Bằng cách sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) siêu nhạy – công cụ phân tích vật liệu bằng cách “cảm nhận” chúng – các nhà khoa học đã đo được độ cứng của các phân tử bán dẫn linh hoạt khi chúng được sắp xếp, xuống đến quy mô chỉ vài phân tử.

Kết quả, được công bố trên tạp chí Nature Communications, cung cấp bằng chứng thực nghiệm đầu tiên rằng độ cứng cơ học của từng phân tử góp phần vào độ cứng tổng thể của vật liệu. Trong tương lai, nghiên cứu này có thể giúp xác định liệu tính linh hoạt có đặt ra giới hạn cơ bản cho tốc độ và hiệu quả của các thiết bị điện tử linh hoạt hay không.

Silicon vs. bán dẫn hữu cơ: sự đánh đổi giữa tốc độ và linh hoạt

Khác với silicon – vốn cứng và có cấu trúc tinh thể – các bán dẫn hữu cơ được tạo thành từ phân tử carbon, hình thành nên vật liệu mềm và dễ uốn. Đây là yếu tố quan trọng cho màn hình cuộn và thiết bị nhẹ, nhưng có thể phải trả giá bằng hiệu suất.

“Điện tử silicon nhanh một phần vì silicon rất cứng và có trật tự, giúp điện tích di chuyển dễ dàng,” tiến sĩ Deepak Venkateshvaran từ Phòng thí nghiệm Cavendish, Cambridge, chia sẻ. “Trong nhiều thập kỷ, chúng ta đã phát triển điện tử linh hoạt mà chưa thực sự hiểu ‘tính linh hoạt’ ở cấp độ phân tử nghĩa là gì, và liệu nó có ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện hay không.”

Thí nghiệm với “kim nano” và phân tử DNTT

Để kiểm chứng, nhóm nghiên cứu dùng AFM với một “kim” siêu nhỏ – chỉ khoảng 10 nanomet – để ấn nhẹ lên bề mặt và đo độ biến dạng.

Họ tập trung vào một loại bán dẫn hữu cơ phổ biến trong transistor linh hoạt: DNTT. Sau đó, nhóm so sánh DNTT với các biến thể có gắn thêm “chuỗi bên” – những nhánh hóa học mềm dẻo.

Kết quả cho thấy:

• DNTT nguyên bản là cứng nhất.
• Các phiên bản có chuỗi bên dài và linh hoạt thì mềm hơn rõ rệt.

Điều này xác nhận giả thuyết lâu nay rằng chuỗi bên làm vật liệu mềm hơn, nhưng đây là lần đầu tiên hiệu ứng này được đo trực tiếp ở cấp độ phân tử.

Ý nghĩa: “trần kính” cho tốc độ của điện tử linh hoạt?

Venkateshvaran ví kết quả như một bức tường gạch: trước đây, các nhà khoa học chỉ tập trung vào “vữa” – lực yếu liên kết các phân tử. Nhưng nghiên cứu này cho thấy “viên gạch” – bản thân từng phân tử – cũng đóng vai trò quan trọng.

Điều này mở ra khả năng thiết kế vật liệu ở cấp độ phân tử: tinh chỉnh độ cứng để đạt được tính chất cơ học và điện tử mong muốn.

“Chúng tôi chưa chứng minh rằng độ cứng quyết định hiệu suất điện tử,” ông nói, “nhưng giờ chúng ta đã có công cụ để đặt câu hỏi đó một cách đúng đắn.”

Trong dài hạn, nghiên cứu có thể giúp xác định mức độ “mềm” tối đa mà vật liệu linh hoạt có thể chấp nhận trước khi hiệu suất dẫn điện bị giới hạn.

“Có thể tồn tại một ‘trần kính’ cho khả năng dẫn điện của vật liệu phân tử linh hoạt,” Venkateshvaran nhận định. “Nếu hiểu rõ mối quan hệ giữa độ cứng và vận chuyển điện tích, chúng ta có thể tìm cách vượt qua giới hạn đó.”