kỹ thuật chế tạo

Kỹ thuật chế tạo
Do perovskite là một vật liệu gốm nên các chế tạo
perovskite phổ biến nhất là kỹ thuật gốm, hay còn gọi là
kỹ thuật phản ứng pha rắn. Các nguyên liệu ban đầu là các
ôxit của các kim loại được nghiền trộn trong thời gian dài
để tạo sự đồng nhất, sau đó được ép thành viên và nung
thiêu kết ở nhiệt độ cao để tạo ra phản ứng perovskite hóa
(phản ứng pha rắn). Phương pháp này có ưu điểm là rẻ
tiền, đơn giản, dễ dàng tạo ra vật liệu với khối lượng lớn.
Ngoài ra, perovskite có thể được chế tạo bằng các
phương pháp phản ứng hóa học khác nhau ví dụ như
phương pháp sol-gel, phương pháp đồng kết tủa, với ưu
điểm là cho vật liệu có chất lượng cao nhưng lại hạn chế
khả năng tạo vật liệu với khối lượng lớn.
a) Phương pháp phản ứng pha rắn (phương pháp
gốm):
Phương pháp phản ứng pha rắn là phương pháp
truyền thống để chế tạo các oxit phức hợp khá đơn giản
và được sử dụng khá phổ biến. Các nguyên liệu ban đầu
là các oxit của các kim loại được nghiền trộn trong một
thời gian dài để tạo hỗn hợp đồng nhất. Hỗn hợp này sau
đó được ép thành viên và nung thiêu kết ở nhiệt độ cao để
tạo ra phản ứng pevrovskite hóa. Phản ứng xảy ra khi


nung mẫu ở nhiệt độ cao (khoảng 2/3 nhiệt độ nóng
chảy). Ở nhiệt độ này, các chất phản ứng vẫn ở trạng thái
rắn nên phản ứng xảy ra chậm. Để tăng độ đồng nhất
trong vật liệu và pha tinh thể tạo thành có cấu trúc tinh thể
như mong muốn, khâu công nghệ nghiền, trộn, ép, viên và
nung thường được lặp lại một vài lần và phải kéo dài thời

gian nung mẫu.
Phương pháp này có ưu điểm là rẻ tiền, đơn giản
đễ dàng tạo ra vật liệu với khối lượng lớn. Tuy nhiên
phương pháp này bộc lộ nhiều hạn chế khi tổng hợp nhiều
vật liệu cao cấp cho các lĩnh vực điện, điện tử, quang,
tử…trong đó chất lượng vật liệu là yếu tố hàng đầu.
Quy trình tổng quát của phương pháp phản ứng pha
rắn:


Hình1.Quy trình tổng quát của phương pháp phản ứng
pha rắn.

b/Phương pháp đồng kết tủa:


Đâ là một phương pháp hóa học đi từ dung dịch
thường dùng để chế tạo các đơn oxit và đôi khi chế tạo
các oxit phức hợp. Trong phương pháp này, oxit phức hợp
được chế tạo bằng cách kết tủa từ dung dịch muối chứa
các cation kim loại dưới dạng hydroxit, cacbonat, citrat…
khi các dung dịch đạt đến độ bão hòa thì xuất hiện các
mầm kết tủa. Các mầm kết tủa phát triển thông qua sự
khuyếch tán vật chất lên bề mặt mầm. Sau đó hỗn hợp kết
tủa được lọc, tách, rửa sạch, sấy khô , nung ở một khoảng
nhiệt độ thích hợp, ta thu được mẫu bột với sự đồng đều,
mịn và hạt có kích thước cỡ <1µm.
Điều kiện đồng kết tủa là tích số hòa tan của các hợp
chất này phải xấp xỉ bằng nhau và tốc độ kết tủa trong
suốt quá trình phải như nhau. Nếu chọn được điều kiện

kết tủa tốt thì quãng đường khuyếch tán chỉ còn 10→50
lần kích thước ô mạng và sản phẩm sinh ra ở nhiệt độ
không cao, có độ đồng nhất, độ tinh khiết hóa học cao và
bề mặt riêng lớn. Tuy vậy để chọn lọc được các điều kiện
trên rất khó .Thêm vào đó, sự kết tủa sẽ kéo theo một số
thành phần tạp chất nào đó làm kết tủa không có thành
phần như mong muốn. Đó là một số hạn chế của phương
pháp đồng kết tủa.
c/Phương pháp sol-gel:
Phương pháp sol-gel là phương pháp do R.Roy đưa ra
từ năm 1956 cho phép trộn lẫn các chất ở quy mô nguyên


