Hình ảnh minh họa nghệ thuật của cấu trúc lưới bước sóng nhỏ được làm từ molypden diselenide nhiều lớp. Nguồn ảnh: E. Pruszyńska-Karbownik, Khoa Vật lý, Đại học Warsaw

Các nhà khoa học từ Khoa Vật lý thuộc Đại học Warsaw , hợp tác với các nhóm nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Lodz, Đại học Công nghệ Warsaw và Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan, đã tạo ra một cấu trúc có thể giữ lại ánh sáng hồng ngoại trong một lớp chỉ dày 40 nanomet (khoảng 0,00004 milimét hoặc 0,0000016 inch), bằng cách thiết kế một mạng lưới bước sóng nhỏ làm từ molypden diselenide (MoSe2). Kết quả nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí ACS Nano .

Việc kiểm soát ánh sáng ở quy mô rất nhỏ có thể làm thay đổi cả khoa học và công nghệ. Khi các thiết bị điện tử truyền thống đang tiến gần đến giới hạn vật lý của chúng, quang học mở ra một hướng đi mới. Thay vì dựa vào các electron chuyển động chậm, hệ thống quang học sử dụng các photon chuyển động nhanh để truyền tải thông tin. Cách tiếp cận này có thể dẫn đến các thiết bị vừa nhanh hơn vừa nhỏ hơn so với các công nghệ hiện tại.

Thách thức của ánh sáng như một làn sóng

Ánh sáng đặt ra một thách thức cơ bản vì nó vừa có tính chất hạt vừa có tính chất sóng. Mỗi sóng đều có bước sóng, xác định một thang đo kích thước tự nhiên. Đối với ánh sáng nhìn thấy, khoảng cách này thường là vài trăm nanomet. Đối với ánh sáng hồng ngoại, nó có thể đạt tới một micromet hoặc hơn. Điều này đặt ra một câu hỏi quan trọng: liệu ánh sáng có thể bị giam hãm trong các cấu trúc nhỏ hơn bước sóng của chính nó hay không?

Nhóm nghiên cứu đã chứng minh điều đó là khả thi. Họ đã phát triển một cấu trúc có khả năng giữ lại ánh sáng hồng ngoại trong một lớp chỉ dày 40 nanomet (khoảng 0,00004 milimét hoặc 0,0000016 inch). Điều này được thực hiện nhờ sử dụng một mạng nhiễu xạ dưới bước sóng được chế tạo từ molypden diselenide (MoSe2), như đã mô tả trong tạp chí ACS Nano.

Mạng nhiễu xạ dưới bước sóng là gì?

Một mạng nhiễu xạ dưới bước sóng là một loại mạng nhiễu xạ được tạo thành từ các dải song song đặt sát nhau. Cấu trúc này bẻ cong và tách ánh sáng theo cách tương tự như lăng kính. Khi khoảng cách giữa các dải nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng, mạng nhiễu xạ có thể hoạt động như một tấm gương gần như hoàn hảo. Đồng thời, nó có thể giữ ánh sáng trong một thể tích rất nhỏ.

Các phiên bản trước của những tấm lưới này, được làm từ các vật liệu như silicon, gallium arsenide hoặc gallium nitride, cần phải dày vài trăm nanomet mới hoạt động hiệu quả. Nếu làm mỏng hơn, chúng sẽ mất khả năng giữ ánh sáng.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một loại vật liệu có chiết suất cao hơn nhiều. Trong những vật liệu như vậy, ánh sáng truyền đi chậm hơn. Molypden diselenide tỏ ra đặc biệt hiệu quả. Ánh sáng chậm lại khoảng 1,5 lần khi đi vào thủy tinh từ không khí và khoảng 3,5 lần trong silicon hoặc gallium arsenide, nhưng chậm lại khoảng 4,5 lần trong MoSe2. Điều này cho phép nhóm nghiên cứu thu nhỏ độ dày của lưới xuống chỉ còn vài chục nanomet, mỏng hơn hơn một nghìn lần so với sợi tóc người.

Hiệu ứng phi tuyến tính và biến đổi ánh sáng

Molypden diselenide cũng có những ưu điểm khác. Giống như graphene, nó là một vật liệu nhiều lớp, nhưng không giống như graphene, nó hoạt động như một chất bán dẫn. Nó cũng thể hiện các hiệu ứng quang học phi tuyến tính, bao gồm cả sự tạo ra sóng hài bậc ba.

Trong quá trình này, ba photon kết hợp lại để tạo thành một photon duy nhất với tần số gấp ba lần. Kết quả là, ánh sáng hồng ngoại có thể được chuyển đổi thành ánh sáng xanh lam. Điều này xảy ra vì ba photon hồng ngoại “kết hợp” thành một, có bước sóng tương ứng với màu xanh lam. Theo nghiên cứu trên Tạp chí ACS Nano, sự giam hãm mạnh mẽ của ánh sáng bên trong cấu trúc lưới MoSe2 làm tăng hiệu ứng này lên hơn 1.500 lần so với lớp MoSe2 phẳng.

Nghiên cứu này đáng chú ý không chỉ vì hiệu suất mà còn vì cách thức sản xuất vật liệu. Cho đến nay, các lớp mỏng MoSe2 thường được tạo ra bằng phương pháp bóc tách, cùng phương pháp được sử dụng cho graphene. Phương pháp này bao gồm việc bóc tách các lớp từ một tinh thể bằng băng dính.

Mặc dù đơn giản, phương pháp bóc tách không đáng tin cậy lắm và chỉ tạo ra các mẫu nhỏ. Kích thước điển hình khoảng mười micromet vuông, quá nhỏ đối với hầu hết các ứng dụng thực tế, bao gồm cả mạch tích hợp quang tử.

Để khắc phục hạn chế này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE), một phương pháp tiêu chuẩn để sản xuất các lớp bán dẫn. Kỹ thuật này trước đây chưa từng được áp dụng cho các vật liệu như MoSe2.

Bước đột phá trong phương pháp chế tạo

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra các lớp MoSe2 đồng nhất, phủ diện tích vài inch vuông, tất cả đều có độ dày nhất quán là 40 nanomet (khoảng 0,00004 milimét hoặc 0,0000016 inch). Điều này tạo ra tỷ lệ kích thước cực cao, khoảng 1:1 triệu. Để so sánh, một tờ giấy A4 thông thường có tỷ lệ khoảng 1:2000.

Những phát hiện này cho thấy molypden diselenide được sản xuất theo cách này có thể thay đổi cách các nhà khoa học kiểm soát ánh sáng. Không còn cần đến các cấu trúc dày nữa. Thay vào đó, các lớp siêu mỏng chỉ dày vài chục nanomet có thể đạt được khả năng giam giữ ánh sáng mạnh mẽ và các hiệu ứng quang học được tăng cường. Vì phương pháp sản xuất có thể mở rộng quy mô, công nghệ này có thể vượt ra khỏi phòng thí nghiệm và được ứng dụng trong thực tế.