Nghiên cứu cải thiện đặc tính điện của điện cực trong suốt dây nano bạc

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu cải thiện đặc tính điện của điện cực trong suốt dây nano bạc, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật.

• Tác giả: Hoàng Văn Hoàn
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Duy Cường
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
• Đề tài: Cải thiện đặc tính điện của điện cực trong suốt từ dây nano bạc
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Điện cực dẫn điện trong suốt
• 1.2. Các vật liệu thay thế
• 1.3. Sơ lược về công nghệ chế tạo dây nano bạc
• 1.4. Điện cực trong suốt bằng dây nano bạc
• 1.5. Ứng dụng của điện cực dây nano bạc
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm
• 2.2. Tổng hợp dây nano bạc
• 2.3. Chế tạo điện cực AgNWs và hàn AgNW bằng nguồn điện áp xung
• 2.4. Các phương pháp phân tích và đánh giá vật liệu
• 2.4.1. Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction, XRD)
• 2.4.2. Hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscope-SEM)
• 2.4.3. Phương pháp bốn mũi dò
• 2.4.4. Phổ tử ngoại-khả kiến (UV-VIS)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp vật liệu dây nano bạc (AgNWs)
• 3.1.1. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu
• 3.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới hình thái học của vật liệu AgNWs
• 3.2. Chế tạo điện cực AgNWs trên đế PET (Polyethylene terephthalate)
• 3.2.1. Chế tạo điện cực từ mực in AgNWs
• 3.2.2. Giảm điện trở điện cực AgNWs bằng các mối hàn nano
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC BẢNG

Tóm tắt

I. Tổng quan về cải thiện đặc tính điện của điện cực trong suốt dây nano bạc

Điện cực dẫn điện trong suốt từ dây nano bạc (AgNWs) đang trở thành một trong những vật liệu quan trọng trong lĩnh vực quang điện tử. Với khả năng dẫn điện tốt và độ truyền quang cao, AgNWs hứa hẹn sẽ thay thế các vật liệu truyền thống như oxit thiếc indium (ITO). Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện đặc tính điện của điện cực từ AgNWs, nhằm nâng cao hiệu suất của các thiết bị điện tử.

1.1. Đặc điểm nổi bật của dây nano bạc trong ứng dụng điện cực

Dây nano bạc có điện trở bề mặt thấp và độ truyền qua cao, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các điện cực dẫn điện trong suốt. Đặc tính này giúp tăng cường hiệu suất của các thiết bị như pin mặt trời và màn hình cảm ứng.

1.2. Tại sao cần cải thiện đặc tính điện của điện cực AgNWs

Mặc dù AgNWs có nhiều ưu điểm, nhưng điện trở tiếp xúc giữa các dây nano vẫn còn cao. Việc cải thiện đặc tính điện của điện cực là cần thiết để giảm thiểu điện trở bề mặt và nâng cao hiệu suất tổng thể của thiết bị.

II. Thách thức trong việc cải thiện đặc tính điện của điện cực AgNWs

Mặc dù dây nano bạc có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc cải thiện đặc tính điện của điện cực. Các vấn đề như điện trở tiếp xúc cao và độ bền cơ học thấp cần được giải quyết để tối ưu hóa hiệu suất của AgNWs.

2.1. Điện trở tiếp xúc giữa các dây nano bạc

Điện trở tiếp xúc giữa các dây nano bạc là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến đặc tính điện của điện cực. Việc giảm thiểu điện trở này sẽ giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị điện tử.

2.2. Độ bền cơ học của điện cực AgNWs

Độ bền cơ học của điện cực AgNWs cũng là một thách thức lớn. Các điện cực này cần phải có khả năng chịu đựng các tác động cơ học mà không làm giảm hiệu suất dẫn điện.

III. Phương pháp cải thiện đặc tính điện của điện cực AgNWs

Để cải thiện đặc tính điện của điện cực, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Một trong những phương pháp hiệu quả là sử dụng nguồn điện áp xung để hàn các dây nano bạc với nhau, giúp giảm điện trở tiếp xúc.

