Là một trong những thành công nổi bật của việc ứng dụng hiệu ứng tiếp xúc nano dị thể giữa vật liệu 1D (dây nano ô xit) và 2D (Graphene), từ đó đưa ra các mô hình mới, cấu trúc mới, với tiếp xúc phân cực ngược của Cụm công trình "Nghiên cứu chế tạo một số cảm biến khí có độ nhạy cao trên cơ sở vật liệu nano oxit kim loại bán dẫn và tổ hợp nano carbon bằng công nghệ vi điện tử" do Giáo sư Nguyễn Đức Chiến và các đồng nghiệp đã vinh dự được Chủ tịch nước Nguyễn Xuân Phúc trao Giải thưởng Nhà nước về Khoa học và Công nghệ (KH&CN) đợt 6 vừa qua.
Mô hình, cấu trúc mới
Giáo sư Nguyễn Đức Chiến cho biết, đây là một trong những nhóm nghiên cứu đầu tiên trên thế giới đề xuất ứng dụng hiệu ứng tiếp xúc nano dị thể giữa vật liệu 1D (dây nano ô xit) và 2D (Graphene), từ đó đưa ra các mô hình mới, cấu trúc mới, với tiếp xúc phân cực ngược. Cụm công trình thành công dựa trên cơ chế hình thành vật liệu nano với cấu trúc và hình thái khác nhau dựa trên hiệu ứng lượng tử và hiệu ứng bề mặt. Phát hiện các tính chất đặc biệt (lượng tử kích thước, dị hướng hình dạng, hiệu ứng tích tụ hạt tải, hiệu ứng tràn – spillover, hiệu ứng pha tạp, hiệu ứng bơm hạt tải ngược,…). Ưu việt của vật liệu cấu trúc nano so với vật liệu khối, các hiệu ứng lượng tử kích thước (Quantum size effect) trong cấu trúc thấp chiều của linh kiện cảm biến khí nano.
Đề xuất nguyên lý hoạt động và đặc trưng vận chuyển hạt tải các các cảm biến khí mới bao gồm phân cực ngược, bẫy hạt không cơ bản, tự đốt nóng (self-heating) và đốt nóng địa phương (local heating) trên cơ sở lý thuyết vùng năng lượng của các cấu trúc dị thể giữa nano bán dẫn loại n với bán dẫn loại p, giữa hai bán dẫn cùng loại n hoặc p, giữa nano bán dẫn và hạt nano kim loại, giữa bán dẫn oxit và nano carbon.
Chủ tịch nước Nguyễn Xuân Phúc trao Giải thưởng Nhà nước về KH&CN đợt 6 cho Giáo sư Nguyễn Đức Chiến
Cám biến nano phát triển cho phép phát hiện các khí độc ở nồng độ thấp cỡ một phần tỷ (ppt) với độ đáp ứng được cải thiện khoảng 103 - 104 lần, trong khi công suất tiêu thụ giảm khoảng 1000 lần so với cảm biến truyền thống.
Cùng với việc làm chủ công nghệ lõi chế tạo vật liệu nano và cảm biến trên cơ sở vật liệu nano, các phương pháp khảo sát tính chất của vật liệu, phương pháp đóng gói và đo đạc linh kiện cảm biến, thiết kế và chế tạo thiết bị, Cụm công trình đã thành công trong việc ứng dụng công nghệ vi điện tử chế tạo dây nano bán dẫn trên chip, từ đó phát triển được mẫu cảm biết tự đốt nóng, độ nhạy siêu cao với công suất tiêu thụ nhỏ hơn sản phẩm thương mại tốt nhất trên thế giới hiện nay, cho phép tích hợp trên các thiết bị di động ứng dụng trong lĩnh vực IoT và cách mạng công nghiệp 4.0. Các thiết bị đo đã được triển khai thử nghiệm ứng dụng trong thực tế, kiểm soát khí độc hại, cháy nổ, trong các hệ thống điều khiển tự động và chẩn đoán sức khỏe.
