Quang detector graphene lập kỉ lục mới

Graphene nổi tiếng với sức bền và độ dẫn điện ưu việt của nó – những tính chất khiến các nhà nghiên cứu tìm cách sử dụng nó trong các ứng dụng từ vợt tennis cho đến đồ điện tử dẻo.

Nay mạng lưới carbon dày một nguyên tử này vừa lập thêm một kì công mới. Ba nhóm nghiên cứu độc lập nhau đã chứng minh rằng graphene có thể biến đổi hiệu quả ánh sáng hồng ngoại thành tín hiệu điện, với vai trò là một bộ phận của những dụng cụ gọi là quang detector (máy dò sáng). Là những bộ phiên dịch dữ liệu quang học nhanh và chính xác, các quang detector graphene có thể tăng tốc máy vi tính và cắt giảm đáng kể công suất tiêu hao của chúng. Mỗi dụng cụ có kiến trúc hơi khác nhau, nhưng cả ba dụng cụ vừa nói đều được công bố trên tạp chí Nature Photonics.^1-3

Hiệu quả này đáng cạnh tranh với các quang detector hiện có. “Chúng tôi thấy graphene đang tiến tới chỗ có thể cạnh tranh với công nghệ ngày nay,” phát biểu của nhà vật lí Dirk Englund tại Viện Công nghệ Massachusetts, người đã phát triển một trong các quang detector graphene¹. “Đó là một bước tiến mới quan trọng”.

Sợi quang sử dụng ánh sáng để truyền dữ liệu trên những cự li dài. Tuy nhiên, bên trong máy vi tính, các electron vẫn phải len lỏi trong các rãnh đồng để vận chuyển các bit dữ liệu bên trong con chip và từ chip này sang chip khác. Không những các mạch điện tử thông thường chậm hơn quang sợi học, mà chúng còn lãng phí rất nhiều năng lượng để kháng lại điện trở của đồng.

Để tích hợp các con chip vào sợi quang, các kĩ sư điện cần đến những bộ cảm biến ánh sáng nhỏ xíu có thể biến đổi đa bước sóng ánh sáng thành những xung điện. Nhưng các quang detector thông thường sử dụng chất bán dẫn germanium chỉ biến đổi được một ngưỡng hẹp bước sóng.

Một họ quang detector mới cảm biến ánh sáng bằng graphene. Dụng cụ sử dụng một đường dẫn silicon (màu xanh) thu gom ánh sáng, dùng một tấm graphene (màu xám) để tăng tính hấp thụ của nó, từ đó dây dẫn (màu vàng) có thể nhận được một tín hiệu điện. Ảnh: Thomas Mueller

Thu hẹp khoảng cách

Đó là chỗ graphene thắng thế. Germanium chỉ có thể phát hiện những photon có đủ năng lượng để đẩy các electron băng qua một hàng rào năng lượng gọi là khe năng lượng, cho phép điện tích chuyển động tự do trong khối chất bán dẫn. Nhưng “graphene có thể phát hiện bước sóng bất kì bởi vì nó không có khe năng lượng”, phát biểu của nhà vật lí Thomas Mueller tại trường Đại học Kĩ thuật Vienna, người cũng vừa chế tạo quang detector graphene². Ngoài ra, graphene còn rẻ hơn germanium, và dễ tích hợp vào chip silicon.

Nhưng quang detector graphene đầu tiên, được chế tạo vào năm 2009⁴, cực kì không hiệu quả, bởi vì vật liệu cho phần lớn ánh sáng đi qua. Ba nhóm nghiên cứu trên đã khắc phục được vấn đề này bằng cách rót phễu ánh sáng theo một đường dẫn sóng silicon chạy song song với tấm graphene (xem ảnh), và tăng tương tác ánh sáng mà không làm giảm tốc độ.

Những dụng cụ mới tạo ra dòng điện gấp 50-100 lần những detector trước đây, với cùng liều lượng ánh sáng. Mặc dù vẫn còn kém 10 lần so với quang detector germanium, nhưng “khoảng cách đang thu hẹp rất, rất nhanh,” Englund nói.

Các electron có thể chuyển động trong graphene với tốc độ cao, khiến vật liệu này lí tưởng cho việc xử lí những lượng lớn dữ liệu. “Đây là chỗ những dụng cụ này có khả năng tốt hơn các detector hiện có,” Englund nói. Quang detector của nhóm ông có thể xử lí 12 gigabit dữ liệu mỗi giây – “một con số đẹp cho các dụng cụ quang điện tử tốc độ cao” – và có khả năng còn cao hơn nữa.

Một nhóm nghiên cứu thứ ba, tại trường Đại học Hong Kong, đã chế tạo³ một quang detector graphene có thể phát hiện ra bước sóng ánh sáng dài hơn, trong vùng hồng ngoại trung của quang phổ. Hơn nữa, nó có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng, trong khi các detector trước nay phát hiện được những bước sóng này cần được làm lạnh tới nhiệt độ của nitrogen lỏng. Điều đó khiến nó đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng đo phản ứng của phân tử trước ánh sáng hồng ngoại để nhận biết những hóa chất nhất định trong môi trường, hay trong mẫu xét nghiệm.

Khó khăn chính trong việc thương mại hóa những dụng cụ này là việc sản xuất hàng loạt graphene chất lượng cao. Cả ba nhóm đều chế tạo graphene bằng phương pháp thủ công, bóc tách từng lớp carbon từ một mẫu lớn hơn. Nhưng các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm những công nghệ sản xuất khác có triển vọng hơn, ví dụ như lắng hơi hóa chất, để tăng quy mô sản xuất.⁵

Theo Nature (doi:10.1038/nature.2013.13744)

Tham khảo:

1. Gan, X. et al. Nature Photon. http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2013.253 (2013)

2. Pospischil, A. et al. Nature Photon. http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2013.240 (2013).