3.1. Sử dụng nguồn điện áp xung để hàn AgNWs

Phương pháp hàn AgNWs bằng nguồn điện áp xung giúp tạo ra các mối hàn chắc chắn giữa các dây nano, từ đó giảm điện trở tiếp xúc và cải thiện đặc tính điện của điện cực.

3.2. Tối ưu hóa quy trình chế tạo điện cực AgNWs

Quy trình chế tạo điện cực AgNWs cần được tối ưu hóa để đảm bảo rằng các dây nano được phân bố đồng đều và có kích thước phù hợp, từ đó nâng cao hiệu suất dẫn điện.

IV. Ứng dụng thực tiễn của điện cực AgNWs trong quang điện tử

Điện cực AgNWs có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử, bao gồm pin mặt trời, màn hình cảm ứng và các thiết bị phát quang. Việc cải thiện đặc tính điện của điện cực sẽ giúp nâng cao hiệu suất của các thiết bị này.

4.1. Ứng dụng trong pin mặt trời

Điện cực AgNWs có thể được sử dụng trong pin mặt trời để tăng cường hiệu suất thu năng lượng. Đặc tính dẫn điện tốt giúp tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng.

4.2. Ứng dụng trong màn hình cảm ứng

Màn hình cảm ứng sử dụng điện cực AgNWs có độ truyền quang cao, giúp cải thiện độ sáng và độ nhạy của màn hình, từ đó nâng cao trải nghiệm người dùng.

V. Kết luận và tương lai của điện cực AgNWs

Nghiên cứu về đặc tính điện của điện cực từ dây nano bạc đang mở ra nhiều triển vọng mới trong lĩnh vực quang điện tử. Việc cải thiện các đặc tính này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất của các thiết bị mà còn tạo ra cơ hội cho các ứng dụng mới trong tương lai.

5.1. Tương lai của nghiên cứu AgNWs

Nghiên cứu về AgNWs sẽ tiếp tục phát triển, với mục tiêu tìm ra các phương pháp mới để cải thiện đặc tính điện của điện cực và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

5.2. Tiềm năng ứng dụng trong công nghệ mới

Với những ưu điểm vượt trội, điện cực AgNWs có tiềm năng lớn trong các công nghệ mới như thiết bị điện tử linh hoạt và các hệ thống năng lượng tái tạo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của các thiết bị quang điện tử như pin mặt trời, điốt phát quang hữu cơ (OLED), màn hình cảm ứng và màn hình tinh thể lỏng (LCD), việc nghiên cứu và phát triển các điện cực dẫn điện trong suốt (Transparent Conductive Electrodes - TCE) trở nên cấp thiết. Theo báo cáo của ngành, các TCE truyền thống dựa trên oxit dẫn điện trong suốt (Transparent Conductive Oxides - TCO) như oxit thiếc indium (ITO) đang gặp nhiều hạn chế về chi phí, tính linh hoạt và độ bền cơ học. Cụ thể, ITO có điện trở suất khoảng 10^-4 Ω.cm và độ truyền qua ánh sáng trên 85%, nhưng lại giòn, dễ nứt gãy khi uốn cong, đồng thời nguyên tố indium khan hiếm và đắt đỏ, làm tăng chi phí sản xuất.

Trong khi đó, các dây nano bạc (Silver Nanowires - AgNWs) nổi lên như một vật liệu thay thế tiềm năng với điện trở bề mặt dưới 50 Ω/□ và độ truyền qua ánh sáng trên 90%, cùng khả năng cơ học linh hoạt cao. AgNWs có thể được tổng hợp trong điều kiện phòng thí nghiệm và chế tạo trên các đế mềm dẻo bằng các phương pháp đơn giản như in, phun phủ, quét phủ. Tuy nhiên, điện trở tiếp xúc giữa các dây nano vẫn còn cao, làm giảm hiệu suất dẫn điện của màng TCE.