Hướng tới ứng dụng đại trà
Theo Giáo sư Nguyễn Đức Chiến, kết quả của công trình bước đầu đã thiết kế, chế tạo các đa cảm biến có thể đồng thời xác định 5 loại khí khác nhau, tiền đề cho việc phát triển thế hệ "mũi điện tử" hiện nay. Nghiên cứu của cụm công trình góp phần đào tạo được các chuyên gia trong lĩnh vực vật liệu nano và cảm biến khí, hình thành một trường phái riêng của Việt Nam trong lĩnh vực cảm biến khí sử dụng vật liệu nano; hình thành những nhóm nghiên cứu mạnh, tiếp cận trình độ khu vực và quốc tế.
Cụm công trình bao gồm 96 bài báo chọn lọc đăng trên các tạp chí quốc tế thuojc hệ thống ISI, trong đó có tạp chí được xếp hàng đầu thế giới của lĩnh vực liên quan, một số bài báo trên tạp chí quốc gia, báo cáo tại các hội nghị khoa học trong nước và quốc tế, 2 sách chuyên khảo xuất bản ở Việt Nam và một chương (book chapter) trong sách chuyên khảo quốc tế. Tổng số lần trích dẫn các công trình đăng trên tạp chí quốc tế uy tín là 3500 (nguồn Scopus), số trích dẫn trung bình 35 lần/bài, đạt xấp xỉ chỉ số trung bình của các nhóm nghiên cứu ở Châu Âu và Hoa Kỳ. Nhóm nghiên cứu đã tổ chức thành công gần 10 hội thảo trong nước và quốc tế, thu hút hàng trăm lượt học giả nước ngoài đến tham dự và trình bày báo cáo. Một số thành viên của nhóm được mời báo cáo trong các phiên toàn thể, báo cáo mời tại các hội thảo quốc tế uy tín.
Bên cạnh đó, Cụm công trình còn đào tạo được các chuyên gia trong lĩnh vực vật liệu nano và cảm biến khí, hình thành một trường phái riêng của Việt Nam trong lĩnh vực cảm biến khí sử dụng vật liệu nano. Xây dựng được nhóm nghiên cứu mạnh, tiếp cận trình độ khu vực và quốc tế. Trong thời gian thực hiện cụm công trình, 02 thành viên nhóm nghiên cứu được Nhà nước phong chức danh Giáo sư, 07 người được phóng chức danh Phó giáo sư, trong đó nhiều người hiện nay đóng vai trò là lãnh đạo ở viện, các trường đại học. Đào tạo được 17 tiến sỹ đạt chuẩn quốc tế với mỗi luận án có ít nhất 02 bài cáo công bố trên các tạp chí ISI. Đào tạo hơn 40 Thạc sỹ khoa học, nhiều học viên cao học có bài báo công bố trên các tạp chí trong và noài nước. Góp phần đào tạo, phát triển một số nhóm nghiên cứu trong nước như nhóm nghiên cứu về cảm biến tại Trường Đai học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên, nhóm nghiên cứu về cảm biến tại Đại học Huế, nhóm nghiên cứu cảm biến tại Trường Đại học Xây dựng, nhóm nghiên cứu về cảm biến tại Trường Đại học Quy Nhơn.
Tuy nhiên, Giáo sư Nguyễn Đức Chiến cho rằng, qua 10 năm nghiên cứu, cụm công trình hiện tập trung vào việc nghiên cứu cơ bản. Do vậy, nhóm nghiên cứu sẽ hướng tới việc ứng dụng đại trà thay vì chỉ dừng ở việc ứng dụng nhỏ lẻ như triển khai trong thiết bị báo cháy, báo động khí gas trong các gia đình, đo nồng độ khí tại một số nơi ô nhiễm,.... trong thời gian tới.
Bài, ảnh: Ngũ Hiệp
.jpg)
