Đại học Michigan chế tạo Silicon tinh thể từ kim loại lỏng

Các nhà nghiên cứu tại đại học Michigan đã vừa phát minh một cách thức mới để chế tạo Silicon tinh thể bằng kim loại lỏng. Qua đó, các thành phần quan trọng trong máy tính và pin mặt trời hứa hẹn sẽ rẻ hơn và thân thiện với môi trường hơn.

Silicon dioxide, hay cát, chiếm đến 40% vỏ Trái Đất. Tuy nhiên, phương pháp chuyển đổi từ cát sang Silicon tinh thể công nghiệp lại tốn nhiều chi phí và gây tác động lớn đến môi trường do các điều kiện xử lý khắc nghiệt.

Theo giáo sư hóa học và vật lý ứng dụng Stephen Maldonado: "Silicon tinh thể trong các thiết bị điện tử hiện đại ngày nay đang được sản xuất thông qua một loạt các phản ứng hóa học mang cường độ năng lượng lớn với nhiệt độ thường trên 2000 độ F (1093 độ C) và thải ra một lượng lớn Carbon dioxide".

Vừa qua, Maldonado và các sinh viên tốt nghiệp khoa hóa Junsi Gu và Eli Fahrenkrug đã phát hiện ra một cách thức để tạo ra các tinh thể Silicon trực tiếp ở mốc nhiệt độ chỉ 180 độ F (82 độ C), tương đương nhiệt độ bên trong của một chiếc lò quay gà.

Có thể hình dung, khi nước đạt trạng thái siêu bão hòa với đường thì đường có thể tự động kết tinh. "Nhưng thay vì dùng nước, chúng tôi sử dụng kim loại lỏng và thay cho đường, chúng tôi dùng Silicon", giáo sư Maldonado giải thích.

Maldonado cùng các cộng sự đã tạo ra một dung dịch chứa Silicon tetrachloride và chúng được xếp lớp trên một điện cực Gallium lỏng. Các electron từ kim loại chuyển đổi Silicon tetrachloride thành Silicon thô, sau đó được hòa tan vào kim loại lỏng.

"Kim loại lỏng là chìa khóa quan trọng của quy trình này", Maldonado cho biết. "Nhiều loại kim loại rắn cũng có thể cung cấp electron giúp biến đổi Silicon tetrachloride thành Silicon hòa tan nhưng chỉ những kim loại như Gallium mới có thể đóng vai trò là chất lỏng cho quá trình tinh thể hóa Silicon mà không phát sinh nhiệt".

Kết quả nhóm nghiên cứu thu được là những tấm phim màu sẫm của Silicon kết tinh xếp lớp trên bề mặt các điện cực kim loại lỏng. Cho đến hiện tại, các tinh thể này rất nhỏ với đường kính chỉ khoảng 1/2000mm nhưng Maldonado hy vọng sẽ cải tiến kĩ thuật để tạo ra các tinh thể Silicon lớn hơn, qua đó có thể áp dụng vào các ứng dụng như chuyển đổi năng lượng ánh sáng sang điện hoặc lưu trữ năng lượng. Nhóm nghiên cứu hiện vẫn tiếp tục triển khai quy trình theo nhiều biến tấu khác nhau, bao gồm cả việc sử dụng những hợp kim kim loại có nhiệt độ tan chảy thấp ngoài Gallium.

Nếu phương pháp tiếp cận của Maldonado chứng minh được tiềm năng, sẽ có rất nhiều ứng dụng đang chờ đợi phía trước, đặc biệt là dành cho ngành công nghiệp năng lượng mặt trời. Silicon tinh thể đến nay vẫn là vật liệu sử dụng phổ biến nhất để khai thác năng lượng mặt trời nhưng chi phí sản xuất cao đã buộc các nhà nghiên cứu phải tìm kiếm những bán dẫn thay thế khác.

"Vẫn còn quá sớm để dự đoán chính xác quy trình trên sẽ giúp giảm giá thành của Silicon xuống bao nhiêu, tuy nhiên, tiềm năng đối với một quy trình sản xuất quy mô lớn, không quá đắt đỏ và thân thiện với môi trường đang dần hiện hữu. Ước muốn cuối cùng của chúng tôi là có thể chuyển đổi từ cát sang Silicon tinh thể chỉ trong một bước duy nhất. Và không có bất cứ quy tắc cơ bản nào nói rằng điều này không thể thực hiện", Maldonado nói.

Nghiên cứu về cách thức chế tạo Silicon tinh thể từ kim loại lỏng của giáo sư Maldonado hiện đã được đăng tải trên tạp chí American Chemistry Society và đang được gây quỹ bởi Quỹ nghiên cứu dầu khí thuộc cộng đồng hóa học Hoa Kỳ. Ngoài ra, đại học Michigan cũng đã đệ đơn bảo vệ tài sản trí tuệ đồng thời tìm kiếm các đối tác thương mại để đưa công nghệ vào thị trường.