Xuất thân từ Đại học Khoa học Tự nhiên TP HCM, trải qua quá trình nghiên cứu sinh tại Đại học Thành phố Hong Kong rồi tiếp tục theo học sau tiến sĩ tại Đại học Bách khoa Hong Kong, TS Thi Quốc Huy đã có nhiều năm gắn bó với lĩnh vực vật liệu 2D. Nhận ra rằng đây không còn là hướng đi thuần túy học thuật mà đã trở thành mặt trận cạnh tranh của các tập đoàn bán dẫn hàng đầu như Samsung và TSMC, cùng hàng loạt trung tâm nghiên cứu tại Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc và châu Âu, ông ấp ủ khát vọng tự chủ làm chủ công nghệ này ngay tại Việt Nam.
Năm 2024, TS Huy quyết định hồi hương và đảm nhận vai trò nghiên cứu viên tại Viện Công nghệ Tiên tiến (IAT) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST). Ông bắt tay xây dựng nhóm nghiên cứu với định hướng đào tạo các sinh viên trong nước trở thành những nhà khoa học vật liệu có đủ năng lực triển khai các dự án tiên tiến.
"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 chia sẻ về lý do chọn trở về sau khi đã tích lũy kỹ thuật ngang tầm cộng đồng vật liệu 2D quốc tế.
TS Thi Quốc Huy tại một hội thảo về vật liệu tại Đại học Lạc Hồng. Ảnh: NVCC
Bức tranh bán dẫn toàn cầu và giới hạn của vật liệu truyền thống
Trong ngành bán dẫn, Việt Nam vẫn đang ở khoảng cách khá xa so với các quốc gia có nền công nghiệp chip lâu đời. Song ngành này trên phạm vi toàn cầu cũng đang đối mặt với một giới hạn căn bản: Định luật Moore — nguyên tắc liên tục thu nhỏ transistor để nâng cao hiệu năng — đang dần chạm đến trần vật lý. Đầu năm nay, TSMC bắt đầu sản xuất đại trà chip 2 nm, nhưng chi phí cho một tấm wafer đã tăng vọt khoảng 50% so với thế hệ 3 nm trong khi hiệu năng linh kiện chỉ cải thiện thêm 10–15%.
Khi kích thước transistor tiếp tục thu nhỏ trên nền vật liệu khối như silicon, độ ổn định của linh kiện ngày càng suy giảm. Mật độ transistor cao hơn cũng kéo theo tán xạ electron mạnh hơn, làm thiết bị nóng lên và tiêu hao điện năng nhiều hơn. "Đây là một trong những nút thắt lớn nhất của ngành bán dẫn", TS Huy nhận định. Theo ông, các doanh nghiệp đang xích dần đến ranh giới của thiết kế thu nhỏ dựa trên vật liệu khối, và "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".
Vật liệu 2D — từ giải Nobel đến cuộc đua công nghệ
Tiềm năng của vật liệu 2D đã được giới khoa học thế giới ghi nhận từ sớm. Năm 2010, hai nhà khoa học Andre Geim và Konstantin Novoselov được trao giải Nobel Vật lý nhờ công trình nghiên cứu về graphene, chỉ 6 năm sau khi loại vật liệu này được tách thành công từ than chì. Đây là khoảng thời gian đặc biệt ngắn đối với một giải Nobel khoa học cơ bản, phản ánh mức độ quan tâm sâu sắc của cộng đồng nghiên cứu toàn cầu ngay từ buổi đầu.
Ngày nay, phương pháp chế tạo vật liệu này đã thay đổi nhiều so với kỹ thuật ban đầu. "Phương pháp đơn giản nhất là tách graphene từ than chì, nhưng chỉ thu được những mảnh vật liệu rất nhỏ dưới dạng bột. Còn phương pháp hiện nay sử dụng lắng đọng hơi hóa học, hay CVD, có thể tạo được màng graphene đơn lớp trên một bề mặt", TS Huy giải thích.
CVD vốn đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp bán dẫn và một số nhóm nghiên cứu trong nước cũng đã tiếp cận kỹ thuật này để chế tạo graphene. Tuy nhiên, TS Huy cho rằng khoảng cách giữa Việt Nam và thế giới không nằm ở khả năng tạo ra vật liệu, mà ở mức độ kiểm soát chất lượng. "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", ông nhấn mạnh.
