Phát hiện mới giúp tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời
Graphene, một hình thức kỳ lạ của cacbon bao gồm các nguyên tử cácbon được bó thành một tấm than chì phẳng tách ra ở cỡ nguyên tử, trưng bày một phản ứng mới với ánh sáng, các nhà nghiên cứu máy biến tần giá rẻ MIT đã phát hiện ra rằng: khi tiếp xúc với năng lượng của ánh nắng mặt trời, tấm Graphene này có thể sản sinh ra dòng điện một cách bất thường. Phát hiện này có thể dẫn đến những cải tiến trong bộ tách sóng quang và hệ thống nhìn đêm và có thể dẫn đến một cách tiếp cận mới để tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời. Kết quả của nghiên cứu này đã được đăng tải trên tạp chí Science.
Hiệu ứng này vốn đã được quan sát thấy trước đây, nhưng các nhà nghiên cứu đã không xác định rằng nó là do một hiệu ứng quang điện, theo Pablo Jarillo-Herrero, phó giáo sư vật lý tại MIT.
Thêm vào đó, các nhà nghiên cứu mua bán máy biến tần MIT phát hiện rằng khi chiếu ánh sáng trên một tấm graphene, xử lý để có hai khu vực với tính chất dẫn điện khác nhau, tạo ra sự khác biệt nhiệt độ, lần lượt phát sinh dòng điện. Độ chịu nhiệt của Graphene không thích hợp để được chiếu sáng bằng một tia laser, Jarillo-Herrero và các cộng sự nhận thấy: các điện tử của vật liệu đang truyền tải dòng điện, được làm ấm bởi ánh sáng, nhưng các mạng tinh thể của hạt nhân carbon hình thành xương sống của graphene vẫn còn mát mẻ. Đây là sự chênh lệch về nhiệt độ bên trong vật liệu tạo ra luồng điện. Cơ chế này, được gọi là :"nóng - vận chuyển", "hồi đáp", "là rất khác thường", Jarillo - Herrero nói.
Sức nóng chênh lệch như vậy đã được theo dõi trước đây, nhưng chỉ trong trường hợp rất đặc biệt: hoặc ở nhiệt độ ultralow (đo bằng phần nghìn của một độ trên độ không tuyệt đối), hoặc khi vật liệu nổ tung với năng lượng mãnh liệt từ một tia laser năng lượng cao. Phản ứng này trong graphene, ngược lại, xảy ra trên một phạm vi rộng của nhiệt độ lên đến nhiệt độ phòng, và với ánh sáng không mạnh hơn so với ánh sáng mặt trời thông thường.
Giải thích cho phản ứng nhiệt bất thường này, Jarillo-Herrero nói rằng: Bởi vì graphene, là chất liệu bền nhất được biết đến. Trong khi hầu hết các vật liệu khác, khi có sự quá nhiệt, các điện tử sẽ truyền năng lượng cho mạng tinh thể xung quanh chúng. Trong trường hợp của graphene, tuy nhiên thật là khó khăn để làm điều này vì sức bền của vật liệu, có nghĩa là nó cần có sự tác động của lượng năng lượng rất cao đủ để làm rung động mạng tinh thể của hạt nhân carbon, chính vì vậy mà rất ít nhiệt được các điện tử truyền cho mạng tinh thể xung quanh chúng.
Bởi vì hiện tượng này là mới, Jarillo-Herrero nói rằng: thật là khó để biết hết những ứng dụng tiềm năng có thể có được. "Công việc của chúng tôi chủ yếu là vật lý cơ bản", ông nói, nhưng cho biết thêm rằng "nhiều người tin rằng vật liệu graphene này có thể được sử dụng cho hàng loạt các ứng dụng khác nhau".
Nhưng cũng có một số gợi ý, ông nói: Graphene có thể là một bộ tách sóng quang tốt "bởi vì nó tạo ra dòng điện theo một cách khác hơn so với các vật liệu khác được sử dụng để phát hiện ánh sáng. Graphene cũng có thể dò tìm ánh sáng trên một phạm vi năng lượng rất rộng", Jarillo-Herrero nói thêm. Chẳng hạn, Graphene hoạt động rất tốt trong ánh sáng hồng ngoại, điều mà các máy dò khác gặp khó khăn trong xử lý. Ưu điểm này làm cho Graphene trở thành một thành phần quan trọng của các thiết bị từ các hệ thống nhìn đêm như bộ cảm biến cải tiến của kính thiên văn thế hệ mới.
