Thứ hai, 04/07/2022 | 13:11 GMT+7

Phương pháp tiết kiệm năng lượng để làm giàu đồng vị hydro trong silicon

31/08/2021

Các nhà khoa học Nhật Bản đã phát hiện ra một phản ứng trao đổi hiệu quả năng lượng để hoán đổi các nguyên tử hydro lấy deuterium trên bề mặt silicon tinh thể nano.

Deuterium, một phiên bản nặng hơn nhưng kém phong phú hơn của nguyên tử hydro, có nhiều ứng dụng thực tế. Thật không may, việc sản xuất Deuteri (đơteri - Hydro nawng) và sử dụng nó để bảo vệ các chất bán dẫn dựa trên silicon đòi hỏi rất nhiều năng lượng và khí Deuteri rất đắt tiền. Giờ đây, các nhà khoa học từ Nhật Bản đã phát hiện ra một phản ứng trao đổi hiệu quả năng lượng để hoán đổi các nguyên tử hydro lấy deuterium trên bề mặt silicon tinh thể nano. Kết quả này mở ra lối đi cho các thiết bị điện tử bền hơn trong khi vẫn giữ chi phí và tác động môi trường thấp.

Sơ đồ minh họa các phản ứng trao đổi hydro-deuterium tại bề mặt n-Si. Ảnh: Takahiro Matsumoto - lNCU Japan
Việc phát hiện ra đồng vị vào đầu thế kỷ 20 đánh dấu một thời điểm quan trọng trong lịch sử vật lý và dẫn đến sự hiểu biết tinh tế hơn nhiều về hạt nhân nguyên tử. Đồng vị là 'phiên bản' của một nguyên tố nhất định trong bảng tuần hoàn có cùng số proton nhưng khác số neutron, và do đó khác nhau về khối lượng. Những khác biệt về khối lượng này có thể làm thay đổi hoàn toàn các tính chất vật lý nhất định của nguyên tử, chẳng hạn như tốc độ phân rã phóng xạ của chúng, các đường phản ứng có thể có của chúng trong lò phản ứng phân hạch hạt nhân...
Tại Đại học Thành phố Nagoya (NCU), Nhật Bản, một nhóm các nhà khoa học do Giáo sư Takahiro Matsumoto đứng đầu đã tìm ra một chiến lược tiết kiệm năng lượng để làm giàu bề mặt silicon bằng cách sử dụng dung dịch deuterium loãng. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Physical Review Materials, được thực hiện với sự hợp tác của Tiến sĩ Takashi Ohhara thuộc Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Nhật Bản và Tiến sĩ Yoshihiko Kanemitsu từ Đại học Kyoto.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng một phản ứng trao đổi đặc biệt từ hydro sang Deuteri có thể xảy ra trên bề mặt của silicon tinh thể nano (n-Si). Họ đã chứng minh phản ứng này trong các màng n-Si mỏng ngập trong dung dịch chứa Deuteri bằng cách sử dụng phương pháp tán xạ neutron không đàn hồi. Kỹ thuật quang phổ này liên quan đến việc chiếu xạ neutron lên một mẫu và phân tích các chuyển động nguyên tử hoặc dao động tinh thể thu được. Các thí nghiệm này, cùng với các phương pháp quang phổ khác và tính toán năng lượng dựa trên cơ học lượng tử, đã tiết lộ các cơ chế cơ bản có lợi cho việc thay thế các đầu cuối hydro trên bề mặt của n-Si bằng đơteri: Quá trình trao đổi có liên quan chặt chẽ đến sự khác biệt trong các chế độ dao động bề mặt giữa n-Si kết thúc bằng hydro- và đơteri. Tiến sĩ Matsumoto nhấn mạnh: “Chúng tôi đã đạt được sự gia tăng gấp bốn lần nồng độ của các nguyên tử đơteri trên bề mặt n-Si trong các thí nghiệm của chúng tôi được thực hiện ở pha lỏng”. các tính toán lý thuyết của chúng tôi, có thể nâng cao tốc độ làm giàu đơteri lên 15 lần. "
Chiến lược sáng tạo này nhằm khai thác các hiệu ứng lượng tử trên bề mặt của n-Si có thể mở đường cho các phương pháp mới để thu mua và sử dụng deuterium. Tiến sĩ Matsumoto kết luận: "Phản ứng trao đổi hydro-deuterium hiệu quả mà chúng tôi đã báo cáo có thể mang lại các giao thức làm giàu deuterium bền vững, khả thi về mặt kinh tế và thân thiện với môi trường, dẫn đến công nghệ bán dẫn bền hơn".
Nhóm nghiên cứu của NCU cũng tuyên bố rằng "Về mặt lý thuyết, người ta đã dự đoán rằng hydro càng nặng thì hiệu suất của phản ứng trao đổi càng cao. Vì vậy, chúng ta có thể mong đợi sự làm giàu hiệu quả hơn các nguyên tử triti trên n-Si, dẫn đến khả năng làm sạch nước nhiễm triti. Chúng tôi tin rằng đây là vấn đề cần được giải quyết khẩn cấp."
Hà Trần (Theo Phys.org)
Depp3