Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu mô phỏng và chế tạo vật liệu bán dẫn hữu cơ β-ZnPc và β-CuPc ứng dụng trong linh kiện điện tử

• Tác giả: Lục Như Quỳnh
• Người hướng dẫn: PGS. Mai Anh Tuấn
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu, mô phỏng và chế tạo vật liệu bán dẫn hữu cơ β-ZnPc và β-CuPc ứng dụng trong linh kiện điện tử
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Bán dẫn hữu cơ dựa trên cơ sở phức chất Pc với kim loại chuyển tiếp
• 1.2. Phthalocyanine và phức chất kim loại-phthalocyanine
• 1.3. Phương pháp tổng hợp và tinh chế
• 1.4. Tính chất vật lý
• 1.5. Tính đa hình của tinh thể MPc
• 1.6. Tương tác xếp chồng điện tử π trong tinh thể phân tử hữu cơ
• 1.7. Tương tác nội phân tử và tương tác liên phân tử. Tương tác điện tử π-π
• 1.8. Mô hình dòng giới hạn vùng điện tích không gian cho bán dẫn hữu cơ
• 1.9. Cơ chế vận chuyển hạt tải trong tiếp giáp kim loại – bán dẫn hữu cơ
• 1.10. Mô hình giới hạn vùng điện tích không gian cho bán dẫn hữu cơ
• 1.11. Linh kiện cảm biến nhạy quang
• 1.12. Công cụ mô phỏng phiếm hàm mật độ DFT
• 1.13. Kết luận chương
• 2. NGHIÊN CỨU, TỔNG HỢP VẬT LIỆU BÁN DẪN HỮU CƠ DỰA TRÊN PHỨC CHẤT KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP-PHTHALOCYANINE
• 2.1. Các phương pháp tính toán phiếm hàm mật độ cho bài toán MPc
• 2.2. Phương pháp TD-DFT trên phần mềm Gaussian cho bài toán cấu trúc phân tử của MPc
• 2.3. Phương pháp DFT trên phần mềm Quantum-Espresso cho bài toán tinh thể β- MPc
• 2.4. Các phương pháp thực nghiệm trong chế tạo vật liệu bán dẫn hữu cơ MPc
• 2.5. Quy trình tổng hợp vật liệu bán dẫn hữu cơ MPc
• 2.6. Lắng đọng pha hơi tạo đơn tinh thể β-MPc
• 2.7. Phương pháp tính độ rộng vùng cấm quang của vật liệu bán dẫn hữu cơ β-MPc. Đánh giá tính chất của vật liệu bán dẫn hữu cơ β-MPc
• 2.8. Vật liệu ZnPc
• 2.9. Vật liệu CuPc
• 2.10. Cấu trúc phân tử của vật liệu bán dẫn hữu cơ MPc dựa trên tính toán DFT và thực nghiệm
• 2.11. Cấu trúc phân tử và phổ IR của ZnPc. Cấu trúc phân tử và phổ IR của CuPc
• 2.12. Cấu trúc điện tử của tinh thể β-MPc dựa trên tính toán DFT
• 2.13. Phổ hấp thụ UV-VIS và độ rộng vùng cấm quang của vật liệu β-MPc
• 2.14. Kết luận chương
• 3. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LINH KIỆN BÁN DẪN TRÊN CƠ SỞ CẤU TRÚC KIM LOẠI-BÁN DẪN-KIM LOẠI SỬ DỤNG VẬT LIỆU β-MPc
• 3.1. Chế tạo linh kiện nhạy quang cấu trúc kim loại-bán dẫn hữu cơ-kim loại sử dụng vật liệu β-MPc
• 3.2. Đo lường, đánh giá đặc trưng linh kiện cấu trúc M-S-M sử dụng vật liệu β- MPc
• 3.3. Giản đồ năng lượng của cấu trúc M-S-M và đặc tuyến I-V
• 3.4. Đặc trưng dòng tối của linh kiện cấu trúc M-S-M sử dụng vật liệu bán dẫn hữu cơ β-MPc
• 3.5. Đáp ứng quang của linh kiện cấu trúc M-S-M trong vùng bước sóng ngắn
• 3.6. Dòng quang điện của linh kiện cấu trúc Ag-ZnPc-Ag đáp ứng với nguồn sáng có bước sóng ngắn
• 3.7. Đặc tuyến của linh kiện Ag- ZnPc-Ag với nguồn sáng bước sóng ngắn
• 3.8. Đáp ứng quang của linh kiện cấu trúc Ag-ZnPc-Ag trong vùng khả kiến
• 3.9. Đặc trưng dòng quang điện của linh kiện Ag- ZnPc-Ag với nguồn sáng trắng
• 3.10. Đặc tuyến của linh kiện Ag-ZnPc-Ag đáp ứng với nguồn sáng trắng
• 3.11. Kết luận chương
• KẾT LUẬN LUẬN ÁN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục A: Tinh thể β-ZnPc và β-CuPc
• Phụ lục B: Định hướng chế tạo mạch INVERTER sử dụng vật liệu bán dẫn hữu cơ β-MPc
• Phụ lục C: Một số kết quả thuật toán mật mã dưới dạng mô phỏng

I. Tổng quan về vật liệu bán dẫn hữu cơ và ứng dụng

Vật liệu bán dẫn hữu cơ đang trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ điện tử hiện đại. Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, các vật liệu như β-ZnPc và β-CuPc đã được chứng minh là có tiềm năng lớn trong việc thay thế các vật liệu truyền thống như silicon. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc khám phá tính chất quang điện và tính năng điện tử của các vật liệu này, đặc biệt là trong các linh kiện điện tử như cảm biến, pin mặt trời và đi-ốt phát quang. Công nghệ nano cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và độ bền của các vật liệu này.