Công trình nghiên cứu mới cũng cho thấy rằng: graphene có thể được sử dụng trong việc phát hiện các phân tử sinh học quan trọng, chẳng hạn như: chất độc, vật chủ truyền bệnh hoặc chất gây ô nhiễm thực phẩm, một số trong các yếu tố này sẽ phát ra ánh sáng hồng ngoại khi bị chiếu sáng. Graphene làm bằng cacbon tinh khiết và phong phú, có thể là một loại vật liệu dò tìm rẻ hơn nhiều so với các chất bán dẫn đang được sử dụng hiện nay thường bao gồm các chất liệu hiếm, đắt tiền.
Nghiên cứu này cũng cho thấy graphene có thể là một vật liệu rất hiệu quả để thu thập năng lượng mặt trời, theo Jarillo-Herrero, bởi vì nó đáp ứng một loạt các bước sóng, vật liệu quang điện điển hình là: giới hạn tần số cụ thể, màu sắc, ánh sáng. Tuy nhiên, nghiên cứu nhiều hơn nữa sẽ là cần thiết, Jarillo-Herrero nói thêm. "Đây là giai đoạn phôi thai tuyệt đối của các bộ tách sóng quang graphene", Jarillo-Herrero nói. "Có nhiều yếu tố có thể làm cho nó tốt hơn hoặc nhanh hơn", đó sẽ là chủ đề của nghiên cứu sâu hơn.
Philip Kim, một giáo sư vật lý tại Đại học Columbia, người không tham gia vào nghiên cứu này, cho biết kết quả của nghiên cứu này đại diện cho "tiến bộ cực kỳ quan trọng đối với các ứng dụng quang điện tử và thu hoạch năng lượng" dựa trên graphene. Philip Kim nói thêm rằng : nhờ vào kết quả của nghiên cứu này mà "bây giờ chúng ta đã có sự hiểu biết tốt hơn về cơ chế làm cho các điện tử trong graphene nóng lên, khi bị kích thích bởi ánh sáng".
Cùng với Pablo Jarillo-Herrero, tác giả chính của bài báo là tiến sĩ thực tập Nathaniel Gabor, đồng tác giả bao gồm: bốn sinh viên MIT, giáo sư vật lý Leonid Levitov, MIT và hai nhà nghiên cứu tại Viện Quốc gia về Khoa học Vật liệu ở Tsukuba, Nhật Bản. Nghiên cứu này đã được hỗ trợ bởi Cơ quan Nghiên cứu Khoa học không quân, cùng với nguồn tài trợ từ Quỹ khoa học Quốc gia và Quỹ Packard.
Graphene, một hình thức kỳ lạ của cacbon bao gồm các nguyên tử cácbon được bó thành một tấm than chì phẳng tách ra ở cỡ nguyên tử, trưng bày một phản ứng mới với ánh sáng, các nhà nghiên cứu máy biến tần giá rẻ MIT đã phát hiện ra rằng: khi tiếp xúc với năng lượng của ánh nắng mặt trời, tấm Graphene này có thể sản sinh ra dòng điện một cách bất thường. Phát hiện này có thể dẫn đến những cải tiến trong bộ tách sóng quang và hệ thống nhìn đêm và có thể dẫn đến một cách tiếp cận mới để tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời. Kết quả của nghiên cứu này đã được đăng tải trên tạp chí Science.
Hiệu ứng này vốn đã được quan sát thấy trước đây, nhưng các nhà nghiên cứu đã không xác định rằng nó là do một hiệu ứng quang điện, theo Pablo Jarillo-Herrero, phó giáo sư vật lý tại MIT.
Thêm vào đó, các nhà nghiên cứu mua bán máy biến tần MIT phát hiện rằng khi chiếu ánh sáng trên một tấm graphene, xử lý để có hai khu vực với tính chất dẫn điện khác nhau, tạo ra sự khác biệt nhiệt độ, lần lượt phát sinh dòng điện. Độ chịu nhiệt của Graphene không thích hợp để được chiếu sáng bằng một tia laser, Jarillo-Herrero và các cộng sự nhận thấy: các điện tử của vật liệu đang truyền tải dòng điện, được làm ấm bởi ánh sáng, nhưng các mạng tinh thể của hạt nhân carbon hình thành xương sống của graphene vẫn còn mát mẻ. Đây là sự chênh lệch về nhiệt độ bên trong vật liệu tạo ra luồng điện. Cơ chế này, được gọi là :"nóng - vận chuyển", "hồi đáp", "là rất khác thường", Jarillo - Herrero nói.
Sức nóng chênh lệch như vậy đã được theo dõi trước đây, nhưng chỉ trong trường hợp rất đặc biệt: hoặc ở nhiệt độ ultralow (đo bằng phần nghìn của một độ trên độ không tuyệt đối), hoặc khi vật liệu nổ tung với năng lượng mãnh liệt từ một tia laser năng lượng cao. Phản ứng này trong graphene, ngược lại, xảy ra trên một phạm vi rộng của nhiệt độ lên đến nhiệt độ phòng, và với ánh sáng không mạnh hơn so với ánh sáng mặt trời thông thường.