tử. Phương pháp sol-gel có nhiều ưu điểm tiềm năng hơn
các phương pháp khác không chỉ ở chỗ táo được mức độ
đồng nhất của các cation kim loại ở quy mô nguyên tử mà
còn chế tạo được vật liệu ở dạng khối, màng mỏng, sợi và
hạt. Đây là một yếu tố công nghệ vô cùng quan trọng khi
chế tạo vật liệu oxit phức hợp chất lượng cao.
Từ các muối kim loại tương ứng ban đầu, được tính
toán theo một tỉ lệ xác định và được hòa thành dung dịch.
Từ dung dịch này, hệ keo của các hạt rắn phân tán trong
chất lỏng được tạo thành, gọi là sol. Trong quá trình solgel, các precursor (hợp chất nguyên liệu) tạo thành hệ keo
là do các nguyên tố kim loại bị bao quanh bởi các ligan
khác nhau mà không phải là các ion kim loại khác. Khi
phản ứng tạo hơn 2 liên kết thì phân tử có kích thước
không giới hạn được hình thành và đến một lúc nào đó nó
có kích thước lớn chiếm toàn bộ thể tích dung dịch và tạo
thành gel. Như vậy gel là một chất tạo bởi một pha rắn
liên tục bao quanh một pha lỏng liên tục. Tính liên tục của

pha rắn tạo nên tính đàn hồi của gel. Hầu hết các gel là vô
định hình. Khi sấy khô gel ở nhiệt độ cao để loại nước,
trong gel xuất hiện ứng suất mao quản làm co mạng gel.
Chất này được gọi là xerogel. Quá trình già hóa gel là quá
trình biến đổi cấu trúc gel theo chiều hướng tạo thành
trạng thái tinh thể hoặc vô định hình sít chặt hơn. Quá
trình này luôn xảy ra khi gel linh động hơn ở nhiệt độ cao


hoặc có mặt dung môi. Khi gia nhiệt ở nhiệt độ thích hợp
thì tạo thành vật liệu gốm có cấu trúc tinh thể và có mật
độ cao hơn.
Trong phương pháp này, vật liệu xuất phát thông
thường là muối vô cơ kim loại hoặc hợp chất hữu cơ kim
loại. Trong quá trình sol-gel, tiền chất trải qua quá trình
thủy phân và phản ứng polymer hóa tạo ra được keo
huyền phù, đó là sol. Sau khi xử lí nhiệt, làm bay hết nước
đó là gel.
Bản chất của quá trình sol-gel là dựa trên các phản
ứng thủy phân và ngưng tụ các tiền chất. Bằng cách điều
chỉnh tốc độ của 2 phản ứng trên ta sẽ thu được sản phẩm
mong muốn. Quá trình sol-gel có thể cho ta gel chứa toàn
bộ các chất tham gia phản ứng và dung môi ban đầu hoặc
kết tủa gel tách khỏi dung môi.
Sơ đồ tổng hợp vật liệu theo phương pháp sol-gel như
hình dưới:

Xerogel
Dung
dịch

Sol

Oxide phức
hợp

Gel
Aerogel


Hình 2. Sơ đồ tổng hợp oxide phức hợp bằn phương pháp
sol-gel.
Bằng phương pháp sol-gel không những tổ hợp được
các oxit phức hợp siêu mịn có tính đồng nhất, độ tinh
khiết hóa học cao, bề mặt riêng lớn mà còn cho phép tổng
hợp được các tinh thể cỡ nanômet, các sản phẩm ở dạng
màng mỏng, sợi…
Ưu điểm của phương pháp sol-gel là:
 Phương pháp sol-gel có nhiều ưu điểm tiềm năng
hơn các phương pháp khác không chỉ ở chỗ tạo được
mức độ đồng nhất của các cation kim loại ở quy mô
nguyên tử mà còn có thể chế tạo vật liệu ở dạng
khối, màng mỏng,sợi và hạt…Đó là yếu tố công
nghệ vô cùng quan trọng khi chế tạo vật liệu oxit
phức hợp chất lượng cao.
 Nhờ khả năng trộn lẫn các chất ở quy mô nguyên tử,
phương pháp sol-gel có thể tạo ra sản phẩm có tính
đồng nhất cao, độ tinh khiết hóa học cao và một khả
năng quan trọng là có thể khống chế được kích
thước, hình dạng của hạt.