Luận văn tập trung nghiên cứu cải thiện đặc tính điện của điện cực trong suốt dây nano bạc bằng phương pháp hàn các mối nối AgNWs thông qua nguồn điện áp xung. Mục tiêu cụ thể là tổng hợp AgNWs với đường kính nhỏ hơn 70 nm, đồng đều về kích thước, chế tạo màng điện cực có điện trở bề mặt dưới 50 Ω/□ và độ truyền qua trên 90%, phù hợp ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử. Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trong khoảng thời gian năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết vật liệu dẫn điện trong suốt (TCE và TCO): Giải thích cơ chế dẫn điện và truyền quang của các vật liệu oxit dẫn điện trong suốt như ITO, ATO, FTO, và các vật liệu thay thế như graphene, ống nano cacbon (CNT), polyme dẫn điện và dây nano kim loại.

• Mô hình cấu trúc và hình thái học của dây nano bạc: Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố tổng hợp như nhiệt độ, tỉ lệ chất hoạt động bề mặt (PVP/AgNO3), nồng độ ion halogen (Cl^-, Br^-), và thời gian phản ứng đến kích thước, hình dạng và cấu trúc tinh thể của AgNWs.

• Cơ chế hàn mối nối dây nano bạc bằng nguồn điện áp xung: Dựa trên định luật Joule-Lenz, nhiệt lượng sinh ra tại các điểm tiếp xúc có điện trở cao giúp hàn các mối nối, giảm điện trở bề mặt màng điện cực.

Các khái niệm chính bao gồm: điện trở bề mặt (RS), độ truyền qua ánh sáng (T), hệ số chất lượng (Figure of Merit - FOM), phương pháp thủy nhiệt tổng hợp AgNWs, và kỹ thuật quét phủ tạo màng điện cực.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp AgNWs bằng phương pháp thủy nhiệt, chế tạo màng điện cực trên đế PET bằng phương pháp quét phủ, xử lý hàn mối nối bằng nguồn điện áp xung.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) để khảo sát hình thái và kích thước AgNWs; nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể; phổ tử ngoại-khả kiến (UV-Vis) để đo độ truyền qua; phương pháp bốn mũi dò để đo điện trở bề mặt.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các mẫu AgNWs được tổng hợp với các điều kiện biến đổi (nhiệt độ, tỉ lệ PVP/AgNO3, nồng độ ion halogen, thời gian phản ứng) để khảo sát ảnh hưởng đến đặc tính vật liệu. Màng điện cực được chế tạo trên đế PET kích thước 2,5 cm × 2,5 cm, với số lượt phủ và nồng độ mực in AgNWs khác nhau.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và khảo sát vật liệu trong khoảng thời gian 6 giờ phản ứng thủy nhiệt, tiếp theo là chế tạo màng điện cực và xử lý hàn mối nối bằng nguồn điện áp xung với các chu kỳ đóng/mở khác nhau trong 100 chu kỳ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tổng hợp AgNWs tối ưu:

   • Nhiệt độ phản ứng 170°C là điều kiện tối ưu để tạo ra AgNWs với chiều dài 30-50 µm và đường kính 25-45 nm.
   • Tỉ lệ PVP/AgNO3 = 3:1 cho AgNWs có đường kính nhỏ và đồng đều, tránh hình thành hạt nano không mong muốn.
   • Tỉ lệ ion Cl^-/Br^- = 2:1 giúp giảm đường kính dây nano xuống khoảng 30 nm, đồng thời duy trì chiều dài lớn (30-50 µm).
   • Thời gian phản ứng 6 giờ đủ để hoàn thành quá trình tổng hợp AgNWs với cấu trúc ổn định.

2. Chế tạo màng điện cực AgNWs trên đế PET:

   • Màng điện cực có điện trở bề mặt 72,64 Ω/□ và độ truyền qua 92,33% tại bước sóng 550 nm với 3 lần quét phủ.
   • Hệ số chất lượng (FOM) đạt 63,74 Ω^-1, cho thấy chất lượng màng phù hợp làm điện cực trong suốt.

