(Nguồn ảnh: Phys.org)
Silic là nguyên tố có hàm lượng cao thứ hai trong vỏ trái đất. Khi được làm tinh khiết, nó mang cấu trúc tinh thể của kim cương, điều này vô cùng quan trọng đối với các thiết bị điện tử hiện nay— thậm chí có thể so sánh với tầm quan trọng của Cacbon trong ngành hoá hữu cơ. Một nhóm các nhà khoa học, được dẫn dắt bởi ông Timothy Strobel, đã tìm ra cách tổng hơp một dạng Silic mới, hứa hẹn nhiều tiềm năng trong tương lai.
Mặc dù Silic được sử dụng vô cùng phổ biến trong kỹ thuật hiện nay, nhưng do bản thân vật liệu này có tính chất là bề rộng khoảng cấm(band gap) lớn, điều này ngăn trở Silic trở thành vật liệu thế hệ mới, cũng như hạn chế tiềm năng được sử dụng trong các ứng dụng hiệu quả như diode phát quang, transister thế hệ mới và các thiết bị quang khác.
Vật liệu kim loại có thể dẫn điện dễ dàng, còn vật liệu cách điện thì hoàn toàn không dẫn điện. Trong khi đó, vật liệu bán dẫn sở hữu khả năng dẫn điện trung bình, điều kiện để dẫn điện là cần có một nguồn năng lượng đầu vào kích electron nhảy vượt qua khoảng cấm. Những vật liệu có bề rộng khoảng cấm hẹp sẽ dễ dàng hấp thụ và phát quang.
Để Sillic trở nên hấp dẫn hơn đối với công nghệ mới thì bề rộng khoảng cấm cần được thu hẹp lại. Strobel và nhóm của ông-Carnegie’s Duck Young Kim, Stevce Stefanoski, Oleksandr Kurakevych— đã tổng hợp được một dạng silic mới có bề rộng khoảng cấm nằm trong mức lý tưởng để hấp thụ được ánh sáng mặt trời, điều chưa từng có từ trước tới giờ.
Không giống như cấu trúc kim cương vốn có, dạng thù hình mới này có một cấu trúc mở thú vị, gọi là cấu trúc Zeolite, sự kết hợp của nhiều nhiều vòng nhẫn silic(có thể bao gồm 5,6 hoặc 8 nguyên tử Silic trong một vòng).
Các nhà khoa học đã tạo ra dạng thù hình này bằng cách sử dụng một quy trình áp suất cao đột phá. Đầu tiên, một hợp chất bao gồm 2 nguyên tố Natri và Silic, Na4Si24 được tổng hợp dưới điều kiện áp suất cao. Tiếp theo thì hợp chất này được đưa về áp suất thường, Natri còn tồn sẽ được thu bằng cách vừa gia nhiệt vừa hút. Dạng thù hình Si24 mới này có bề rộng khoảng cấm vô cùng lý tưởng để hấp thụ ánh sáng mặt trời, hoàn toàn có khả năng phát quang hiệu quả hơn nhiều lần so với Silic cấu trúc kim cương và rất bền tại áp suất thường, chịu được nhiệt độ cao nhất là 450 oC
” Cách tổng hợp áp suất cao này là cách thức hoàn toàn mới trong ngành công nghiệp vật liệu. Bằng cách sử dụng thiết bị đặc chế áp suất cao, chúng tôi có thể truy cập đến mức độ cấu trúc để giải quyết các vấn đề vật liệu còn tồn đọng. Ở đây chúng tôi chỉ mới giới thiệu một loại Sillic mới, nhưng cách thức này có thể mở rộng đến cả những loại vật liệu khác. Vì những cấu trúc mới vẫn bền ở áp suất thường nên quy mô sản xuất lớn là hoàn toàn có thể.”, ông Strobel cho biết.
“Đây là một ví dụ thú vị về sự kết hợp giữa thực nghiệm và thực tế, cấu trúc điện tử phức tạp trên lý thuyết và thực tế đã giúp đưa đến chúng ta loại vật liệu mới với nhiều tính năng vô cùng thú vị. Chúng tôi tin rằng việc nghiên cứu quy trình áp suất cao này sẽ là câu trả lời cho nhiều vấn đề năng lượng hiện tại và đang mở rộng công trình này đến các loại vật liệu khác”, Kim cho biết.
Người dịch: Trịnh Trần Khánh Duy.
Nguồn: Phys.org
