Nhiệt thất thoát từ máy móc, đường ống hay bề mặt thiết bị thường được xem là phần năng lượng khó thu hồi. Vật liệu nhiệt điện mở ra một hướng khác khi có thể tạo ra điện từ chênh lệch nhiệt độ mà không cần bộ phận cơ học chuyển động. Nhưng để một vật liệu làm việc hiệu quả, khả năng dẫn điện, truyền nhiệt và tạo điện áp khi hai đầu có nhiệt độ khác nhau phải được cân bằng trong cùng một cấu trúc.

Cử nhân Lê Hồng Gấm, nghiên cứu viên Phòng thí nghiệm Vật liệu Kỹ thuật cao, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM, đang theo đuổi bài toán này với CuCrO₂, một oxide bán dẫn loại p thuộc họ delafossite. Trong công bố mới năm 2026, Gấm đứng đầu danh sách tác giả của nghiên cứu tập trung vào một chi tiết rất nhỏ trong mạng tinh thể nhưng có thể tác động trực tiếp tới quá trình vận chuyển điện tích, đó là oxy nằm tại các vị trí xen kẽ.

Cử nhân Lê Hồng Gấm, nghiên cứu viên Phòng thí nghiệm Vật liệu Kỹ thuật cao, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM. Ảnh: AM-Lab/HCMUS.

Theo dấu điện tích qua những khuyết tật rất nhỏ

CuCrO₂ có cấu trúc tinh thể gồm các lớp nguyên tử sắp xếp theo trật tự. Khi một lượng magie được đưa vào thay thế một phần crom, cấu trúc điện tử của vật liệu thay đổi và số hạt mang điện có thể được điều chỉnh. Đây là một trong những cách thường được sử dụng để cải thiện tính chất nhiệt điện, nhưng pha tạp không phải yếu tố duy nhất quyết định kết quả.

Nhóm của Lê Hồng Gấm tập trung vào oxy xen kẽ, tức những nguyên tử oxy xuất hiện tại các vị trí vốn không thuộc mạng tinh thể lý tưởng. Những khuyết tật như vậy đôi khi bị xem là phần không hoàn hảo cần loại bỏ, nhưng trong vật liệu bán dẫn, chúng có thể tham gia trực tiếp vào việc quyết định điện tích di chuyển ra sao.

Trong hệ CuCrO₂ pha tạp Mg, sự tồn tại của các trạng thái Cu⁺ và Cu²⁺ tạo điều kiện cho điện tích dịch chuyển theo cơ chế thường được mô tả như “nhảy” giữa những vị trí đồng lân cận. Nghiên cứu năm 2026 đặt trọng tâm vào việc làm rõ oxy xen kẽ có thể hỗ trợ cơ chế này như thế nào, đồng thời xem hiệu ứng thay đổi khi độ dày của màng vật liệu thay đổi.

Minh họa nghiên cứu về oxy xen kẽ, cơ chế vận chuyển điện tích và tính chất nhiệt điện trong màng CuCrO₂ pha tạp Mg. Nguồn: Phòng thí nghiệm Vật liệu Kỹ thuật cao, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM.

Độ dày trong trường hợp này không đơn thuần là kích thước hình học. Khi màng được chế tạo ở những độ dày khác nhau, ứng suất bên trong, hướng phát triển tinh thể, mật độ khuyết tật và phân bố các trạng thái oxy đều có thể thay đổi. Vì vậy, hai mẫu có cùng thành phần hóa học chưa chắc có đặc tính dẫn điện và nhiệt điện giống nhau nếu cấu trúc vi mô khác nhau.

Cách tiếp cận này nối với hướng nghiên cứu mà Gấm đã theo đuổi từ giai đoạn làm khóa luận đại học. Năm 2024, đề tài tốt nghiệp của cô khảo sát vai trò của magie đối với tính chất nhiệt điện của màng CuCrO₂. Tại Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu toàn quốc năm 2025, Lê Hồng Gấm tiếp tục đứng đầu một báo cáo so sánh vật liệu CuCrO₂ pha tạp Mg ở dạng màng và dạng khối, tập trung vào vai trò của cấu trúc nano và hệ khuyết tật.