3. Cải thiện đặc tính điện bằng hàn mối nối:

   • Sử dụng nguồn điện áp xung 30V với các chu kỳ đóng/mở khác nhau, điện trở bề mặt giảm từ 72,64 Ω/□ xuống còn 29,70 Ω/□ (giảm 59%) khi thời gian đóng/mở xung là 1/2 giây.
   • Độ truyền qua ánh sáng không thay đổi đáng kể (~92%), do đó FOM tăng lên 151,4 Ω^-1, gấp hơn 2 lần so với màng chưa xử lý.
   • Thời gian mở xung quá dài (2,5 giây) gây đứt gãy dây nano, làm tăng điện trở lên 102 Ω/□.

4. Cấu trúc và hình thái học:

   • Ảnh FESEM cho thấy các mối nối AgNWs được hàn liền mạch sau xử lý điện áp xung, giảm điện trở tiếp xúc.
   • Nhiệt độ tối đa chịu được của màng AgNWs là khoảng 246°C trước khi xảy ra đứt gãy.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp thủy nhiệt với điều kiện tối ưu giúp tổng hợp AgNWs có kích thước nhỏ, đồng đều, phù hợp cho ứng dụng điện cực trong suốt. Việc điều chỉnh tỉ lệ PVP/AgNO3 và ion halogen ảnh hưởng trực tiếp đến hình thái và kích thước dây nano, từ đó ảnh hưởng đến đặc tính quang và điện của màng.

Phương pháp hàn mối nối bằng nguồn điện áp xung là giải pháp hiệu quả để giảm điện trở tiếp xúc giữa các dây nano, cải thiện đáng kể điện trở bề mặt mà không làm giảm độ truyền qua ánh sáng. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp lắng đọng điện hóa hoặc phủ polymer, phương pháp này đơn giản, tiêu thụ năng lượng thấp và dễ dàng thực hiện trên quy mô phòng thí nghiệm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh điện trở bề mặt và độ truyền qua theo số lượt phủ và điều kiện xử lý điện áp xung, cũng như ảnh FESEM minh họa sự thay đổi cấu trúc mối nối dây nano.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Mở rộng quy trình tổng hợp AgNWs:

   • Tiếp tục nghiên cứu tổng hợp AgNWs với đường kính nhỏ hơn 25 nm và chiều dài lớn hơn 50 µm để nâng cao hiệu suất dẫn điện và độ truyền qua.
   • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Nhóm nghiên cứu vật liệu nano tại Viện ITIMS.

2. Phát triển công nghệ hàn mối nối dây nano:

   • Tối ưu hóa các thông số điện áp xung (biên độ, chu kỳ đóng/mở) để đạt hiệu quả hàn tốt nhất, tránh đứt gãy dây nano.
   • Thời gian thực hiện: 3-6 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Phòng thí nghiệm vật lý kỹ thuật.

3. Nghiên cứu ứng dụng màng điện cực AgNWs trong thiết bị quang điện tử:

   • Thử nghiệm tích hợp màng AgNWs vào pin mặt trời, OLED, và màn hình cảm ứng để đánh giá hiệu suất và độ bền cơ học.
   • Thời gian thực hiện: 12 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Hợp tác với các phòng thí nghiệm điện tử và công nghiệp.

4. Phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn:

   • Áp dụng công nghệ roll-to-roll để phủ AgNWs trên đế mềm dẻo với kiểm soát độ dày và mật độ dây nano chính xác.
   • Thời gian thực hiện: 12-18 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất vật liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý kỹ thuật, Khoa học vật liệu:

   • Hiểu rõ quy trình tổng hợp và cải thiện đặc tính điện của AgNWs, áp dụng trong nghiên cứu vật liệu nano và điện cực trong suốt.

