MRS Bulletin

Báo cáo đầu tiên về một oxit dẫn điện trong suốt (TCO) đã được công bố vào năm 1907, khi Badeker báo cáo rằng các lớp phim mỏng của kim loại Cd được lắng đọng trong buồng phát quang có thể bị oxi hóa để trở nên trong suốt trong khi vẫn giữ được khả năng dẫn điện. Kể từ đó, giá trị thương mại của các lớp phim mỏng này đã được công nhận và danh sách các vật liệu TCO tiềm năng đã mở rộng bao gồm, ví dụ, ZnO dop Al, GdInO_x, SnO₂, In₂O₃ dop F, và nhiều vật liệu khác. Kể từ những năm 1960, TCO được sử dụng phổ biến nhất cho các ứng dụng thiết bị quang điện là oxit indium dop thiếc (ITO). Hiện nay, và có thể còn lâu dài trong tương lai, vật liệu này cung cấp hiệu suất tốt nhất có thể về mặt dẫn điện và độ truyền, kết hợp với độ ổn định môi trường tuyệt vời, khả năng tái tạo cao và hình thái bề mặt tốt. Việc sử dụng các TCO khác với số lượng lớn thì tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể. Ví dụ, oxit thiếc hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng kính kiến trúc.

Sự xuất hiện gần đây của các kính hiển vi chùm ion tập trung (FIB) thương mại đã dẫn đến sự phát triển nhanh chóng trong các ứng dụng của chúng cho khoa học vật liệu. Các thiết bị FIB vừa có khả năng hình ảnh vừa có khả năng gia công vi mô ở quy mô nanomet đến micromet; do đó, nhiều nghiên cứu cơ bản và các ứng dụng công nghệ đã được tăng cường hoặc trở nên khả thi nhờ công nghệ FIB. Bài báo giới thiệu này đề cập đến những thiết bị FIB cơ bản và những nguyên lý cơ bản của sự tương tác giữa ion và vật rắn dẫn đến nhiều khả năng độc đáo của FIB cũng như một số hiện tượng không mong muốn liên quan đến các thiết bị FIB. Bốn bài báo chuyên đề theo sau bài giới thiệu này cung cấp cái nhìn tổng quan về các ứng dụng cụ thể của FIB trong khoa học vật liệu, tập trung vào những điểm mạnh đặc biệt của nó như một công cụ để phân tích và chuẩn bị mẫu kính hiển vi điện tử truyền qua, cũng như tiềm năng của nó trong gia công bằng chùm ion và chế tạo mẫu thử.

Khi kích thước của các tính năng thiết bị ngày càng nhỏ, các quy trình lithography thông thường ngày càng trở nên khó khăn và tốn kém, đặc biệt là với kích thước tối thiểu dưới 45 nm. Do đó, để đạt được các mạch tích hợp với mật độ cao hơn, thiết bị lưu trữ hoặc màn hình, rõ ràng cần phát triển các phương pháp thay thế nhằm tránh cả vấn đề chi phí và sản xuất.

Một quy trình lý tưởng sẽ tương thích với các quy trình công nghệ và kỹ thuật sản xuất hiện có; những chiến lược này, cùng với các vật liệu mới, có thể cho phép đạt được những bước tiến đáng kể trong việc đáp ứng cả nhu cầu ngắn hạn và dài hạn cho các thiết bị có mật độ cao hơn và nhanh hơn. Việc tự lắp ráp của các copolymer chặn (BCPs), hai chuỗi polymer liên kết cộng hóa trị với nhau ở một đầu, cung cấp một giải pháp vững chắc cho những thách thức này. Dưới dạng phim mỏng, các BCP không hòa tan tự lắp ráp thành một loạt các hình thái có trật tự cao, nơi kích thước của các tính năng chỉ bị giới hạn bởi kích thước của các chuỗi polymer và do đó, có quy mô nanomet.

Chúng tôi xem xét các giới hạn cơ bản đối với hiệu suất của pin mặt trời hữu cơ, cũng như các phương thức đã được sử dụng để vượt qua nhiều giới hạn này. Cụ thể, việc sử dụng các tiếp giáp đôi và tiếp giáp hỗn hợp lớn, cùng với các tế bào nối tiếp sử dụng vật liệu có chiều dài khuếch tán exciton cao, sẽ được thảo luận. Chúng tôi chỉ ra rằng trong vài năm qua, sự kết hợp của các chiến lược đã dẫn đến hiệu suất chuyển đổi công suất đạt η_p = 5.7% (dưới bức xạ mặt trời mô phỏng AM 1.5 G tại cường độ 1 mặt trời) cho các tế bào nối tiếp dựa trên vật liệu có trọng lượng phân tử nhỏ, điều này cho thấy rằng hiệu suất còn cao hơn nữa là khả thi. Chúng tôi kết luận bằng việc xem xét hiệu suất chuyển đổi công suất tối thượng mà dự kiến sẽ đạt được từ các pin mặt trời hữu cơ mỏng.

