Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu và tổng hợp tính chất polythiophene từ 3 thiophenecarbaldehyde

Polythiophene, một trong những polymer dẫn điện quan trọng, lần đầu tiên được điều chế vào đầu những năm 1980. Ở trạng thái cơ bản, polythiophene được biết đến như một polymer ổn định với độ dẫn điện vừa phải, nhưng không thể hiện tính chất quang điện đặc biệt. Sự xếp chồng hệ liên hợp π trong các chuỗi polythiophene làm giảm khả năng hòa tan của các dẫn xuất. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thay đổi các nhóm thế có thể tăng khả năng hòa tan trong dung môi hữu cơ, từ đó mở rộng ứng dụng của polythiophene trong các lĩnh vực như điện tử và quang điện tử. Các ứng dụng này bao gồm diode phát quang hữu cơ (OLEDs), tế bào quang điện hữu cơ (OPVs), và transistor hiệu ứng trường hữu cơ (OFETs). Việc tổng hợp và phát triển các dẫn xuất của polythiophene là một hướng nghiên cứu có ý nghĩa lớn về mặt khoa học và thực tiễn.

Dẫn xuất thiophene có nhiều ưu điểm, bao gồm tính bền với nhiều điều kiện phản ứng. Cơ chế polymer hóa diễn ra thông qua hai vị trí α hoạt hóa hơn, dẫn đến việc hình thành một polymer dẫn điện. Các nhóm chức ở vị trí β có thể định hướng phản ứng polymer hóa, từ đó thay đổi các đặc tính của polythiophene như khả năng hòa tan và độ dẫn điện. Phương pháp hóa học và phương pháp điện hóa là hai phương pháp chính để tổng hợp polythiophene. Trong đó, FeCl3 được sử dụng phổ biến như một chất xúc tác, do khả năng tương thích tốt với các dung môi hữu cơ. Phản ứng polymer hóa yêu cầu sự hiện diện của FeCl3, điều này cho thấy vai trò quan trọng của chất xúc tác trong quá trình tạo thành polythiophene.

Hệ liên hợp của polythiophene được xác định bởi sự xen phủ của các orbital π giữa các vòng thơm. Khe dải năng lượng (Eg) của polythiophene là 1,96 eV, cho thấy nó thuộc loại chất bán dẫn. Khi polythiophene mất electron, các lỗ trống và electron riêng lẻ hình thành, tạo ra các cấu trúc như polaron và bipolaron, giúp thu hẹp khe dải năng lượng và tăng khả năng dẫn điện. Việc pha tạp với iodine có thể làm giảm Eg xuống còn 1,63 eV, từ đó cải thiện khả năng dẫn điện của polythiophene. Sự dẫn điện trong polythiophene phụ thuộc vào cấu trúc điều hòa của polymer, cho thấy rằng việc tối ưu hóa cấu trúc có thể nâng cao tính chất dẫn điện.

Tính chất quang điện của polythiophene được quyết định bởi hệ liên hợp trong mạch polymer. Số lượng các vòng thiophene trong chuỗi polymer càng nhiều, hệ liên hợp càng dài, dẫn đến việc thu hẹp khoảng cách giữa các mức năng lượng. Việc thêm các nhóm thế ở vị trí số 3 có thể làm giảm chiều dài mạch liên hợp và thay đổi bước sóng hấp thụ. Phổ UV-Vis được sử dụng để phân tích độ dài mạch liên hợp và mức độ phân bố electron trong mạch polymer. Những yếu tố như dung môi, nhiệt độ và điện trường có thể ảnh hưởng đến tính chất quang điện của polythiophene.

Ứng dụng của polythiophene rất đa dạng, từ các thiết bị điện tử như diode phát quang và tế bào quang điện đến cảm biến hóa học và sinh học. Polythiophene có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị điện tử hữu cơ với hiệu suất cao nhờ vào tính chất dẫn điện và quang điện của nó. Việc nghiên cứu và phát triển các dẫn xuất của polythiophene giúp mở rộng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao, đồng thời có thể cải thiện độ bền nhiệt và khả năng hòa tan của polymer, tạo tiền đề cho các ứng dụng thực tiễn trong tương lai.