Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu và chế tạo polypyrol với tính chất bán dẫn hữu cơ nanô

Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu chế tạo và tính chất bán dẫn hữu cơ polypyrol cấu trúc nano, mở ra hướng đi mới trong công nghệ vật liệu.

• Tác giả: Nguyễn Thị Luyến
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Đức Nghĩa
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nanô
• Đề tài: Chế Tạo Và Nghiên Cứu Tính Chất Bán Dẫn Hữu Cơ Polypyrol Cấu Trúc Nanô
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ POLYME DẪN
• 1.1. Giới thiệu về công nghệ nanô
• 1.2. Khái niệm và sự ra đời của công nghệ nanô
• 1.3. Cơ sở khoa học của công nghệ nanô
• 1.4. Polyme dẫn điện thuần
• 1.5. Tính chất dẫn
• 1.6. Cơ chế dẫn điện của polyme ICP
• 1.6.1. Mạch phân tử liên hợp
• 1.6.2. Cơ chế dẫn điện trong polyme dẫn thuần ICP
• 1.7. Một số loại ICP tiêu biểu
• 1.8. Một số loại chất doping
• 1.9. Quá trình doping
• 1.10. Doping loại CNTs
• 1.11. Cấu trúc của vật liệu CNTs
• 1.12. Tính chất của vật liệu CNTs
• 1.13. Phương pháp tổng hợp polypyrol
• 1.13.1. Trùng hợp ôxi hoá hoá học
• 1.13.2. Trùng hợp điện hoá học
• 1.14. Ứng dụng của polyme ICP
• 1.14.1. Vật liệu chế tạo nguồn điện
• 1.14.2. Vật liệu chế tạo cảm biến
• 1.14.3. Vật liệu phủ đặc biệt
• 1.14.4. Vật liệu phủ chống ăn mòn kim loại
• 1.14.5. Màng phủ chống tĩnh điện bề mặt, hấp thụ sóng điện từ
• 1.14.6. Ứng dụng trong công nghệ kỹ thuật cao
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Chế tạo mẫu
• 2.2. Chế tạo polypyrol
• 2.3. Tạo màng mỏng polypyrol
• 2.4. Chế tạo polypyrol lai carbon nanotubes
• 2.5. Các phương pháp đo đạc
• 2.5.1. Phổ tán xạ Micro-Raman
• 2.5.2. Phổ hồng ngoại FT-Raman
• 2.5.3. Phân tích độ bền nhiệt bằng TGA
• 2.5.4. Nghiên cứu cấu trúc bằng ảnh SEM
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu cấu trúc của polypyrol
• 3.2. Phổ hồng ngoại
• 3.3. Ảnh hưởng của điều kiện phản ứng đến hiệu suất tổng hợp PPy
• 3.4. Ảnh hưởng của điều kiện phản ứng đến độ dẫn của PPy
• 3.5. Độ bền nhiệt của PPy
• 3.6. Ảnh hưởng của chất doping CNTs đến độ dẫn của PPy
• 3.7. Nghiên cứu cấu trúc hình thái học PPy
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu polypyrol Tính chất bán dẫn hữu cơ

Nghiên cứu về polypyrol đã thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực vật liệu dẫn điện. Polypyrol là một trong những polyme dẫn điện quan trọng, nổi bật với khả năng dẫn điện và tính chất quang học độc đáo. Việc chế tạo và nghiên cứu tính chất bán dẫn của polypyrol không chỉ mở ra hướng đi mới cho công nghệ nano mà còn có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như cảm biến, pin mặt trời và linh kiện điện tử. Sự phát triển của công nghệ nano đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu và ứng dụng polypyrol trong các sản phẩm công nghệ cao.

1.1. Ứng dụng của polypyrol trong công nghệ hiện đại

Polypyrol được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như cảm biến, pin mặt trời và vật liệu cách điện. Tính chất dẫn điện của polypyrol có thể được điều chỉnh thông qua quá trình doping, giúp nâng cao hiệu suất của các thiết bị điện tử. Nghiên cứu cho thấy rằng polypyrol có thể hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng công nghệ cao nhờ vào khả năng dẫn điện và tính chất quang học của nó.

1.2. Tính chất vật lý và hóa học của polypyrol

Tính chất của polypyrol bao gồm độ bền nhiệt cao, khả năng dẫn điện tốt và tính chất quang học đặc biệt. Những đặc điểm này làm cho polypyrol trở thành một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong lĩnh vực điện tử và quang học. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng polypyrol có thể duy trì tính chất dẫn điện ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt.