Những bài toán nghiên cứu và công bố quốc tế nổi bật
Hình dung một loại vật liệu mỏng đến mức chỉ 1 gram graphene đã trải rộng diện tích bằng một sân bóng đá — việc "cầm nắm" hay đánh giá chất lượng bề mặt ở cấp độ nguyên tử là thách thức không nhỏ. Chính bài toán này đã dẫn đến những công bố quan trọng của TS Huy và nhóm nghiên cứu trên Nano Letters, Advanced Materials năm 2023 và Nature Materials năm 2025.
Phát minh dùng nước đóng băng để thao tác graphene
Thông thường, để chuyển một lớp graphene siêu mỏng từ bề mặt tăng trưởng sang đế mới, các nhà nghiên cứu phủ lên đó một lớp polymer làm giá đỡ. Sau khi hoàn tất quá trình chuyển, lớp polymer được loại bỏ bằng dung môi hoặc hóa chất. Song phương pháp này thường để lại tạp chất trên bề mặt vật liệu, làm suy giảm các tính chất vốn rất nhạy cảm của vật liệu hai chiều.
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
"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 đã được đăng ký bằng sáng chế thành công tại Mỹ, đồng thời được vinh danh 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.
Dù kết quả cuối cùng trông có vẻ đơn giản, hành trình đạt được nó lại vô cùng gian nan. "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", ông chia sẻ.
Nghiên cứu tăng gấp đôi độ bền vật liệu TMDs trên Nature Materials
Graphene là vật liệu siêu mỏng ở cấp độ nguyên tử, thường được đặt trên một bề mặt polymer. Ảnh: Nature
Trên tạp chí Nature Materials năm 2025 — một trong những ấn phẩm uy tín hàng đầu về khoa học cơ bản — nhóm nghiên cứu tiếp tục công bố phát hiện về cơ chế cải thiện độ bền của TMDs (transition metal dichalcogenides), loại vật liệu 2D có khả năng bật tắt dòng điện hiệu quả hơn graphene và được coi là ứng viên triển vọng cho transistor siêu nhỏ trong thế hệ chip hậu silicon.
Bằng cách xếp chồng hai lớp vật liệu lệch nhau 30 độ, nhóm tạo ra cấu trúc có khả năng ức chế lan truyền vết nứt tốt hơn. Kết quả — được kiểm chứng theo cách "đơn giản" là thử đâm xuyên qua hai lớp vật liệu — cho thấy độ bền tăng khoảng hai lần trong khi vẫn bảo toàn được độ cứng vốn có của vật liệu hai chiều.
Cơ hội cho Việt Nam trong cuộc đua vật liệu thế hệ mới
Các vật liệu hai chiều như graphene, carbon nitride và TMDs có độ dày ở cấp nguyên tử, khoảng vài phần mười nanomet — mỏng hơn đường kính sợi tóc người khoảng một triệu lần. Nhờ cấu trúc siêu mỏng cùng 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 hệ pin hiệu năng cao. Điển hình, graphene với độ dẫn điện và dẫn nhiệt vượt trội hứa hẹn giúp giảm điện trở, tản nhiệt tốt hơn và mở đường cho các cấu trúc linh kiện mỏng nhẹ hơn.
Theo TS Huy, vì các thế hệ vật liệu mới vẫn đang trong giai đoạn định hình, Việt Nam còn dư địa để tham gia từ sớm. Điều kiện tiên quyết là phải xây dựng các nhóm nghiên cứu liên ngành, kết nối chặt chẽ giữa chế tạo vật liệu, phân tích cấu trúc, đo đạc tính chất và phát triển ứng dụng.
Tại IAT, nhóm của TS Huy đã hoàn thiện một hệ thống CVD phục vụ thử nghiệm chế tạo graphene. Hiện tại, một tấm graphene thương mại kích thước khoảng 2,5 cm có thể có giá 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", ông cho biết.
Một hạn chế thực tế hiện nay là sau khi tổng hợp được màng vật liệu 2D ở cấp độ nguyên tử, Việt Nam chưa có đủ thiết bị để đánh giá và khảo sát chất lượng vật liệu một cách toàn diện. Dù nhận thức rõ khoảng cách về cơ sở hạ tầng so với các phòng thí nghiệm quốc tế, TS Huy vẫn giữ cái nhìn lạc quan về 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", ông khẳng định.
Cảm ơn bạn đã dành thời gian theo dõi bài viết. Nếu bạn quan tâm đến những câu chuyện về công nghệ và khoa học trong nước, đừng bỏ qua các bài viết liên quan được gợi ý ngay bên dưới.
- 'Bán dẫn Việt Nam nên đi theo hướng tối ưu năng lượng'
- Trung Quốc phát triển kỹ thuật tạo chip 2D nhanh 1.000 lần
Ý kiến bạn đọc (0)