Từng tốt nghiệp Đại học Khoa học Tự nhiên TP HCM, nghiên cứu sinh tại Đại học Thành phố Homg King, rồi nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Bách khoa Hong Kong, TS Thi Quốc Huy có nhiều cơ hội tìm hiểu và nghiên cứu về vật liệu 2D. Nhận thấy đây không chỉ là một hướng nghiên cứu trong phòng thí nghiệm mà đã trở thành một phần của cuộc đua công nghệ giữa các tập đoàn bán dẫn lớn như Samsung, TSMC và nhiều trung tâm nghiên cứu tại Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc, châu Âu, anh nhen nhóm ước mơ tự chủ tạo ra vật liệu này.
Quyết định trở về, năm 2024, anh nhận nhiệm vụ nghiên cứu viên thuộc Viện Công nghệ Tiên tiến (IAT) - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST). Anh bắt đầu xây dựng nhóm nghiên cứu tại IAT với mục tiêu đào tạo sinh viên Việt Nam trong lĩnh vực vật liệu thành những nhà nghiên cứu có đủ năng lực phát triển các dự án vật liệu tiên tiến.
Nắm được kỹ thuật tương đương với những gì cộng đồng vật liệu 2D trên thế giới đang làm, "điều tôi nghĩ đến là làm sao góp sức phát triển lĩnh vực trong nước và giúp thế hệ sinh viên ở Việt Nam có cơ hội tiếp cận sớm hơn", TS Huy nói.
TS Thi Quốc Huy tại một hội thảo về vật liệu tại Đại học Lạc Hồng. Ảnh: NVCC
Trong lĩnh vực bán dẫn truyền thống, Việt Nam được giới chuyên môn nhìn nhận đang đi sau khá xa so với các quốc gia đã có nền công nghiệp chip phát triển. Tuy nhiên, ngành bán dẫn thế giới, phát triển dựa trên Định luật Moore - liên tục thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn để tăng hiệu năng chip - đang dần chạm đến giới hạn vật lý. Đầu năm nay, "gã khổng lồ" TSMC bắt đầu sản xuất hàng loạt chip 2 nm. Dù chi phí cho một tấm wafer tăng vọt khoảng 50% so với thế hệ 3 nm, hiệu năng linh kiện chỉ nhích thêm 10-15%.
Với các vật liệu khối đã định hình như silicon, khi kích thước bóng bán dẫn càng nhỏ, độ ổn định càng suy giảm. Mặt khác, mật độ bóng bán dẫn tăng lên cũng làm gia tăng tán xạ electron, khiến linh kiện nóng hơn và tiêu tốn năng lượng hơn. "Đây là một trong những nút thắt lớn nhất của ngành bán dẫn", TS Huy nói, thêm rằng các doanh nghiệp trong lĩnh vực này đang ngày càng đến gần với giới hạn của thiết kế 'nhỏ gọn' dựa trên vật liệu khối. "Muốn phát triển bắt buộc phải thay đổi gốc rễ là vật liệu, đây cũng là lý do thế giới đang tìm đến vật liệu 2D".
Tầm quan trọng của vật liệu 2D được thế giới ghi nhận rất sớm. Năm 2010, hai nhà khoa học Andre Geim và Konstantin Novoselov nhận giải Nobel Vật lý cho công trình về graphene, chỉ 6 năm sau khi vật liệu này được tách ra thành công từ than chì. Đây là khoảng thời gian rất ngắn đối với một giải Nobel khoa học cơ bản, cho thấy cộng đồng khoa học đã sớm nhìn thấy tiềm năng của vật liệu
Đến nay, phương pháp tổng hợp và thao tác với vật liệu này đã khác so với lần đầu được phát hiện cách đây hơn 20 năm. "Phương pháp đơn giản nhất là tách graphene, vốn là các nguyên tử carbon xếp trên một mặt phẳng, từ than chì. Tuy nhiên, như vậy chỉ thu được những miếng vật liệu rất nhỏ, dưới dạng bột. Còn phương pháp ngày nay tổng hợp bằng lắng đọng hơi hóa học, hay CVD, tạo được màng graphene đơn lớp trên một bề mặt", TS Huy cho biết.
CVD đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp bán dẫn để phủ các lớp vật liệu mỏng trên bề mặt chip và cũng đã được một số nhóm trong nước triển khai để chế tạo graphene. Tuy nhiên, theo TS Huy, khác biệt giữa năng lực công nghệ vật liệu hai chiều của Việt Nam và thế giới hiện nằm ở mức độ kiểm soát. "Tạo ra graphene không quá khó. Nhưng tạo ra vật liệu hai chiều chất lượng cao, đồng nhất, ít khuyết tật và có thể dùng cho linh kiện lại là một câu chuyện khác", anh nói.
Hình dung một vật liệu mỏng đến mức chỉ 1 gram graphene đã có diện tích bằng sân bóng đá, làm thế nào để "cầm nắm" được vật liệu siêu mỏng như vậy, hay đánh giá được chất lượng bề mặt ở cấp độ nguyên tử?. Đây cũng là bài toán đem lại cho TS Huy cùng nhóm nghiên cứu các công bố quan trọng trên Nano Letters, Advanced Materials năm 2023 và Nature Materials năm 2025.