 Ngoài ra phương pháp này còn rất đơn giản, phù hợp
với nghiên cứu tại Việt Nam, có thể điều khiển được
các giai đoạn trong quá trình để tạo ra được sản
phẩm như mong muốn.


KẾT LUẬN:
Do có nhiều đặc tính điện - từ - hóa khác nhau nên
perovskite có mặt trong rất nhiều ứng dụng và được coi là
một trong những vật liệu rất lý thú. Nhà vật lý người Ấn
Độ C. N. R. Rao từng phát biểu rằng perovskite là trái tim
của vật lý chất rắn. Với tính chất từ điện trở siêu khổng
lồ, perovskite rất hứa hẹn cho các linh kiện spintronics và
các cảm biến từ siêu nhạy. Với nhiều tính chất đặc biệt
như siêu dẫn nhiệt độ cao, sắt điện... perovskite rất hữu
ích cho nhiều linh kiện điện tử. Ngoài ra, perovskite với
các tính chất hấp phụ và xúc tác còn được sử dụng trong
các pin nhiên liệu.
a/ Perovskite- Vật liệu mới giúp năng lượng mặt trời
siêu rẻ trong tương lai gần:
Perovskite là một loại vật liệu có những đặc tính vô
cùng đặc biệt. Chỉ với một lớp vật liệu perovskite có độ
dày 1 micromet cũng có khả năng hấp thụ lượng năng
lượng tương đương so với các tấm pin bản mỏng silicon
có độ dày 180 micromet. Thêm nữa, trong khi giá thành
để sản xuất ra silicon là tương đối đắt, và công nghệ chế
tạo pin bản mỏng silicon là rất phức tạp, do đó các tấm
pin mặt trời bản mòng dùng silicon được chế tạo hàng loạt
trên thị trường thường khó đạt được đến hiệu suất lý
tưởng 20%. Trong khi đó với giá thành siêu rẻ, trọng

lượng nhẹ cộng với cách thức chế tạo đơn giản (có thể chỉ


cần đặt tấm pin mặt trời dùng perovskite lên 1 tấm nhựa),
chi phí và cả hiệu suất hoạt động của pin mặt trời
dùng perovskite đều có thể được đảm bảo. Mong muốn
của các nhà khoa học về một tấm pin mặt trời vừa có hiệu
suất cao, giá thành vừa rẻ đang dần trở thành hiện thực.
Theo Michael Grätzel, người nổi tiếng trong ngành
năng lượng với 1 loại pin mặt trời mang tên của mình, cho
rằng công nghệ pin mặt trời mới sử dụng perovskite có thể
biến ý tưởng chỉ có trong các truyện khoa học viễn tưởng:
biến mọi bề mặt bất kỳ nào thành một tấm pin mặt trời
không còn là chuyện quá xa vời. Henry Snaith, một nhà
vật lý tại Đại học Oxford cũng đồng ý với ý tưởng cho
rằng trong tương lai không xa, việc lắp đặt một tấm pin
mặt trời cũng dễ như việc quét sơn lên một bề mặt phẳng
vậy.
Mặc dù mới được sử dụng làm vật liệu trong pin mặt
trời từ năm 2009, nhưng perovskite đang dành được sự
quan tâm rất nhiều. Theo Snaith, từ 2009 đến 2012, chỉ có
1 bài báo khoa học được đăng về đề tài này, tuy nhiên từ
hè 2012, con số này đã có sự tăng đột biến. Hiện tại,
Snaith đang tiếp tục phát triển công nghệ này qua một
"startup" có tên Oxford Photovoltaics, và đã gọi được 4,4
triệu $ đầu tư. Trong khi đó, Grätzel đã bắt đầu tích hợp
công nghệ của mình vào các sản phẩm tiêu dùng như balo
hay vỏ cho iPad và đang tìm cách để đưa pin mặt trời
dùng perovskite vào những tấm pin mặt trời quy mô lớn
dành cho sản xuất công nghiệp.