Giải thích cho phản ứng nhiệt bất thường này, Jarillo-Herrero nói rằng: Bởi vì graphene, là chất liệu bền nhất được biết đến. Trong khi hầu hết các vật liệu khác, khi có sự quá nhiệt, các điện tử sẽ truyền năng lượng cho mạng tinh thể xung quanh chúng. Trong trường hợp của graphene, tuy nhiên thật là khó khăn để làm điều này vì sức bền của vật liệu, có nghĩa là nó cần có sự tác động của lượng năng lượng rất cao đủ để làm rung động mạng tinh thể của hạt nhân carbon, chính vì vậy mà rất ít nhiệt được các điện tử truyền cho mạng tinh thể xung quanh chúng.
Bởi vì hiện tượng này là mới, Jarillo-Herrero nói rằng: thật là khó để biết hết những ứng dụng tiềm năng có thể có được. "Công việc của chúng tôi chủ yếu là vật lý cơ bản", ông nói, nhưng cho biết thêm rằng "nhiều người tin rằng vật liệu graphene này có thể được sử dụng cho hàng loạt các ứng dụng khác nhau".
Nhưng cũng có một số gợi ý, ông nói: Graphene có thể là một bộ tách sóng quang tốt "bởi vì nó tạo ra dòng điện theo một cách khác hơn so với các vật liệu khác được sử dụng để phát hiện ánh sáng. Graphene cũng có thể dò tìm ánh sáng trên một phạm vi năng lượng rất rộng", Jarillo-Herrero nói thêm. Chẳng hạn, Graphene hoạt động rất tốt trong ánh sáng hồng ngoại, điều mà các máy dò khác gặp khó khăn trong xử lý. Ưu điểm này làm cho Graphene trở thành một thành phần quan trọng của các thiết bị từ các hệ thống nhìn đêm như bộ cảm biến cải tiến của kính thiên văn thế hệ mới.
Công trình nghiên cứu mới cũng cho thấy rằng: graphene có thể được sử dụng trong việc phát hiện các phân tử sinh học quan trọng, chẳng hạn như: chất độc, vật chủ truyền bệnh hoặc chất gây ô nhiễm thực phẩm, một số trong các yếu tố này sẽ phát ra ánh sáng hồng ngoại khi bị chiếu sáng. Graphene làm bằng cacbon tinh khiết và phong phú, có thể là một loại vật liệu dò tìm rẻ hơn nhiều so với các chất bán dẫn đang được sử dụng hiện nay thường bao gồm các chất liệu hiếm, đắt tiền.
Nghiên cứu này cũng cho thấy graphene có thể là một vật liệu rất hiệu quả để thu thập năng lượng mặt trời, theo Jarillo-Herrero, bởi vì nó đáp ứng một loạt các bước sóng, vật liệu quang điện điển hình là: giới hạn tần số cụ thể, màu sắc, ánh sáng. Tuy nhiên, nghiên cứu nhiều hơn nữa sẽ là cần thiết, Jarillo-Herrero nói thêm. "Đây là giai đoạn phôi thai tuyệt đối của các bộ tách sóng quang graphene", Jarillo-Herrero nói. "Có nhiều yếu tố có thể làm cho nó tốt hơn hoặc nhanh hơn", đó sẽ là chủ đề của nghiên cứu sâu hơn.
Philip Kim, một giáo sư vật lý tại Đại học Columbia, người không tham gia vào nghiên cứu này, cho biết kết quả của nghiên cứu này đại diện cho "tiến bộ cực kỳ quan trọng đối với các ứng dụng quang điện tử và thu hoạch năng lượng" dựa trên graphene. Philip Kim nói thêm rằng : nhờ vào kết quả của nghiên cứu này mà "bây giờ chúng ta đã có sự hiểu biết tốt hơn về cơ chế làm cho các điện tử trong graphene nóng lên, khi bị kích thích bởi ánh sáng".
Cùng với Pablo Jarillo-Herrero, tác giả chính của bài báo là tiến sĩ thực tập Nathaniel Gabor, đồng tác giả bao gồm: bốn sinh viên MIT, giáo sư vật lý Leonid Levitov, MIT và hai nhà nghiên cứu tại Viện Quốc gia về Khoa học Vật liệu ở Tsukuba, Nhật Bản. Nghiên cứu này đã được hỗ trợ bởi Cơ quan Nghiên cứu Khoa học không quân, cùng với nguồn tài trợ từ Quỹ khoa học Quốc gia và Quỹ Packard.