2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị quang điện tử và màn hình cảm ứng:

   • Áp dụng công nghệ chế tạo điện cực AgNWs linh hoạt, chi phí thấp, nâng cao hiệu suất sản phẩm.

3. Chuyên gia phát triển pin mặt trời và OLED:

   • Tìm kiếm vật liệu điện cực thay thế ITO với đặc tính cơ học linh hoạt và hiệu suất quang điện cao.

4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách trong lĩnh vực công nghệ vật liệu:

   • Đánh giá tiềm năng ứng dụng và phát triển công nghệ vật liệu nano bạc trong ngành công nghiệp điện tử và năng lượng tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

1. AgNWs có ưu điểm gì so với ITO truyền thống?
   AgNWs có điện trở bề mặt thấp (<50 Ω/□), độ truyền qua cao (>90%), tính linh hoạt cơ học tốt, và có thể chế tạo ở nhiệt độ phòng với chi phí thấp hơn so với ITO đòi hỏi môi trường chân không và nhiệt độ cao.

2. Phương pháp tổng hợp AgNWs thủy nhiệt có ưu điểm gì?
   Phương pháp thủy nhiệt đơn giản, rẻ tiền, dễ kiểm soát kích thước và hình thái dây nano, không cần thiết bị phức tạp, phù hợp cho sản xuất quy mô phòng thí nghiệm.

3. Tại sao cần hàn mối nối dây nano bạc?
   Các dây nano bạc chồng lên nhau nhưng tiếp xúc không liền khối, tạo điện trở tiếp xúc cao làm giảm hiệu suất dẫn điện. Hàn mối nối giúp giảm điện trở này, cải thiện tính dẫn điện của màng.

4. Điện áp xung ảnh hưởng thế nào đến đặc tính màng AgNWs?
   Điện áp xung tạo nhiệt tại mối nối, giúp hàn dây nano lại với nhau. Tuy nhiên, nếu thời gian mở xung quá dài, dây có thể bị nóng chảy và đứt gãy, làm tăng điện trở bề mặt.

5. Màng điện cực AgNWs có thể ứng dụng trong thiết bị nào?
   Màng AgNWs phù hợp cho pin mặt trời, OLED, màn hình cảm ứng linh hoạt, và các thiết bị điện tử đòi hỏi điện cực trong suốt, linh hoạt và bền cơ học.

Kết luận

• Tổng hợp thành công AgNWs với kích thước đường kính 25-45 nm, chiều dài 30-50 µm bằng phương pháp thủy nhiệt tối ưu.
• Chế tạo màng điện cực AgNWs trên đế PET đạt điện trở bề mặt 72,64 Ω/□ và độ truyền qua 92,33%, hệ số chất lượng FOM = 63,74 Ω^-1.
• Áp dụng nguồn điện áp xung để hàn mối nối dây nano, giảm điện trở bề mặt xuống còn 29,70 Ω/□, tăng FOM lên 151,4 Ω^-1 mà không ảnh hưởng đến độ truyền qua.
• Phương pháp hàn mối nối đơn giản, tiết kiệm năng lượng, phù hợp cho sản xuất điện cực trong suốt linh hoạt.
• Hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào tổng hợp AgNWs kích thước nhỏ hơn, cải thiện quy trình hàn và ứng dụng trong thiết bị quang điện tử.

Kêu gọi hành động: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu nano và thiết bị quang điện tử nên tiếp cận và ứng dụng các kết quả nghiên cứu này để phát triển các sản phẩm điện cực trong suốt hiệu suất cao, chi phí hợp lý và linh hoạt về mặt cơ học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Điện cực dẫn điện trong suốt Hình 1. Giản đồ pin mặt trời. Điện cực dẫn điện trong suốt (Transparent conductive electrode - TCE) là màng dẫn điện cho ánh sáng truyền qua. TCE là một phần quan trọng của nhiều thiết bị điện tử và quang điện tử như màn hình cảm ứng, màn hình tinh thể lỏng (LCD), điốt phát quang hữu cơ (OLED), pin mặt trời,.

