng với 3 điện cực: cực cổng G, cực nguồn S, và cực máng (cực thoát) D, FETs gồm một lớp cách điện và một lớp kênh bán dẫn. Lớp cách điện bên trong FET đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc kiểm soát độ dẫn điện của kênh bán dẫn, và do vậy kiểm soát dòng điện trong bóng bán dẫn. Để FET hoạt động tin cậy và năng lượng thấp, điều quan trọng là các chất cách điện siêu mỏng cách điện tốt. Thông thường, các cách điện này được làm từ các vật liệu vô cơ (như oxit và nitrit) được đặt trên bề mặt cứng như silic hay thủy tinh do chúng có các đặc tính cách điện và ổn định tuyệt vời.
Tuy vậy, các vật liệu cách điện này khó sử dụng trong các thiết bị điện tử mềm dẻo do độ cứng và nhiệt độ xử lý cao của chúng. Trong những năm gần đây, nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu polyme như các loại vật liệu cách điện đầy hứa hẹn phù hợp với các chất nền mềm phi truyền thống và các vật liệu bán dẫn mới. Tuy nhiên, kỹ thuật truyền thống sử dụng trong việc phát triển chất cách điện polymer có các hạn chế về lớp bao phủ bề mặt nhỏ với độ dày cực thấp, cản trở FET dùng làm các chất cách điện polymer hoạt động ở điện áp thấp.
Nhóm nghiên cứu AKAIST do các giáo sư Sung Gap Im, Seunghyup Yoo và Byung Jin Cho lãnh đạo đã phát triển được một lớp cách điện polymer hữu cơ - “pV3D3” có thể thu nhỏ kích thước xuống đáng kể, mà không làm mất đi các đặc tính cách điện lý tưởng của nó, với độ dày dưới 10 nanometer (nm) bằng phương pháp kỹ thuật có tên là “lắng đọng hơi hóa học” (initiated chemical vapor deposition-iCVD).
Quá trình xử lý bằng iCVD cho phép các hơi monomer và các chất mồi (initiators) phản ứng với nhau ở điều kiện chân không thấp, kết quả là các màng mỏng polymer với các đặc tính cách điện tuyệt vời “lắng đọng” lại trên chất nền. Không giống như các kỹ thuật truyền thống, đặc tính phát triển trên bề mặt của iVCD có thể khắc phục các vấn đề liên quan đến áp suất bề mặt và tạo ra các màng mỏng polymer siêu mỏng tinh khiết và có cấu trúc đồng đều cao trên khắp bề mặt rộng lớn gần như không có giới hạn. Ngoài ra, hầu hết các polymer iCVD được tạo ra ở nhiệt độ phòng, điều này giảm sự sức căng và hư hại lên các chất nền.
Với các chất cách điện pV3D3, nhóm nghiên cứu đã tạo ra được FET có hiệu suất cao, điện áp thấp dựa trên các vật liệu bán dẫn khác nhau như các chất hữu cơ, graphene, oxit, cho thấy hàng loạt độ tương thích vật liệu của chất cách điện pV3D3.
Họ cũng sản xuất được những linh kiện điện tử dính và tháo rời bằng cách sử dụng băng dính thông thường làm chất nền. Với sự cộng tác của giáo sư Yong-Young Noh ở đại học Dongguk - Hàn quốc, nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công một mảng bóng bán dẫn trên một chất nền dẻo kích thước lớn với chất cách điện pV3D3.
Giáo sư Im cho biết: “Khả năng thu nhỏ và độ tương thích trên phạm vi rộng của pV3D3 - iCVD là chưa từng có đối với các chất cách điện polymer. Màng mỏng polymer - iCVD pV3D3 của chúng tôi cho thấy hiệu suất cách điện tương đương với các lớp cách điện vô cơ, ngay cả khi độ dày của nó dưới 10nm. Chúng tôi hy vọng kết quả này sẽ mang lại nhiều lợi ích cho các thiết bị điện mềm dẻo hoặc linh hoạt, đây là những thiết bị sẽ đóng một vai trò hết sức quan trọng trong sự thành công của các thiết bị điện tử mới nổi chẳn hạn như các loại máy tính đeo trên người”.
Nguồn: NASATI, ngày 13/3/2015