Việc chế tạo ra kính cách nhiệt là một trong những nhiệm vụ bức thiết của các nhà khoa học trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Để chế tạo cửa sổ cách nhiệt, hiện nay có hai cách là dùng kính dạng hộp có đệm không khí hoặc khí trơ ở giữa, hoặc dùng lớp cách nhiệt có chỉ số bức xạ thấp như tổ hợp màng điện môi/kim loại/điện môi với nhiều điều kiện khác nhau, hoặc kết hợp cả hai cách trên để tăng thêm hiệu quả cách nhiệt. Khó khăn của việc chế tạo này là khá phức tạp với nhiều quy trình và nhất là điều chỉnh độ mỏng của lớp kim loại để cho phép ánh sáng vùng thấy được đi qua. Năm 2005, nhóm nghiên cứu của giáo sư Hasegawa lần đầu tiên công bố tính trong suốt dẫn điện của epitaxy TNO được chế tạo bằng kỹ thuật PLD. Sau đó là nỗ lực của nhóm nghiên cứu Hasegawa và các nhóm nghiên cứu khác để cải thiện tính trong suốt dẫn điện của TNO bằng kỹ thuật PLD và kỹ thuật phún xạ để có thể đưa TNO vào áp dụng trong thực tế.

Các báo cáo gần đây cho thấy TNO vẫn đạt tính trong suốt dẫn điện cao ngay cả khi được chế tạo trên nền kính và đạt nồng độ electron ne~ 1021 cm-3. Granqvist đã chỉ ra rằng đối với trường hợp ITO, tần số dao động plasmon sẽ giảm nếu ne tăng từ 1020 đến 1021 cm-3, có nghĩa rằng với nồng độ electron cao, màng mỏng sẽ có khả năng phản xạ tia hồng ngoại. Điều này cho thấy TNO có tiềm năng là chất có chỉ số bức xạ thấp vì có thể phản xạ lại tia hồng ngoại. Một số nghiên cứu về chỉ số bức xạ của ITO và AZO cũng đã được tiến hành. Với tiềm năng có chỉ số bức xạ thấp, với quy trình chế tạo đơn giản, hơn nữa TiO2 lại là chất có khả năng tự làm sạch, bền trong không khí và các môi trường axit, giá thành thấp, màng TNO hứa hẹn khả năng ứng dụng vào các cửa sổ thông minh để chống nóng và chống bụi. Với những triển vọng này, nhóm nghiên cứu do TS. Hoàng Ngọc Lam Hương, Trung tâm Nano và Năng lượng, ĐHKHTN làm chủ nhiệm đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng Nb:TiO2(TNO) cho cửa sổ thông minh: cách nhiệt bằng phản xạ tia hồng ngoại”.

Sau một thời gian triển khai nghiên cứu (từ tháng 4 năm 2013 đến tháng 4 năm 2017), nhóm đề tài đã đạt được các kết quả như sau:

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo và đánh giá khả năng ứng dụng của màng TNO vào cửa sổ thông minh, có khả năng chống nóng. Sau khi tối ưu hóa điều kiện chế tạo, màng đạt được có khả năng chống nóng khoảng 24%. So sánh với các vật liệu phủ lên kính chống nóng hiện nay, màng TNO có quy trình chế tạo đơn giản, chỉ một lớp vật liệu, giá thành thấp, không độc, có khả năng tự làm sạch. Tuy hiệu suất chống nóng chưa quá cao, nhưng với những ưu thế về vật liệu, màng TNO hứa hẹn sẽ ứng dụng tốt cho cửa sổ kính. 

Các vật liệu trong suốt dẫn điện mang tính chất phản xạ hồng ngoại, điển hình như ITO, AZO, FTO. TNO là một vật liệu trong suốt dẫn điện mới được phát hiện trong khoảng 10 năm trở lại đây. Và TiO2 mang các tính chất mà những vật liệu chủ khác không có, như là hệ số khúc xạ cao, độ bền hóa học cao, hằng số điện môi lớn, quang hóa. TNO cũng có một số lợi thế, như là giá thành thấp, dễ chế tạo, bền hóa học, khả năng tự làm sạch. Màng TNO của nhóm nghiên cứu có khả năng giúp tiết kiệm năng lượng làm mát lên đến 24%. Kết quả cho thấy, màng có khả năng ứng dụng vào cửa sổ kính tiết kiệm năng lượng, với mục đích giảm thiểu việc nhiệt độ tăng cao trong nhà do hấp thụ tia hồng ngoại nhiệt.

Như vậy, nhóm nghiên cứu đã hoàn thành đề tài nghiên cứu và đạt được sản phẩm là màng chống nóng-tiết kiệm năng lượng TiO2 pha tạp Nb với khả năng tiết kiệm năng lượng lên đến 25%. Nhóm nghiên cứu mong được tạo điều kiện hơn nữa để phát triển kết quả và sản phẩm của đề tài.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 14814/2018) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)