Ví dụ, trong tế bào năng lượng mặt trời, TCE có thể đóng vai trò làm cực âm hoặc cực dương cho phép ánh sáng truyền qua và đi vào thiết bị, đồng thời thu các điện tích được tạo ra.1 cho thấy giản đồ của một pin mặt trời có TCE làm cực âm. Tương tác của các photon với vật liệu có độ rộng vùng cấm khác nhau. Các vật liệu phổ biến nhất hiện nay được sử dụng làm điện cực trong suốt là các oxit dẫn điện trong suốt (Transparent conductive oxides - TCO) điển hình như oxit thiếc indium (ITO) và oxit kẽm pha tạp nhôm (AZO). Màng các oxit dẫn điện trong suốt đối với ánh sáng nhìn thấy vì năng lượng vùng cấm của chúng cao hơn Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hoàng Văn Hoàn 4 Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu năng lượng của các photon trong vùng khả kiến.

ITO có độ rộng vùng cấm là 3,75 eV [13], nên có thể hấp thụ một phần lớn ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn 300 nm. Độ truyền qua đối với các bước sóng trên 1000 nm giảm theo cấp số nhân do có liên quan đến dao động chung của các điện tử vùng dẫn, được gọi là dao động plasma [13]. Độ truyền qua và độ dẫn điện của màng oxit dẫn điện trong suốt có thể được điểu chỉnh bằng cách thay đổi độ dày của màng lắng đọng. Màng dày hơn tạo nhiều kênh dẫn điện tử hơn, nhưng kém trong suốt tức là độ truyền qua và độ dẫn điện tỉ lệ nghịch với nhau.

Phổ truyền qua và phản xạ của vật liệu ITO [14]. Trong thập kỷ qua, thị trường màn hình điện tử và màn hình cảm ứng đã tăng mạnh. Các công nghệ thiết bị mới yêu cầu các tính năng mới cho TCO như tính linh hoạt cơ học, quy trình chế tạo đơn giản, chi phí thấp và trọng lượng nhẹ. ITO không thể đáp ứng mọi kỳ vọng cho thế hệ điện tử tiếp theo.

Thứ nhất, ITO có đặc tính giòn, vì vậy nó không linh hoạt; khả năng biến dạng thấp, biến dạng nhỏ 2- 3% cũng có thể tạo ra các vết nứt của màng ITO trên các đế mềm dẻo làm giảm độ dẫn điện của điện cực và giảm hiệu suất của thiết bị [15]. Thứ hai, indium là một nguyên tố hiếm và giá của indium rất đắt đỏ [16]. Thứ ba, chế tạo ITO rất tốn kém, đòi hỏi môi trường nhiệt độ cao và chân không cao để kiểm soát độ dày và nồng độ pha tạp [16]. Ngoài ra, nó được lắng đọng bằng phương pháp phún xạ có thể làm hỏng các lớp bên dưới trong trường hợp thiết bị hữu cơ.

Cuối cùng, ITO không Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hoàng Văn Hoàn 5 Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu thích hợp cho các ứng dụng hiển thị vì có chỉ số khúc xạ cao, phản xạ ánh sáng, theo đó làm giảm độ sáng của màn hình. Một lớp phủ bổ sung cần được áp dụng để giải quyết vấn đề này, dẫn đến việc tăng giá thành của thiết bị. ITO được nghiên cứu khả năng ứng dụng trên các đế mềm dẻo linh hoạt như polyethylene terephthalate (PET) [16]. Tuy nhiên, những cách tiếp cận này không chỉ làm tăng thêm chi phí sản xuất mà còn làm giảm tính chất quang và điện của các điện cực.