II. Thách thức trong nghiên cứu và chế tạo polypyrol

Mặc dù polypyrol có nhiều ưu điểm, nhưng việc chế tạo và nghiên cứu tính chất bán dẫn của nó cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc kiểm soát quá trình doping để đạt được tính chất dẫn điện mong muốn. Ngoài ra, việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp cũng là một thách thức lớn, ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu suất của polypyrol. Các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các phương pháp mới để cải thiện quy trình chế tạo và nâng cao tính chất của polypyrol.

2.1. Vấn đề kiểm soát quá trình doping

Quá trình doping là yếu tố quyết định đến tính chất dẫn điện của polypyrol. Việc lựa chọn chất doping phù hợp và kiểm soát nồng độ doping là rất quan trọng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng carbon nanotubes làm chất doping có thể nâng cao đáng kể tính chất dẫn điện của polypyrol.

2.2. Khó khăn trong quy trình tổng hợp polypyrol

Quy trình tổng hợp polypyrol cần được tối ưu hóa để đảm bảo chất lượng và hiệu suất. Các phương pháp tổng hợp như trùng hợp ôxi hóa hóa học và trùng hợp điện hóa học đều có những ưu nhược điểm riêng. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp mới có thể giúp cải thiện quy trình chế tạo và nâng cao tính chất của polypyrol.

III. Phương pháp chế tạo polypyrol hiệu quả

Để chế tạo polypyrol hiệu quả, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều phương pháp khác nhau. Trong đó, trùng hợp ôxi hóa hóa học và trùng hợp điện hóa học là hai phương pháp phổ biến nhất. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng, ảnh hưởng đến tính chất cuối cùng của polypyrol. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa tính chất dẫn điện và quang học của polypyrol.

3.1. Trùng hợp ôxi hóa hóa học polypyrol

Phương pháp trùng hợp ôxi hóa hóa học sử dụng các chất oxi hóa như ammonium persulfate để tạo ra polypyrol. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt quá trình tổng hợp và tính chất của polypyrol. Nghiên cứu cho thấy rằng điều kiện phản ứng có thể ảnh hưởng lớn đến độ dẫn điện của polypyrol.

3.2. Trùng hợp điện hóa học polypyrol

Trùng hợp điện hóa học là phương pháp khác để chế tạo polypyrol. Phương pháp này cho phép tạo ra màng mỏng polypyrol với độ dày và tính chất dẫn điện được kiểm soát tốt. Việc nghiên cứu các điều kiện điện hóa có thể giúp tối ưu hóa tính chất của polypyrol cho các ứng dụng cụ thể.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của polypyrol

Nghiên cứu về polypyrol đã cho thấy nhiều kết quả khả quan trong việc cải thiện tính chất dẫn điện và quang học. Các ứng dụng thực tiễn của polypyrol đang ngày càng mở rộng, từ cảm biến đến linh kiện điện tử. Việc ứng dụng polypyrol trong các sản phẩm công nghệ cao không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm chi phí sản xuất. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tiếp tục khám phá tiềm năng của polypyrol trong các lĩnh vực mới.

4.1. Ứng dụng polypyrol trong cảm biến

Polypyrol được sử dụng trong các cảm biến nhờ vào tính chất dẫn điện và khả năng tương tác với môi trường. Các cảm biến dựa trên polypyrol có thể phát hiện các chất khí và hóa chất với độ nhạy cao. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa cấu trúc của polypyrol có thể nâng cao hiệu suất của các cảm biến này.

4.2. Polypyrol trong linh kiện điện tử

Polypyrol cũng được ứng dụng trong các linh kiện điện tử như pin mặt trời và transistor hữu cơ. Tính chất dẫn điện của polypyrol giúp cải thiện hiệu suất của các linh kiện này. Nghiên cứu đang tiếp tục để phát triển các ứng dụng mới cho polypyrol trong lĩnh vực điện tử.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu polypyrol

Nghiên cứu về polypyrol đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực vật liệu dẫn điện. Tính chất bán dẫn của polypyrol cùng với khả năng ứng dụng đa dạng đã khiến nó trở thành một trong những vật liệu quan trọng trong công nghệ hiện đại. Tương lai của nghiên cứu polypyrol hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với nhiều ứng dụng mới, từ cảm biến đến linh kiện điện tử. Việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và nghiên cứu tính chất của polypyrol sẽ là những hướng đi quan trọng trong thời gian tới.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo về polypyrol

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện tính chất của polypyrol thông qua các phương pháp mới. Việc nghiên cứu các chất doping mới và tối ưu hóa quy trình tổng hợp sẽ giúp nâng cao hiệu suất của polypyrol trong các ứng dụng thực tiễn.