Cơ hội cho Việt Nam
Các vật liệu hai chiều như graphene, carbon nitride và transition metal dichalcogenides, thường gọi là TMDs, có độ dày ở cấp độ nguyên tử, khoảng vài phần mười nanomet, mỏng hơn đường kính sợi tóc người khoảng một triệu lần. Nhờ cấu trúc siêu mỏng và các tính chất cơ, điện, quang học đặc biệt, chúng được xem là ứng viên tiềm năng cho cảm biến siêu nhạy, transistor thế hệ mới, linh kiện quang điện tử, thiết bị năng lượng và các hệ pin hiệu năng cao. Chẳng hạn, graphene có độ dẫn điện và dẫn nhiệt rất cao, hứa hẹn giúp giảm điện trở, tản nhiệt tốt hơn và mở đường cho các cấu trúc linh kiện mỏng nhẹ hơn.
Nghiên cứu về dùng nước đóng băng để thao tác với graphene của TS Huy và nhóm nghiên cứu đã đăng ký thành công bằng sáng chế tại Mỹ. Ảnh: NVCC
Thông thường, để chuyển một lớp graphene siêu mỏng từ bề mặt tăng trưởng sang đế khác, các nhà nghiên cứu phủ lên graphene một lớp polymer đóng vai trò là giá đỡ. Sau khi chuyển xong, lớp polymer được rửa bằng dung môi hoặc hóa chất. Tuy nhiên, quá trình này thường để lại tạp chất trên bề mặt, làm suy giảm tính chất vốn rất nhạy của vật liệu hai chiều.
"Từ mong muốn tìm một giải pháp sạch hơn, ít làm ảnh hưởng đến vật liệu hơn, chúng tôi thử một ý tưởng rất đơn giản: dùng nước đóng băng để giữ lớp vật liệu, sau đó làm khô để lớp băng biến mất sau khi hoàn tất thao tác", TS Huy kể về công trình được công bố năm 2023. Phương pháp này sau đó đăng ký thành công bằng sáng chế tại Mỹ và được công nhận là một trong những sáng chế xuất sắc tại Triển lãm Sáng tạo và Phát minh khu vực châu Á năm 2023 và Triển lãm Phát minh Quốc tế Geneva tại Thụy Sĩ năm 2024.
Anh cho biết, giải pháp khi đã hoàn thiện có vẻ đơn giản, nhưng thực tế, để thử nghiệm thành công đòi hỏi hàng nghìn lần lặp đi lặp lại trong nhiều tháng. "Không có lần thử thất bại nào đáng nhớ nhất cả, vì 99% lần thử là thất bại, những kết quả có thể công bố được chỉ là 1% còn lại. Đây cũng là bài học đầu tiên mà giáo sư hướng dẫn nói với tôi khi bắt đầu theo đuổi lĩnh vực này", anh chia sẻ.
Graphene là vật liệu siêu mỏng ở cấp độ nguyên tử, thường được đặt trên một bề mặt polymer. Ảnh: Nature
Câu chuyện tương tự với phát hiện đăng trên Nature Materials năm 2025, một trong những tạp chí hàng đầu về khoa học cơ bản. Trong bài báo này, nhóm nghiên cứu đã tìm ra cơ chế cải thiện độ bền của TMDs, loại vật liệu 2D có thể bật tắt dòng điện tốt hơn graphene và được xem là ứng viên tiềm năng cho transistor siêu nhỏ và thế hệ chip sau silicon.
Bằng cách xếp chồng hai lớp vật liệu ở góc xoay 30 độ, nhóm tạo ra một cấu trúc có khả năng chống lan truyền vết nứt tốt hơn. Kết quả, được xác định một cách "đơn giản" bằng cách thử đâm qua hai lớp vật liệu, là độ bền của vật liệu tăng khoảng hai lần trong khi vẫn giữ được độ cứng vốn có của vật liệu hai chiều.
Theo TS Huy, các thế hệ vật liệu mới đang ở giai đoạn hình thành, nên Việt Nam vẫn có cơ hội tham gia từ sớm. Để phát triển vật liệu 2D, Việt Nam cần xây dựng các nhóm nghiên cứu liên ngành, kết nối giữa chế tạo vật liệu, phân tích cấu trúc, đo đạc tính chất và phát triển ứng dụng.
Tại IAT, anh cho biết nhóm đã hoàn thiện một hệ thống CVD phục vụ thử nghiệm chế tạo graphene. Hiện giá một tấm graphene thương mại kích thước khoảng 2,5 cm có thể lên tới hơn 200 USD. "Bước đầu tiên, chúng tôi muốn đơn giản hóa quy trình chế tạo và giảm giá thành bằng cách sản xuất trong nước. Sau đó tìm kiếm hợp tác với các nhóm nghiên cứu có chuyên môn về ứng dụng vật liệu, cũng như các doanh nghiệp và tập đoàn có định hướng phát triển công nghệ vật liệu", anh nói.
Tuy nhiên, một hạn chế tại Việt Nam, khi đã tổng hợp được một lớp màng vật liệu 2D ở kích thước nguyên tử, là chưa có đủ thiết bị để đánh giá, khảo sát vật liệu. Dù cơ sở vật chất ban đầu chưa thể so sánh với những phòng thí nghiệm quốc tế mà anh từng làm việc, TS Huy nhìn thấy một cơ hội dài hạn. "Với thế hệ chip sau silicon, chúng ta có cơ hội làm chủ một khâu rất quan trọng ở thượng nguồn, đó là vật liệu. Về vật liệu mới, chúng ta không đi sau thế giới quá nhiều và nếu được đầu tư đúng hướng, việc phát triển năng lực này hoàn toàn nằm trong khả năng của Việt Nam", anh nói.
