Nghiên cứu điều chế thử nghiệm Silic tinh thể dạng nano bằng phương pháp nhiệt kim

Trong những năm gần đây, polyme bán dẫn silic dạng tinh thể nano đang được phát triển nghiên cứu nhờ các tính chất đầy hứa hẹn như sự không độc hại, nguồn nguyên liệu phong phú, thân thiện với môi trường và dễ dàng tích hợp vào các quy trình công nghiệp. Các tính chất của vật liệu này đang được nghiên cứu cải tiến về tính chất lý hóa, sự ổn định nhiệt, khả năng hòa tan và một số tính chất cơ học. Tại Việt Nam hiện chưa có nghiên cứu nào về quá trình điều chế silic tinh thể dạng nano. Các nghiên cứu ở Việt Nam hiện nay chủ yếu tập trung ở việc tổng hợp các hạt SiO2 dạng nano để làm xúc tác xử lý môi trường như tổng hợp SiO2 nano từ tro trấu, ứng dụng xử lý phốt phát trong nước thải, hấp thụ xanh metylen trong nước thải... Tuy nhiên, đây có thể là các nguồn nguyên liệu cho quá trình tổng hợp silic tinh thể dạng nano mà các nghiên cứu ở Việt Nam hiện chưa có. Trong số các phương pháp điều chế silic tinh thể thì phương pháp khử magie là phương pháp đơn giản để chuyển đổi silicat (nguồn Si rẻ và ổn định nhất) thành silic tinh thể trong khi vẫn giữ lại được hình thái hạt silic.

Do vậy đề tài “Nghiên cứu điều chế thử nghiệm tinh thể silic dạng nano bằng phương pháp nhiệt kim” của Viện công nghệ xạ hiếm, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam do ThS. Nguyễn Văn Tùng làm chủ nhiệm đã lựa chọn phương pháp này để tiến hành các nghiên cứu thử nghiệm. Việc thực hiện nghiên cứu này giúp cho việc mở rộng khả năng tổng hợp silic tinh thể dạng nano từ các nguồn khoáng hoặc phế phẩm chứa silic nhằm đem lại hiệu quả cao, có khả năng ứng dụng trong nhiều ngành kỹ thuật cao.

Sau một thời gian triển khai, đề tài đã thu được các kết quả như sau:

Đề tài đã điều chế được silic tinh thể từ mẫu cát trắng Khánh Hòa với các điều kiện như sau:

- Cát trắng cần được xử lý trước khi làm nguyên liệu điều chế silic tinh thể.

- Điều kiện phản ứng khử nhiệt magie như sau:

* Tỷ lệ hỗn hợp phản ứng: SiO2/Mg/NaCl là 1/0,8/10

* Nhiệt độ phản ứng: 670°C 

* Thời gian phản ứng: ít nhất là 10 giờ

* Môi trường: khí trơ

* Hỗn hợp sau phản ứng được xử lý bằng HCl loãng loại bỏ tạp chất, lọc rửa đến pH trung tính.

- Sự hình thành pha tinh thể silic rất rõ ràng.

Sản phẩm thu được là silic tinh thể có kích thước hạt trung bình khoảng 500 nm.

Các điều kiện trên cũng đã được áp dụng để tổng hợp Si NC từ SiO2 NP tổng hợp từ tro trấu. Kết quả thu được cho thấy, Si NC hình thành rõ ràng với kích thước nhỏ hơn 20 nm. Kết quả EDX cho thấy vẫn còn một phần nhỏ SiO2 bám trên bề mặt tinh thể silic.

Như vậy, nhóm thực hiện đề tài đã điều chế được Si NC với kích thước sản phẩm đạt yêu cầu như thuyết minh đề tài. Sản phẩm thu được có chất lượng tốt, có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật hiện nay, do đó cần tiếp tục hướng nghiên cứu ứng dụng cho sản phẩm.

Hiện nay silic tinh thể vẫn đang được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghệ, đặc biệt là trong ngành điện tử, vật liệu bán dẫn. Sản phẩm silic tinh thể thu được từ nguồn cát trắng có thể sử dụng làm nguyên liệu thô cho các quá trình sản xuất chất bán dẫn. Do vậy, để thực hiện yêu cầu trên, cần phải tiếp tục nghiên cứu quá trình điều chế silic tinh thể từ nguồn cát trắng với quy mô lớn hơn để có thể đánh giá được hiệu quả kinh tế cũng như tiềm năng ứng dụng của chúng. Đối với sản phẩm Si NC, cần phải tiếp tục nghiên cứu khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ hiện nay như: chế tạo quantum đốt, ứng dụng vào pin mặt trời, ứng dụng làm vật liệu anot trong pin Lithium… Đây cũng là các hướng nghiên cứu ứng dụng đang được thực hiện trên thế giới.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 17458/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)