1.1. Cấu trúc và tính chất của β ZnPc và β CuPc

β-ZnPc và β-CuPc là hai vật liệu thuộc họ phức chất kim loại chuyển tiếp-phthalocyanine (MPc), được biết đến với cấu trúc tinh thể đơn pha và độ bền hóa học cao. Các nghiên cứu sử dụng phương pháp DFT và TD-DFT đã chỉ ra rằng, các vật liệu này có độ rộng vùng cấm quang phù hợp cho các ứng dụng trong hệ thống điện tử. Đặc biệt, β-ZnPc và β-CuPc có khả năng tương tác mạnh với các phân tử khí và kim loại, làm tăng tiềm năng ứng dụng trong các linh kiện cảm biến.

1.2. Ứng dụng trong linh kiện điện tử

Các linh kiện điện tử sử dụng β-ZnPc và β-CuPc đã được nghiên cứu rộng rãi, đặc biệt là trong các ứng dụng như cảm biến nhạy quang và pin mặt trời hữu cơ. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, các vật liệu này có độ linh động hạt tải cao và tính chất quang điện ổn định, làm tăng hiệu suất của các linh kiện. Ngoài ra, công nghệ nano đã được áp dụng để cải thiện cấu trúc và tính chất của các vật liệu này, mở ra nhiều hướng phát triển mới trong công nghệ bán dẫn.

II. Nghiên cứu và chế tạo vật liệu bán dẫn hữu cơ

Quá trình nghiên cứu vật liệu và chế tạo vật liệu bán dẫn hữu cơ đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Các phương pháp tính toán như DFT và TD-DFT được sử dụng để mô phỏng cấu trúc phân tử và tính chất điện của β-ZnPc và β-CuPc. Các kết quả từ mô phỏng được kiểm chứng bằng các phương pháp thực nghiệm như lắng đọng pha hơi và nhiễu xạ tia X, giúp xác định chính xác cấu trúc tinh thể và tính chất vật lý của các vật liệu này.

2.1. Phương pháp tổng hợp và tinh chế

Quy trình tổng hợp β-ZnPc và β-CuPc bao gồm các bước như phản ứng hóa học, tinh chế và lắng đọng pha hơi để tạo ra các tinh thể đơn pha. Các phương pháp này đảm bảo rằng vật liệu có độ tinh khiết cao và cấu trúc tinh thể ổn định. Phương pháp DFT được sử dụng để tối ưu hóa quy trình tổng hợp, giúp cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

2.2. Đánh giá tính chất vật liệu

Các tính chất của β-ZnPc và β-CuPc được đánh giá thông qua các phương pháp như phổ hấp thụ UV-VIS, phổ IR và nhiễu xạ tia X. Các kết quả cho thấy, các vật liệu này có độ rộng vùng cấm quang phù hợp cho các ứng dụng trong linh kiện điện tử. Ngoài ra, các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, β-ZnPc và β-CuPc có khả năng tương tác mạnh với các phân tử khí, làm tăng tiềm năng ứng dụng trong các linh kiện cảm biến.

III. Ứng dụng thực tiễn và triển vọng phát triển

Các nghiên cứu về β-ZnPc và β-CuPc đã mở ra nhiều hướng ứng dụng thực tiễn trong công nghệ điện tử. Các vật liệu này có tiềm năng lớn trong việc thay thế các vật liệu truyền thống như silicon, đặc biệt là trong các ứng dụng như cảm biến nhạy quang, pin mặt trời hữu cơ và đi-ốt phát quang. Công nghệ nano và phương pháp DFT tiếp tục được áp dụng để cải thiện hiệu suất và độ bền của các vật liệu này, mở ra nhiều cơ hội phát triển trong tương lai.

3.1. Triển vọng trong công nghệ bán dẫn

Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, β-ZnPc và β-CuPc được kỳ vọng sẽ trở thành các vật liệu chủ chốt trong việc chế tạo các linh kiện điện tử hiệu suất cao. Các nghiên cứu tiếp tục tập trung vào việc cải thiện tính chất quang điện và tính năng điện tử của các vật liệu này, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

3.2. Ứng dụng trong hệ thống điện tử

Các hệ thống điện tử sử dụng β-ZnPc và β-CuPc đã được nghiên cứu rộng rãi, đặc biệt là trong các ứng dụng như cảm biến nhạy quang và pin mặt trời hữu cơ. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, các vật liệu này có độ linh động hạt tải cao và tính chất quang điện ổn định, làm tăng hiệu suất của các linh kiện. Ngoài ra, công nghệ nano đã được áp dụng để cải thiện cấu trúc và tính chất của các vật liệu này, mở ra nhiều hướng phát triển mới trong công nghệ bán dẫn.