Vì vậy việc nghiên cứu tìm ra các vật liệu thay thế ITO được ưu tiên hàng đầu.2 Các vật liệu thay thế Các vật liệu đáng chú ý hiện nay để thay thế ITO bao gồm graphene, ống nano cacbon (CNT), polyme dẫn điện trong suốt, dây nano kim loại.1 Graphene Graphene là một dạng thù hình của cacbon có cấu trúc hai chiều (2D) với các nguyên tử cacbon sắp xếp đơn lớp tạo thành mạng có dạng tổ ong. Graphene lần đầu tiên được chế tạo bởi Noveselov và Geim vào năm 2004 [17], được coi là hệ vật liệu quan trọng của nhiều lĩnh vực đặc biệt trong chế tạo các linh kiện quang điện tử. Mạng tinh thể lục giác của graphene [18]. Tính dẫn điện của graphen hầu hết là do liên kết π liên hợp trọng mạng tinh thể.

Tính ổn định của graphen do các nguyên tử cacbon trong graphene có lai hóa sp2 (tổ hợp của obitan s, px và py tạo thành liên kết σ). Điện tử còn lại tức obitan pz của từng nguyên tử cacbon chồng lên nhau và tạo ra hai dải liên kết, π và π*, cho toàn bộ tấm. Trong graphen đơn lớp, các nguyên tử cacbon liên kết với các nguyên tử xung quanh tạo thành các vòng benzen trong đó mỗi nguyên tử cho một điện tử chưa ghép đôi. Liên kết cacbon-cacbon trong graphene có độ dài khoảng 0,142 nm.

Độ dày của graphen chỉ bằng 0,35 nm, bằng 1/200.000 đường kính của tóc Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hoàng Văn Hoàn 6 Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu người. Graphen là vật liệu siêu nhẹ với mật độ phẳng là 0,77 mg/m2. Cấu trúc của graphen là một vòng cacbon lục giác với diện tích 0,052 nm2 (hình 1. Một vòng benzen trong graphene chỉ bao gồm hai nguyên tử cacbon vì mỗi nguyên tử ở đỉnh được chia sẻ với ba vòng đơn vị khác.

Do đó graphene có cấu trúc mỏng nhẹ nên có độ trong suốt rất cao, độ truyền qua 97,7% tức là nó chỉ hấp thụ 2,3% ánh sáng vùng nhìn thấy [19]. Theo sự khúc xạ và giao thoa của ánh sáng, graphene với số lượng lớp khác nhau sẽ cho thấy các màu sắc và độ tương phản khác nhau [20]. Kết hợp với độ dẫn điện cao, graphene trở thành một màng dẫn điện trong suốt rất tiềm năng cho việc thay thế nhiều màng TCE truyền thống khác như oxit thiếc indium (ITO), flo oxit thiếc pha tạp (FTO). Khi sử dụng graphene trong lĩnh vực này có thể giải quyết vấn đề về tính dễ vỡ, ô nhiễm môi trường và nguồn tài nguyên indium hạn chế.

Hơn nữa, sự hấp thụ ánh sáng của graphene sẽ đạt tới độ bão hòa nếu cường độ của ánh sáng vượt quá một giá trị tới hạn nhất định. Sự hấp thụ bão hòa trong graphene xảy ra ở vùng cận hồng ngoại do graphene có dải hấp phụ rộng và độ rộng vùng cấm bằng không. Một tính chất thú vị khác của graphene là tính linh động của điện tử. Cho đến nay graphen là vật liệu dẫn điện cao nhất ở nhiệt độ phòng (~ 106 S/m), độ linh động rất cao (2 x 105 cm2/V.

Như đã đề cập bên trên, các nguyên tử cacbon trong graphene được lai hóa sp2, cho thêm một điện tử vào liên kết π hoàn toàn tự do di chuyển ở nhiệt độ phòng, mang lại độ dẫn cao. Bên cạnh đó graphen là một bán kim loại do có sự xen phủ nhỏ giữa vùng dẫn và vùng hóa trị của nó. Do đó, các điện tử đỉnh vùng hóa trị có thể nhảy lên đáy vùng dẫn với năng lượng thấp hơn mà không cần bất cứ kích thích nhiệt nào. Độ dẫn nhiệt và độ bền cơ học của graphen cũng rất cao.