Tuy vậy, cũng giống như mọi loại công nghệ khác,
pin mặt trời dùng perovskite cũng cần thời gian khoảng 1
thập kỷ để có thể hoàn thiện và được bán rộng rãi trên thị
trường. Trong thời gian đó, công nghệ pin mặt trời dùng
silicon cũng đã có những tiến đáng kể, giá sản xuất 1 watt
điện có thể xuống đến mốc 0,25$ và làm mất lợi thế cạnh
tranh về giá và động lực để các nhà đầu tư mạo hiểm đầu
tư vào công nghệ mới. Thêm một vấn đề nữa pin mặt trời
dùng perovskite cần phải giải quyết đó là khoáng vật này
có chứa một lượng nhỏ chì, một kim loại nặng độc hại.
Quy trình khai thác và chế tạo perovskite sẽ cần phải tìm
cách loại bỏ và thu giữ được chì, không để nó thất thoát ra
ngoài môi trường.Mặc dù chưa phải công nghệ hoàn hảo
ở thời điểm hiện tại, nhưng với những ưu điểm riêng của
mình như giá thành rẻ, mỏng, nhẹ, dễ sản xuất và cài đặt
chỉ cần bằng cách sơn lên các bề mặt phẳng, pin mặt trời
dùng perovskite sẽ tìm được chỗ đứng nhất định của mình
trong ngành công nghiệp năng lượng tái tạo và hỗ trợ cho
công nghệ pin mặt trời bản mỏng dùng silicon hiện tại
trong một số tình huống nhất định; tạo ra một nguồn năng
lượng phong phú, sạch và rẻ trong tương lai không xa.
b/ Chế tạo đèn LED bằng vật liệu perovskite:
Những chiếc đèn LED nhiều màu sắc được chế tạo từ
một loại vật liệu perovskite sẽ làm cho việc sản xuất màn
hình LED trong tương lai trở dễ dàng hơn với chi phí thấp
hơn.

Một dạng lai của perovskite, một loại vật liệu mà gần
đây đã được phát hiện làm tăng hiệu quả của pin năng
lượng mặt trời mà một ngày nào đó có thể thay thế cho
silic được sử dụng để giảm chi phí sản xuất đèn LED, có
khả năng mở ra nhiều ứng dụng thương mại trong tương
lai, chẳng hạn như sự hiển thị màu sắc linh hoạt.
Perovskite là một thuật ngữ chung được sử dụng để
mô tả một nhóm các vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc biệt
có dạng hình lập phương và hình thoi. Từ lâu họ đã quan
tâm đến đặc tính siêu dẫn và sắt điện của vật liệu này. Tuy
nhiên, trong những năm qua, nó cho thấy hiệu quả trong
việc chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng điện, nó sẽ tạo
ra một loạt các ứng dụng tiềm năng.
Các vật liệu perovskite được sử dụng để chế tạo các
đèn LED được biết đến là perovskites halogen hữu cơ kim
loại, nó bao gồm một hỗn hợp chì, các ion carbon và các
ion halogen. Những vật liệu này hòa tan tốt trong các
dung môi thông thường và có thể tập hợp để tạo thành
tinh thể perovskite khi được làm khô.


"Perovskite halogen hữu cơ kim loại là chất bán dẫn
đặc biệt" Zhi-Kuang Tan, một nghiên cứu sinh tại Đại học
Phòng thí nghiệm Cavendish ở Cambridge và là tác giả
chính của bài báo cho biết. "Chúng tôi đã thiết kế cấu trúc
điôt để hạn chế sự tích điện vào một lớp màng rất mỏng
perovskite, nó sẽ tạo điều kiện cho quá trình giữ lại các lỗ
trống điện tử để tạo ra sự phát xạ ánh sáng".
Đèn LED perovskite được chế tạo qua một quá trình
đơn giản và có khả năng mở rộng. Quy trình này không

yêu cầu các bước làm nóng ở nhiệt độ cao hay môi trường
chân không, do đó chi phí sản xuất sẽ thấp hơn. Ngược
lại, với phương pháp truyền thống để sản xuất đèn LED
thì chi phí sản xuất là rất cao trong ứng dụng có màn hiển
thị lớn.
Tan cho biết: "Điều đáng chú ý là vật liệu này có thể
dễ dàng điều chỉnh để phát ra ánh sáng trong với nhiều
màu sắc, đây là một đặc tính rất hữu ích cho sản xuất màn
hình màu, bố trí ánh sáng và các ứng dụng truyền thông
quang học,". "Công nghệ này có thể mang lại rất nhiều giá
trị cho ngành công nghiệp màn hình phẳng ngày càng
phát triển."
Nhóm nghiên cứu hiện đang tìm cách để tăng hiệu quả
của đèn LED và sử dụng chúng cho các điôt laser, nó
được sử dụng trong một loạt các ứng dụng khoa học, y tế
và công nghiệp.