Phát triển thành công vật liệu mới cho màn hình smartphone rẻ bằng 1/20 giá hiện nay

Màn hình smartphone, màn hình cảm ứng hay lớp kính của những tấm pin Mặt Trời vốn được chế tạo từ oxit thiếc indi (tức Indium tin oxide - ITO) với hơn 90% thiết bị tương tự phụ thuộc vào vật liệt đặc biệt này. Mặc dù vậy, giá thành của ITO không hề rẻ khi nó dao động từ 400 đến 750 USD/kg và nó chiếm tới 40% giá trị của một chiếc smartphone thông thường.

Để giải quyết tình trạng này, các nhà khoa học tại đại học Pennsylvania đã phát triển thành công một loại vật liệu mới có độ trong suốt cao, dẫn điện tốt và quan trọng nhất là giá thành cực rẻ để thay thế dần dần cho ITO. Với cái tên kim loại tương quan (tạm dịch từ tên gốc correlated metal), vật liệu này có một cấu trúc phân tử vô cùng độc đáo: Nếu trong đối với các kim loại thông thường, các electron di chuyển tự do theo mọi hướng giống như các phân tử khí có trong khí quyển thì cấu trúc đặc biệt của kim loại tương quan điều chỉnh các electron di chuyển theo những dòng chảy giống như chất lỏng, đặc biệt hơn là chúng có thể được điều khiển tùy theo mục đích sử dụng.

Kỹ sư trưởng Roman Engel-Herbert cho biết ông cùng các đồng nghiệp đang tạo ra một vật liệu trong suốt bằng cách thay đổi khối lượng hiệu dụng của các electron bên trong các kim loại thành phần - khái niệm sử dụng trong vật lý chất rắn dưới mô hình cơ học lượng tử nhằm mô tả chuyển động của electron, lỗ trống hoặc các vi hạt trong trường tinh thể hoặc các trường điện từ. Ông cũng bổ sung: "Mấu chốt của vấn đề là lựa chọn các kim loại mà những electron bên trong mang lưới phân tử có tương tác điện từ tĩnh lớn hơn rất nhiều so với động năng của chúng. Điều này sẽ đảm bảo các electron duy chuyển như những dòng chảy do sự tương quan giữa các electron - nôm na là chúng có thể "cảm nhận" được sự xuất hiện của những electron khác".

Đội ngũ nghiên cứu đã mời giáo sư Karin Rabe, một chuyên gia về lý thuyết vật liệu của đại học Rutgers, để đánh giá về mức độ cân bằng giữa khả năng dẫn điện và độ trong suốt của vật liệu này. Thêm vào đó, giáo sư Rabe còn hỗ trợ nhóm nghiên cứu trong việc tìm ra 2 hợp kim phù hợp với những yêu cầu mà họ mong muốn: Stronti vanadat (SrVO3) và Canxi vanadat (CaVO3). Đặc biệt là ở vấn đề giá thành hiện tại, Vanadi - kim loại thành phần quan trong của 2 hợp kim này - có giá chỉ khoảng 25 USD/kg (chưa đến 5% giá của ITO) và thậm chí Stronti còn rẻ hơn nữa, thậm chí Canxi thì càng không phải vấn đề.

Roman Engel-Herbert đã kết luận: "Những kết quả thử nghiệm cho thấy SrVO3 và CaVO3 có đủ khả năng thay thế ITO về mặt thử nghiệm, vấn đề duy nhất bây giờ là làm thế nào để đưa 2 hợp kim này lên quy mô sản xuất công nghiệp". Hiện tại, nhóm nghiên cứu đã đăng ký bằng bản quyền sáng chế cho phát hiện này và họ tin rằng nền công nghiệp sản xuất màn hình cảm ứng, màn hình smartphone và pin Mặt Trời sẽ có bước nhảy vọt trong tương lai.

Tham khảo ScienceAlert