Khi một xung laser femtosecond được tập trung bên trong một vật liệu trong suốt, cường độ quang trong khối lượng tiêu điểm có thể trở nên đủ cao để kích thích các biến đổi cấu trúc vĩnh viễn như thay đổi chỉ số khúc xạ hoặc sự hình thành một khiếm khuyết nhỏ. Do đó, ta có thể gia công vi mô các cấu trúc bên trong khối vật liệu trong suốt theo ba chiều. Chúng tôi xem xét các cơ chế và kỹ thuật để biến đổi khối chất của các vật liệu trong suốt bằng cách sử dụng các xung laser femtosecond và thảo luận về việc chế tạo các cấu trúc quang học và các cấu trúc khác trong các vật liệu trong suốt, bao gồm hướng sóng, bộ đôi, lưới, thấu kính phân tán, lưu trữ dữ liệu quang học và các kênh vi lưu chất.

Các pin mặt trời hữu cơ, dựa trên các bộ phim pha trộn polymer/fullerene, đang tiến tới khả năng thương mại nhanh chóng. Trong bài viết này, chúng tôi xem xét tiến trình gần đây về hai vấn đề quan trọng cho các ứng dụng công nghệ: hiệu suất quang điện của thiết bị và công nghệ xử lý cho sản xuất quy mô lớn. Về mặt hiệu suất của thiết bị, chúng tôi xem xét những tiến bộ trong các polymer băng tần thấp, hình thái phim và cấu trúc thiết bị nhằm tăng hiệu suất vượt quá 5%. Tiếp theo, chúng tôi xem xét những tiến bộ gần đây trong việc phát triển các quy trình in dựa trên dung dịch với năng suất cao cho việc chế tạo thiết bị chi phí thấp.

Bài báo này tổng hợp các phát triển gần đây trong quy trình in ấn trực tiếp bằng laser (LDW+) cho vật liệu phức tạp. Nhiều ứng dụng, từ thiết bị lưu trữ và phát điện quy mô nhỏ đến kỹ thuật mô, yêu cầu khả năng phát thải các mẫu chính xác của vật liệu đa thành phần và đa pha mà không làm giảm các thuộc tính mong muốn như tính xốp, tính đồng nhất hoặc hoạt tính sinh học. Các vật liệu vô cơ có cấu trúc phức tạp cho việc chế tạo thành công các loại pin vi mô dựa trên kiềm và lithium, siêu tụ điện vi mô và pin mặt trời nhạy sáng màu được trình bày trên nhiều bề mặt linh hoạt và có nhiệt độ xử lý thấp sử dụng LDW+. Đặc biệt, khả năng phát thải lớp dày trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của mẫu cho phép các thiết bị được sản xuất theo cách này có mật độ năng lượng cao hơn mỗi đơn vị diện tích so với các kỹ thuật phim mỏng truyền thống. Chúng tôi sau đó tập trung vào các hệ thống phức tạp hơn của vật liệu sống và hoạt tính sinh học. Các mẫu vật liệu sinh học như protein, DNA, và thậm chí cả tế bào sống có thể được in ra bằng LDW+ với độ phân giải không gian và thể tích cao ở mức pico-lít hoặc ít hơn, mà không làm suy giảm khả năng sống sót của các cấu trúc mong manh này. Những kết quả này mang lại cho các mảng cảm biến chọn lọc cao hoặc gieo tế bào cho kỹ thuật mô. Cuối cùng, chúng tôi xem xét các nghiên cứu gần đây về LDW+ đối với toàn bộ mạch bán dẫn, cho thấy sự đa dạng của các ứng dụng mà công nghệ này cho phép.

Việc chuyển đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng thông qua các tế bào quang điện hoặc năng lượng nhiệt trong các hệ thống năng lượng mặt trời tập trung đang nổi lên như một ứng viên hàng đầu cho sản xuất năng lượng xanh thế hệ tiếp theo. Lĩnh vực quang điện (PV) đang phát triển nhanh chóng dựa trên các vật liệu và phương pháp lắng đọng mới. Hiện tại, PV chủ yếu dựa trên Si tinh thể và Si đa tinh thể và đang tăng trưởng hơn 40% mỗi năm với sản lượng gần đạt 3 gigawatt/năm, trong khi các lắp đặt PV cung cấp chưa đến 1% năng lượng tiêu thụ toàn cầu. Tăng hiệu suất tế bào và giảm chi phí sản xuất là những yếu tố quan trọng để đạt được chi phí hợp lý cho PV và năng lượng mặt trời. Các tế bào quang điện màng mỏng CdTe đã báo cáo chi phí sản xuất là 1,25 đô la watt. Cũng có tiềm năng tăng hiệu suất bằng cách sử dụng các tế bào đa tiếp giáp hoặc các thiết bị lai được tổ chức ở quy mô nano. Điều này có thể dẫn đến hiệu suất chuyển đổi lớn hơn 50%. Chuyển đổi năng lượng mặt trời ngày càng đại diện cho một trong những doanh nghiệp mới lớn nhất đang nổi lên trong bất kỳ lĩnh vực nào của nền kinh tế.

Phun nhiệt là một quy trình phun liên tục, có định hướng, trong đó các hạt (ví dụ: từ 1–50 μm đường kính) của hầu như bất kỳ vật liệu nào được nung chảy và gia tốc đến tốc độ cao, thông qua ngọn lửa đốt cháy hoặc hồ quang plasma nhiệt không chuyển tiếp dc hoặc rf. Các giọt lỏng hoặc bán lỏng va vào bề mặt nền và nhanh chóng đông đặc lại để hình thành một "splat" mỏng. Lớp phủ được xây dựng thông qua việc va chạm liên tiếp và liên kết giữa các splat. Các splat tích lũy lại thành một lớp phủ liên kết tốt, thường lớn hơn 10 μm.