Bộ môn Công nghệ Micro và Nano

1. Giới thiệu chung

1.1. Lịch sử hình thành và Sứ mệnh chiến lược

Bộ môn Công nghệ Micro và Nano là một đơn vị chuyên môn trực thuộc Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, Trường Đại học Công nghệ (ĐHCN), Đại học Quốc gia Hà Nội (ĐHQGHN). Sự ra đời của Bộ môn đánh dấu một bước phát triển chiến lược, được xây dựng trên nền tảng kế thừa và phát huy những thành tựu khoa học đỉnh cao của Phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Micro và Nano (VNU Key Laboratory for Micro and Nanotechnology - VMINATEC), một đơn vị nghiên cứu uy tín được thành lập vào tháng 2 năm 2016.

Sự hình thành Bộ môn gắn liền với lịch sử phát triển gần 20 năm của Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano. Khoa được thành lập vào ngày 09 tháng 09 năm 2004, dưới sự sáng lập của GS.VS. Nguyễn Văn Hiệu, Hiệu trưởng đầu tiên của Trường ĐHCN và là một trong những nhà vật lý học hàng đầu của Việt Nam. Việc chuyển đổi một Phòng thí nghiệm trọng điểm (PTNTĐ) cấp ĐHQGHN, vốn tập trung vào nghiên cứu, thành một Bộ môn chính thức là một bước đi mang tầm vóc chiến lược sâu sắc của Nhà trường và Khoa. Quá trình này không đơn thuần là một sự thay đổi về mặt hành chính, mà nó thể hiện một sự tiến hóa trong tư duy tổ chức, nhằm tích hợp sâu hơn và chính thức hóa vai trò của nghiên cứu khoa học đỉnh cao vào trong cấu trúc đào tạo. Một phòng thí nghiệm là một trung tâm nghiên cứu, trong khi một bộ môn là một đơn vị học thuật cốt lõi, chịu trách nhiệm toàn diện từ phát triển chương trình đào tạo, giảng dạy, hướng dẫn sinh viên cho đến thực hiện các đề tài nghiên cứu.

Sự chuyển đổi này đã thể chế hóa vai trò của các nhóm nghiên cứu mạnh trong việc tham gia trực tiếp vào các chương trình đào tạo Cử nhân, Kỹ sư, Thạc sĩ và Tiến sĩ.⁴ Điều này tạo ra một vòng tuần hoàn tương hỗ, nơi các hoạt động nghiên cứu tiên phong được làm giàu bởi sự tham gia của các sinh viên, nghiên cứu sinh tài năng, và ngược lại, chương trình đào tạo trở nên tiệm cận hơn với các công nghệ và tri thức mới nhất, giúp sinh viên được tiếp xúc trực tiếp với các dự án nghiên cứu có định hướng phát triển thành sản phẩm quốc gia.

Kế thừa sứ mệnh từ PTNTĐ VMINATEC, Bộ môn Công nghệ Micro và Nano đảm nhận các nhiệm vụ trọng tâm sau:

Là hạt nhân nghiên cứu: Đóng vai trò là đầu mối quy tụ, kết nối và triển khai các nghiên cứu liên ngành, trình độ cao về vật liệu, linh kiện micro-nano và các hệ thống tích hợp, tạo ra các công trình khoa học có sức ảnh hưởng lớn.
Phát triển công nghệ: Tập trung phát triển các sản phẩm khoa học và công nghệ (KH&CN) mang tính ứng dụng cao, giải quyết các bài toán thực tiễn của nền kinh tế - xã hội, hướng tới mục tiêu tạo ra các sản phẩm mang thương hiệu quốc gia.
Đào tạo và chuyển giao tri thức: Tham gia tích cực vào công tác đào tạo đại học và sau đại học, đặc biệt là các chương trình Cử nhân Vật lý Kỹ thuật, Kỹ sư Kỹ thuật Năng lượng, Thạc sĩ và Tiến sĩ chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện nano. Đồng thời, Bộ môn thực hiện các hoạt động bồi dưỡng chuyên môn, cung cấp dịch vụ tư vấn và chuyển giao công nghệ cho các đối tác trong và ngoài nước.

