Nghiên cứu chế tạo các thiết bị làm lạnh kích thước micro mét dựa trên hiệu ứng nhiệt điện

Nhóm nghiên cứu Trường Đại học Khoa học Tự nhiên do TS. Nguyễn Quốc Hưng làm chủ nhiệm đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo các thiết bị làm lạnh kích thước micro mét dựa trên hiệu ứng nhiệt điện”, nhằm nghiên cứu chế tạo thành công bán dẫn Bi2Te3 và Sb2Te3 bằng phương pháp đồng bốc bay trên đế Silic với hệ số ZT cao và chế tạo thành công màng treo cách điện từ các vật liệu vô định hình bằng phương pháp phủ hóa học. Kết hợp hai kết quả này để chế tạo thành công vi thiết bị làm lạnh dựa trên BiTe/SbTe trên màng treo cách điện SiN, có kích thước nhỏ, có khả năng ứng dụng làm nguội chip máy tính, điều khiển nhiệt độ chính xác cho các hệ MEMS, hay thu thập năng lượng do dao động nhiệt trong môi trường.

Đề tài tập trung nghiên cứu tính chất nhiệt điện của hợp chất Bi2Te3 và Sb2Te3 chế tạo bằng phương pháp đồng bốc bay nhiệt. Hai loại vật liệu này sẽ được khảo sát sự phụ thuộc của tính chất điện, nhiệt vào các thông số chế tạo như áp suất bốc bay, năng lượng nguồn, nhiệt độ đế Silic. Ngoài ra, đề tài nghiên cứu khả năng chế tạo các vật liệu nhiệt điện tiên tiến như oxide, silic, hay polymer dẫn điện. Song song với bước này, đề tài nghiên cứu chế tạo màng treo điện môi có độ dẫn nhiệt thấp.

Màng treo được tạo ra bằng phương pháp bốc bay hóa học SiNx, SiOx, và ăn mòn bằng plasma theo phương pháp Bosch. Các màng treo này có thể được tạo hình theo hướng siêu vật liệu bằng quang khắc, tùy theo yêu cầu về độ dẫn nhiệt. Độ dẫn nhiệt của màng treo được đo bằng phương pháp 3ω, độ bền cơ học được khảo sát bằng máy alpha step. Bước tiếp theo, đề tài chế tạo vi thiết bị làm lạnh trên màng treo vô định hình. Các vi thiết bị được tạo hình bằng phương pháp quang khắc và ăn mòn ướt. Tùy theo điều kiện, sẽ sử dụng phương pháp ăn mòn khô. Thiết bị làm lạnh được tối ưu hóa để tạo ra độ chênh lệch nhiệt độ lớn nhất với công suất đủ lớn thích hợp cho các ứng dụng thực tế. Thiết kế này được mô phỏng dựa trên các phương trình truyền nhiệt và các công cụ máy tính phù hợp.

Các nghiên cứu đã được triển khai bám rất sát so với thuyết minh đề tài ban đầu. Ở tất cả các hạng mục, nhóm đề tài đều hoàn thành và vượt quá thuyết minh về cả yêu cầu kỹ thuật lẫn kết quả khoa học. Các nghiên cứu này đều được triển khai lần đầu tiên ở Việt Nam, do đó không tránh khỏi những khó khăn nhất định. Phương pháp chế tạo vật liệu nhiệt điện, phương pháp chế tạo màng treo điện môi, và quy trình chế tạo vi thiết bị đều được phát triển từ gốc và hoàn toàn triển khai tại Trung tâm Nano và Năng lượng, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội. So với thuyết minh, hiệu quả hoạt động của vi thiết bị làm lạnh chưa được kiểm chứng kỹ càng. Nguyên nhân chủ yếu là do đề tài tập trung vào khai thác kết quả khoa học. So với thuyết minh ban đầu, chúng tôi tìm ra được phương pháp chế tạo rẻ tiền, hiệu ứng lớn, và chứng minh lý thuyết được tính đúng đắn của các giả thuyết khoa học. Việc khảo sát kỹ càng kết quả này phần nào làm chậm tiến độ chế tạo vi thiết bị. Ngoài ra, sự thiếu hụt về các thiết bị phân tích vi linh kiện nhiệt điện làm ảnh hưởng lớn đến tốc độ và khả năng triển khai nghiên cứu. Do không có nhóm nghiên cứu tương tự trên thế giới, đề tài tự thiết kế và chế tạo hệ đo hiệu ứng nhiệt điện của vi thiết bị làm lạnh. Tuy vẫn tiếp tục được triển khai, nhưng việc đánh giá hiệu quả của vi thiết bị làm lạnh sẽ cần nhiều thời gian hơn khuôn khổ của đề tài.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 17966/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)