Chuỗi nghiên cứu cho thấy bài toán không còn dừng ở câu hỏi nên thêm bao nhiêu magie vào CuCrO₂. Trọng tâm đang chuyển sâu hơn xuống cấp cấu trúc, nơi chỉ một thay đổi về vị trí nguyên tử, trạng thái oxy hoặc ứng suất trong màng cũng có thể làm thay đổi cách điện tích truyền qua vật liệu.

Cải thiện vật liệu không chỉ bằng cách tăng độ dẫn điện

Vật liệu nhiệt điện có một nghịch lý quen thuộc. Một vật liệu dẫn điện tốt chưa chắc đã chuyển nhiệt thành điện hiệu quả, bởi những thay đổi làm tăng độ dẫn điện đôi khi lại làm giảm hệ số Seebeck hoặc làm nhiệt truyền qua vật liệu nhanh hơn. Vì vậy, nghiên cứu vật liệu nhiệt điện thường không tìm một thông số cao nhất riêng lẻ mà phải tìm điểm cân bằng giữa nhiều đại lượng có quan hệ ràng buộc lẫn nhau.

Với CuCrO₂, Phòng thí nghiệm Vật liệu Kỹ thuật cao đã theo đuổi nhiều hướng điều chỉnh khác nhau, từ thay đổi thành phần pha tạp, kiểm soát ứng suất, định hướng tinh thể đến điều khiển khuyết tật điểm. Công bố mới có Lê Hồng Gấm đứng đầu danh sách tác giả bổ sung oxy xen kẽ và độ dày màng vào bức tranh đó, qua đó cố gắng giải thích nguyên nhân vật lý phía sau sự thay đổi của hiệu năng thay vì chỉ ghi nhận một bộ thông số cuối cùng.

Hệ thống phún xạ magnetron tại Phòng thí nghiệm Vật liệu Kỹ thuật cao, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM. Thiết bị được sử dụng để chế tạo các vật liệu màng mỏng, trong đó có CuCrO₂ pha tạp Mg phục vụ nghiên cứu nhiệt điện. Ảnh: AM-Lab/HCMUS.

Hướng nghiên cứu này có liên hệ với bài toán tận dụng nhiệt thải, nhưng chưa nên hiểu rằng nhóm đã tạo ra một thiết bị phát điện hoàn chỉnh. Công trình hiện tập trung ở cấp vật liệu màng mỏng và cơ chế vận chuyển điện tích. Việc đưa một vật liệu từ phép đo trong phòng thí nghiệm tới module nhiệt điện còn đòi hỏi đánh giá độ bền, khả năng ghép cặp vật liệu loại p và loại n, tiếp xúc điện, ổn định khi làm việc lâu dài và hiệu suất ở điều kiện nhiệt thực tế.

Giới hạn đó không làm giảm giá trị của nghiên cứu cơ bản về vật liệu. Ngược lại, nếu không biết điện tích đang di chuyển theo cơ chế nào và khuyết tật nào có lợi hay bất lợi, việc tối ưu bằng thử sai sẽ rất khó mở rộng. Hiểu được quan hệ giữa oxy xen kẽ, độ dày và cơ chế dẫn điện giúp nhóm có thêm cơ sở để điều chỉnh quá trình chế tạo thay vì chỉ thay đổi thông số công nghệ rồi chờ kết quả đo.

Hồ sơ chuyên môn của Lê Hồng Gấm cho thấy đây cũng không phải công bố rời rạc. Sau khi tốt nghiệp ngành Vật liệu nano và màng mỏng năm 2024, cô tiếp tục làm nghiên cứu tại AM-Lab và học cao học ngành Quang học. Các công trình mà cô tham gia tập trung khá nhất quán vào CuCrO₂ pha tạp Mg, màng oxide dẫn điện và chuyển hóa năng lượng nhiệt điện.

Điểm đáng chú ý của nghiên cứu mới vì thế nằm ở việc đi sâu thêm một tầng trong cấu trúc vật liệu. Thay vì xem oxy dư như một biến phụ, nhóm đặt nó vào trung tâm của cơ chế dẫn điện và xem sự thay đổi độ dày có thể làm mối quan hệ đó dịch chuyển ra sao. Ở cấp độ ứng dụng, con đường tới một module thu hồi nhiệt còn dài; ở cấp độ nghiên cứu vật liệu, việc xác định được nguyên nhân khiến hiệu năng thay đổi chính là bước cần thiết để những lần tối ưu tiếp theo bớt phụ thuộc vào thử nghiệm mò mẫm.