2. Các hướng nghiên cứu chính

Các định hướng nghiên cứu của Bộ môn Công nghệ Micro và Nano được cấu trúc một cách khoa học, thể hiện một chiến lược phát triển toàn diện từ khám phá các hiện tượng vật lý cơ bản đến chế tạo các sản phẩm công nghệ hoàn chỉnh. Chiến lược này có thể được mô tả như một "đường ống" R&D khép kín, đi từ "phân tử đến thị trường" (Molecule-to-Market), đảm bảo rằng các phát kiến khoa học nền tảng được chuyển hóa thành các giải pháp công nghệ hữu ích và có giá trị thương mại.

2.1. Nghiên cứu cơ bản định hướng ứng dụng

Đây là nền tảng của chuỗi giá trị R&D, nơi các nhà khoa học của Bộ môn tập trung khám phá, tổng hợp và tìm hiểu các tính chất vật lý đặc biệt của các vật liệu mới ở cấp độ vi mô và nano.

2.1.1. Vật liệu chức năng tiên tiến

Vật liệu đa pha sắt (Multiferroics): Đây là một trong những hướng nghiên cứu mũi nhọn, tập trung vào các loại vật liệu hiếm có thể hiện đồng thời nhiều trật tự sắt, điển hình là sắt từ và sắt điện. Trọng tâm của hướng nghiên cứu này là tìm hiểu và khai thác hiệu ứng từ-điện (magnetoelectric effect), một hiện tượng cho phép điều khiển từ tính bằng điện trường và ngược lại. Việc làm chủ được hiệu ứng này sẽ mở đường cho sự ra đời của các thế hệ linh kiện spintronic mới, các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ điện (MRAM) tiêu thụ năng lượng cực thấp, các bộ lưu trữ thông tin mật độ siêu cao và các cảm biến siêu nhạy.¹
Vật liệu thu hoạch năng lượng: Bộ môn đi sâu vào nghiên cứu các vật liệu và cấu trúc nano có khả năng chuyển đổi các dạng năng lượng cơ học thường bị lãng phí trong môi trường (như rung động, va chạm, ma sát, dòng chảy của gió và nước) thành năng lượng điện. Công nghệ này dựa trên hiệu ứng áp-ma sát (triboelectric effect) và hiệu ứng áp điện. Mục tiêu cuối cùng là phát triển các máy phát điện micro (nanogenerators) có thể tự cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử công suất thấp như cảm biến trong mạng lưới vạn vật kết nối (IoT), thiết bị y tế cấy ghép và các thiết bị điện tử đeo trên người.
Vật liệu từ tính và tổ hợp nano hữu cơ: Các nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo và khảo sát tính chất của các vật liệu từ tính có cấu trúc nano, cũng như các vật liệu lai hữu cơ-vô cơ. Đây là những khối vật liệu nền tảng cho việc chế tạo các linh kiện điện tử thế hệ mới và các cảm biến có độ nhạy cao.

2.1.2. Vật lý y sinh

Nghiên cứu từ tính của hồng cầu và hệ tuần hoàn: Đây là một hướng nghiên cứu mang tính tiên phong và độc đáo, tập trung vào việc khảo sát các đặc tính từ nội tại của tế bào hồng cầu và sự biến đổi của chúng dưới tác động của các trạng thái bệnh lý. Các kết quả từ hướng nghiên cứu này không chỉ có giá trị khoa học cơ bản mà còn cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc để phát triển các phương pháp chẩn đoán y sinh thế hệ mới: không xâm lấn, nhanh chóng, giá thành rẻ và có khả năng triển khai rộng rãi.

2.2. Nghiên cứu ứng dụng, phát triển công nghệ và khởi nghiệp

Trên cơ sở những hiểu biết sâu sắc từ nghiên cứu cơ bản, Bộ môn đẩy mạnh việc chế tạo các linh kiện, thiết bị và hệ thống hoàn chỉnh, giải quyết các bài toán thực tiễn.

