Màng kim cương mỏng cung cấp vật liệu mới cho chế tạo vi máy

Thiết bị vi cơ điện tử. Bộ truyền động được chế tạo bằng màng kim cương có màu vàng.

Túi khí, máy in phun và máy chiếu video dường như không thể có nhiều điểm chung, nhưng cả ba thiết bị trên đều dựa vào hoạt động của các cấu phần siêu nhỏ để hoạt động một cách hoàn hảo.

Các cấu phần này, được gọi là hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), ngày càng được các nhà nghiên cứu quan tâm vì hàng loạt các ứng dụng của chúng, từ điện thoại siêu nhỏ đến cảm biến sinh học.

Hầu hết các thế hệ hiện nay của MEMS đều được chế tạo chủ yếu bằng silic, phần lớn là do việc chế tạo tương đối dễ dàng các thiết bị dựa vào silic với công nghệ hiện tại. Tuy nhiên, việc chế tạo MEMS bằng silic có một số hạn chế đáng kể: chúng dễ bị hỏng do ma sát và không tương thích sinh học - ngăn cản các ứng dụng y tế trong tương lai có thể cấy vào cơ thể con người.

Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Vật liệu nano tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và một số các tổ chức khác trên thế giới đã tập trung nghiên cứu chế tạo MEMS bằng một loại vật liệu tương đối mới được gọi là kim cương siêu tinh thể nano (ultrananocrystalline - UNCD), là các màng kim cương mỏng, mịn và chịu mài mòn.

“MEMS khỏe và đáng tin cậy cần cho các hoạt động trượt và quay trên quy mô nhỏ”, Anirudha Sumant, nhà khoa học nano tại Argonne, cho biết. “Silic gần như không có các tính chất cơ học hay độ chịu mài mòn tốt như kim cương”.

Tuy nhiên, việc chế tạo thiết bị MEMS bằng UNCD gặp phải một số rắc rồi. MEMS phải được chế tạo cực kỳ chính xác và các cấu phần của chúng không thể di chuyển.

Mục đích của thí nghiệm là chế tạo một cấu phần của thiết bị MEMS được gọi là bộ truyền động, trong trường hợp này chuyển đổi năng lượng nhiệt thành chuyển động cơ học. Bộ truyền động trông giống như một mạng dây kim cương giãn ra và thu lại khi nó được đốt nóng và làm lạnh. Mạng các sợi kim cương này được gắn vào một trục dài, có thể sau đó được gắn vào một hệ thống bánh răng vi mô để tạo ra chuyển động quay.

Một điều không may là vật liệu kim cương bị ảnh hưởng bởi các ứng suất và các nhà khoa học cần tìm ra cách để giải quyết. Vật liệu này đặc biệt không tốt với những gì Sumant gọi là “ứng suất nén”, một hiện tượng xảy ra do mạng nguyên tử của kim cương không giãn ra nhiều ở pha nóng khi màng được làm lắng đọng trên vật liệu khác. “Vấn đề chính mà chúng tôi đang cố gắng giải quyết là làm thế nào để giảm bớt ứng suất bên trong lớp màng này”, Sumant nói.

Tuy nhiên, điều may mắn là một số các tính chất của màng UNCD giúp giảm bớt ứng suất. UNCD chứa các hạt kim cương nhỏ được kết nối tại các biên hạt. “Bạn có thể nghĩ về những biên hạt này như một lưới cầu lông, chúng linh hoạt thay vì cứng nhắc, tính chất này tốt cho ứng suất thích ứng”, Sumant nói. “Ngoài ra, kích thước hạt thống nhất từ dưới lên trên rất quan trọng để giữ mức ứng suất thấp”.

Các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh ứng suất bên trong bằng cách tối ưu vật liệu tại các biên hạt và độ dày của màng. “Điều này mở ra một phương pháp mới sử dụng kim cương cho chế tạo các thiết bị MEMS tiên tiến”, Sumant nói.

Theo Vista.vn