Trước đây, giới nghiên cứu chủ yếu dựa vào tia X để tìm hiểu cách sắp xếp phân tử, nhưng phương pháp này chỉ cho thấy bức tranh trung bình về không gian. Ngược lại, điện tử có thể cung cấp cái nhìn chi tiết ở cấp độ nano, vừa về cấu trúc vừa về thành phần hóa học.

Trong nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Nature Communications, nhóm các nhà khoa học tại Đại học Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg phối hợp cùng Forschungszentrum Jülich và DESY Hamburg đã chứng minh rằng chỉ với điện tử, họ có thể thu được cả thông tin trung bình lẫn chi tiết. Bằng kỹ thuật nhiễu xạ điện tử ba chiều (3D ED), các nhà nghiên cứu đã tái tạo được cấu trúc phân tử của pin mặt trời hữu cơ trong một kính hiển vi điện tử truyền qua. Giáo sư Erdmann Spiecker, trưởng Viện Nghiên cứu Vi cấu trúc và Trung tâm Phân tích Nano & Hiển vi điện tử (CENEM) tại FAU, nhận định: “3D ED chính là mảnh ghép còn thiếu để hoàn thiện bộ công cụ hiển vi điện tử.”

Điểm nổi bật của nghiên cứu là sự so sánh trực tiếp giữa dữ liệu điện tử và tia X trên cùng một mẫu. Kết quả cho thấy sự tương đồng đáng kinh ngạc, dù cách thức đo hoàn toàn khác nhau: tia X phản xạ ở góc nông, còn điện tử xuyên qua mẫu. Với 3D ED, mẫu được nghiêng từng bước để tái dựng cấu trúc trung bình ba chiều, tương tự như chụp cắt lớp.

Pin mặt trời hữu cơ rất nhạy với bức xạ, chỉ một liều nhỏ cũng có thể phá vỡ trật tự phân tử. Điện tử vốn tương tác mạnh với vật chất, dễ gây hư hại. Tuy nhiên, bằng cách tối ưu liều điện tử và phát triển chiến lược thu nhận dữ liệu phù hợp, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc ghi lại cấu trúc chi tiết mà vẫn bảo toàn vật liệu.

Các nhà khoa học nhấn mạnh rằng phương pháp mới không làm giảm vai trò của tia X. Tia X có ưu thế ở việc chuẩn bị mẫu đơn giản và đặc biệt hữu ích cho nghiên cứu in situ trong quá trình chế tạo. Trong khi đó, hiển vi điện tử nay đã có thể kết hợp thông tin trung bình, hình ảnh cục bộ, nhiễu xạ và phân tích hóa học trong cùng một thiết bị.

Giáo sư Spiecker gọi đây là “kỹ thuật hiển vi đa phương thức”, cho phép liên kết trực tiếp nhiều loại dữ liệu – từ kết cấu phân tử đến trật tự cục bộ và thành phần – chỉ trong một thí nghiệm.