Graphen có cấu trúc tinh thể cứng và dai nhất trong số tất cả các vật liệu đã biết. Độ bền kéo và mô đun đàn hồi của graphen tương ứng là 125 Gpa và 1,1 Tpa [23]. Độ dẫn nhiệt của graphen ở nhiệt độ phòng là khoảng 5 x 103 W/mK [43], cao hơn gấp 10 lần độ dẫn nhiệt của đồng (401 W/mK). Tuy có nhiều tính chất vượt trội để thay thế ITO trong TCE, công nghệ chế tạo graphene chất lượng cao và lắng đọng lên đế vẫn gặp nhiều thách thức.

Graphene chủ yếu tổng hợp dựa theo ba phương pháp là CVD, tách lớp, và khử GO thành graphene (rGO). Với phương pháp tách lớp, tách lớp cơ học bằng băng dính chuyên dụng bóc tách graphene từ khối graphite cho hiệu suất kém và dễ gây ra các khuyết tật, đứt gãy trên tấm nên ít được dùng trong sản xuất graphen. Phương pháp tách lớp trong dung dịch (liquid exfoliation) sử dụng lực tác dụng mạnh lên graphite trong dung dịch bằng phương pháp rung siêu âm hoặc chuyển động tốc độ cao. Các dung dịch thường được dùng cho phương pháp này là các dung dịch Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hoàng Văn Hoàn 7 Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu hữu cơ như imethylformamide (DMF) [24], N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) [25].

Tuy nhiên, các chất kể trên có nhiệt độ sôi cao khiến việc loại bỏ chúng rất khó khăn sau khi phủ dẫn đến điện cực trong suốt chế tạo bằng phương pháp tách lớp thường có điện trở bề mặt cao (~ 1k Ω/ ) ứng với độ truyền qua (~85%). Điện trở bề mặt có thể giảm đi hai hoặc ba lần nếu sử dụng thêm chất pha tạp (VD: HNO3 ) và phải nung ở nhiệt độ cao (>400 °C) để loại bỏ hết chất hữu cơ cũng như liên kết các tấm graphene với nhau. Lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) cũng là một phương pháp để chế tạo màng graphen. Mặc dù với chi phí cao, yêu cầu nhiệt độ cao và nhiều điều kiện khắt khe khác, nó vẫn là phương pháp được sử dụng rộng rãi để tổng hợp graphene.

Đơn lớp graphene có thể được tổng hợp trên lá đồng đa tinh thể dựa vào quá trình phân hủy của hợp chất hidro-cacbon (điển hình là CH4 và H2) dưới nhiệt độ ~1000 °C và áp suất 250 mTorr. Tấm đồng hấp thụ hidro-cacbon và phân hủy tạo thành C ở bên trong và quá trình tiếp diễn cho đến khi nồng độ của cacbon bên trong đạt bão hòa. Khi đó, xuất hiện các mầm ở bên ngoài tấm đồng, chúng hợp nhất với nhau và tạo ra một lớp graphen bao phủ hoàn toàn bề mặt tấm đồng [26]. Để lắng đọng graphene lên đế, có thể sử dụng một loại băng dính nhiệt chuyên dụng và xử lý đồng còn dư bằng dung dịch FeCl3.

Một phương pháp khác để tổng hợp graphene là khử graphene oxit (GO) thành graphene. Phương pháp này có thể sản xuất mực in graphene với số lượng lớn nhưng lại sử dụng hóa chất khử độc hại như hydrazine. Đồng thời chất lượng graphene cũng kém hơn phương pháp tách lớp do quá trình khử diễn ra không hoàn toàn và để lại nhiều khuyết tật trên tấm graphene. Tóm tại, graphene được chế tạo bằng phương pháp CVD có thể đạt được điện trở bề mặt dưới 100 Ω/ nếu pha tạp đúng cách.

Tuy nhiên hầu hết các phương pháp đã được nghiên cứu đều cho điện trở khoảng 1 kΩ/.