Hình ảnh kính hiển vi cộng hưởng của vật liệu bán dẫn TAT. Ảnh: Đại học Cambridge

Bán dẫn là trụ cột của công nghệ hiện đại, ứng dụng trong mọi thứ từ điện thoại thông minh, máy tính đến tàu vũ trụ và các máy gia tốc hạt.

Bán dẫn có thể được phân loại thành hai nhóm chính: bán dẫn vô cơ (inorganic) và bán dẫn hữu cơ (organic). Trong khi silicon và germani là những vật liệu vô cơ được sử dụng phổ biến do hiệu suất cao và quy trình sản xuất đã được tối ưu, bán dẫn hữu cơ lại đem đến những điểm mạnh độc đáo, đặc biệt trong các ứng dụng cần tính linh hoạt như màn hình OLED hay các cảm biến.

Các nhà khoa học đã tận dụng một tính chất đặc biệt của bán dẫn hữu cơ để nâng cao hiệu suất hiển thị: tính đối xứng tay (đối xứng trái-phải) hay chirality.

Tính đối xứng - Nguyên tắc mới trong điều khiển ánh sáng

Tính chất đối xứng trục, khiến vật thể hoặc phân tử có thể tồn tại dưới hai dạng gồm "tay trái" và "tay phải". Một ví dụ đơn giản là hai bàn tay của chúng ta, chúng là hình ảnh gương của nhau nhưng không thể chồng khớp lên nhau hoàn toàn.

Trong chất bán dẫn, tính quang học có thể được sử dụng để điều chỉnh hướng ánh sáng khi được tạo ra hoặc phát ra, còn được gọi là phân cực. Ứng dụng này giúp tối ưu hiệu suất của các màn hình, vì hiện tại rất nhiều năng lượng đang bị lãng phí trong quá trình lọc ánh sáng.

“Không giống như chất bán dẫn vô cơ cứng, vật liệu phân tử cung cấp tính linh hoạt đáng kinh ngạc, cho phép chúng tôi thiết kế các cấu trúc hoàn toàn mới, như đèn LED quang học. Giống như làm việc với một bộ Lego với mọi hình dạng mà bạn có thể tưởng tượng, thay vì chỉ là những viên gạch hình chữ nhật”, đồng tác giả Giáo sư Sir Richard Friend từ Phòng thí nghiệm Cavendish của Cambridge cho biết.

Thiết bị OLED. Tác giả: Tiến sĩ Seung-Je Woo

Ánh sáng phân cực tròn và công nghệ màn hình tương lai

Các nhà khoa học đã phát triển vật liệu triazatruxene (TAT) có khả năng tự tấp hợp thành các cấu trúc xoắn, hướng dẫn các electron di chuyển theo quãn tính xoắn và phát ra ánh sáng xanh lá với phân cực hóa cao.

Các nhà nghiên cứu đã tích hợp vật liệu TAT vào quy trình chế tạo OLED tiêu chuẩn, đóng vai trò như một thành phần bổ sung trong vật liệu chủ. Khi được kích thích bởi ánh sáng xanh hoặc tia cực tím, các cấu trúc tự lắp ráp của TAT phát ra ánh sáng xanh lục rực rỡ với độ phân cực tròn mạnh. Nói cách khác, ánh sáng phát ra xoay theo cùng hướng với cấu trúc xoắn ốc của vật liệu.

Các thiết bị OLED thử nghiệm đạt hiệu suất lượng tử bên ngoài lên đến 16%, tức là 16% năng lượng điện được chuyển hóa thành ánh sáng thoát ra ngoài. Đặc biệt, ánh sáng duy trì độ phân cực tròn ổn định trong suốt quá trình hoạt động.

Ngoài ra, cường độ ánh sáng phát ra cao gấp 200 lần so với màn hình LCD thông thường, đồng thời có thể hoạt động liên tục hơn 100 giờ mà vẫn giữ được độ ổn định vượt trội.

Nghiên cứu này đánh dấu một bước đột phá quan trọng trong lĩnh vực bán dẫn hữu cơ, góp phần thúc đẩy một ngành công nghiệp trị giá hơn 60 tỷ USD.

Không chỉ giới hạn trong công nghệ màn hình, phát minh này còn mở ra tiềm năng ứng dụng rộng lớn trong điện toán lượng tử và spintronics, một lĩnh vực tiên tiến tận dụng spin của electron để xử lý và lưu trữ thông tin hiệu quả hơn.