2.2.1. Công nghệ Cảm biến

Cảm biến từ trường độ nhạy cao: Bộ môn tập trung phát triển các cảm biến từ dựa trên các hiệu ứng vật lý tiên tiến như từ trở khổng lồ (GMR), từ trở chui hầm (TMR) và đặc biệt là hiệu ứng Hall phẳng (PHE). Các cấu trúc linh kiện, chẳng hạn như van-spin (spin-valve) nhiều lớp (ví dụ NiFe/Cu/NiFe/IrMn), được tối ưu hóa để đạt độ nhạy cực cao.⁹ Những cảm biến này có ứng dụng chiến lược trong việc đo đạc và định vị từ trường Trái đất, phục vụ cho các lĩnh vực quan trọng như hàng hải, thăm dò tài nguyên, an ninh và quốc phòng.
Cảm biến y sinh (Biosensors) và Biochips: Đây là lĩnh vực ứng dụng trực tiếp và tiêu biểu nhất cho sự kết hợp giữa các hướng nghiên cứu. Bộ môn chế tạo các hệ từ kế có cấu trúc nano và vi mô để phát hiện sự hiện diện của các hạt từ sinh học (magnetic beads) hoặc phát hiện trực tiếp từ tính của tế bào máu.¹ Các công trình tiêu biểu bao gồm việc tối ưu hóa cảm biến hiệu ứng Hall phẳng cho các biochip ⁹ và phát triển các ma trận vi nam châm (matrix of square micro-magnets) để bẫy, giữ và phân loại các tế bào một cách có chọn lọc. Những công nghệ này là cốt lõi để xây dựng các thiết bị chẩn đoán nhanh các bệnh về máu và ung thư.

2.2.2. Công nghệ Năng lượng

Chế tạo các máy phát điện micro: Dựa trên các nghiên cứu cơ bản về vật liệu áp-ma sát và áp điện, Bộ môn tiến hành thiết kế và chế tạo các nguyên mẫu máy phát điện có khả năng khai thác năng lượng từ các nguồn cơ học phổ biến như gió và dòng nước ở quy mô nhỏ.¹ Các thiết bị này hứa hẹn cung cấp một nguồn điện bền vững, không cần bảo trì cho các hệ thống cảm biến môi trường, các trạm quan trắc từ xa và các ứng dụng quân sự.

2.2.3. Hệ thống và Sản phẩm tích hợp

Năng lực của Bộ môn không chỉ dừng lại ở việc chế tạo linh kiện mà còn được thể hiện qua việc tích hợp chúng thành các sản phẩm hoàn chỉnh, sẵn sàng cho việc chuyển giao hoặc thương mại hóa. Các sản phẩm tiêu biểu đã và đang được phát triển bao gồm: La bàn từ trường ứng dụng công nghệ cảm biến từ độ nhạy cao, máy sát khuẩn tay tự động tích hợp các cảm biến thông minh, cảm biến đo và định vị từ trường Trái đất cho các ứng dụng chuyên biệt, và hệ chảo thu tín hiệu vệ tinh di động. Sự phát triển các sản phẩm này cho thấy một chu trình R&D hoàn chỉnh, từ ý tưởng khoa học đến sản phẩm cuối cùng.

Bảng dưới đây tóm tắt một cách trực quan mối liên kết chặt chẽ giữa các lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và các hướng ứng dụng công nghệ tại Bộ môn, thể hiện rõ chiến lược phát triển của Bộ môn.

Hướng Nghiên cứu cơ bản	Hướng Nghiên cứu ứng dụng	Sản phẩm/Công nghệ Tiềm năng
Vật liệu Multiferroics & Spintronics	Cảm biến từ trường độ nhạy cao, Linh kiện từ-điện	Bộ nhớ MRAM, La bàn số, Cảm biến y tế, Thiết bị lưu trữ thế hệ mới
Vật liệu áp-ma sát (Triboelectric)	Máy phát điện micro (năng lượng gió, nước)	Nguồn tự cấp cho IoT, thiết bị điện tử đeo, cảm biến môi trường
Vật lý từ sinh học (Hồng cầu)	Hệ từ kế y sinh, Biochips	Thiết bị chẩn đoán bệnh về máu không xâm lấn, hệ thống phân loại tế bào