5.2. Tiềm năng ứng dụng polypyrol trong tương lai

Tiềm năng ứng dụng của polypyrol trong các lĩnh vực như cảm biến, linh kiện điện tử và vật liệu thông minh đang ngày càng được mở rộng. Nghiên cứu sẽ tiếp tục khám phá các ứng dụng mới cho polypyrol, góp phần vào sự phát triển của công nghệ hiện đại.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Polyme dẫn điện thuần (Intrinsically Conducting Polymers - ICP) đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm trong khoa học vật liệu và công nghệ nanô trong hơn 30 năm qua. Từ khi được công nhận qua giải Nobel Hóa học năm 2000, ICP như polypyrol (PPy), polyanilin, polythiophen đã thu hút sự quan tâm lớn nhờ tính chất dẫn điện vượt trội, khả năng chịu nhiệt và tính ổn định hóa học. Theo ước tính, hàng ngàn công trình khoa học và khoảng 1000 bằng sáng chế đã được công bố, với hơn 50 ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như cảm biến, nguồn điện, vật liệu phủ chống ăn mòn và chống tĩnh điện.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất bán dẫn hữu cơ polypyrol cấu trúc nanô, đặc biệt là ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp và doping bằng carbon nanotubes (CNTs) đến hiệu suất tổng hợp, cấu trúc và tính dẫn điện của vật liệu. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn 2006-2007, với mục tiêu nâng cao hiệu suất tổng hợp và cải thiện tính chất điện của PPy nhằm ứng dụng trong công nghệ điện tử và cảm biến.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu bán dẫn hữu cơ có cấu trúc nanô, góp phần mở rộng ứng dụng của ICP trong các ngành công nghiệp kỹ thuật cao, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và doping vật liệu polyme dẫn điện.

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:

• Cơ sở khoa học công nghệ nanô: Hiệu ứng kích thước lượng tử, hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước ảnh hưởng đến tính chất vật liệu khi kích thước giảm xuống thang nanô (0.1-100 nm). Các hiệu ứng này làm thay đổi đáng kể tính chất điện, cơ học và hóa học của vật liệu.

• Cơ chế dẫn điện trong polyme dẫn điện thuần ICP: Mạch phân tử liên hợp với các liên kết π xen kẽ liên kết σ tạo nên dải năng lượng bán dẫn. Cơ chế dẫn điện chủ yếu dựa trên sự hình thành và vận chuyển các polaron và bipolaron khi polyme được doping, làm tăng mật độ hạt tải và độ linh động hạt tải.

• Mô hình doping và ảnh hưởng đến tính chất vật liệu: Doping hóa học và điện hóa học làm tăng độ dẫn điện của PPy từ khoảng 10^-8 S/cm lên đến 10 S/cm hoặc hơn. Carbon nanotubes được sử dụng làm chất doping nhằm cải thiện tính dẫn điện và cơ học của vật liệu.

• Tính chất và cấu trúc của carbon nanotubes (CNTs): CNTs có cấu trúc ống nanô với các dạng amchair, zigzag và chiral, có tính chất dẫn điện và cơ học vượt trội. CNTs có thể làm tăng độ bền cơ học và độ dẫn điện khi được lai ghép với PPy.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Hóa chất pyrrol tinh khiết, ammoniumpersulfat (APS), dodecylbenzensulfonic axit (DBSA), carbon nanotubes do Viện Khoa học Vật liệu cung cấp.

• Phương pháp tổng hợp: Trùng hợp oxy hóa hóa học polypyrol và polypyrol lai CNTs trong dung dịch nước với các nồng độ khác nhau của APS và CNTs, ở các nhiệt độ -2°C, 5°C và 20°C. Quá trình tổng hợp kéo dài 12 giờ, sau đó lọc, rửa và sấy khô sản phẩm.

• Phương pháp phân tích:

  • Đo độ dẫn điện bằng phương pháp quét thế tuần hoàn (cyclic voltammetry) trên máy IM6.
  • Phân tích cấu trúc bằng phổ tán xạ Micro-Raman và phổ hồng ngoại FT-Raman.
  • Phân tích độ bền nhiệt bằng phương pháp TGA trong môi trường khí nitơ.
  • Quan sát cấu trúc hình thái học bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu polypyrol dạng bột và màng mỏng được tổng hợp với các điều kiện phản ứng khác nhau nhằm khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ chất oxy hóa và hàm lượng CNTs.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và phân tích mẫu trong vòng 12 giờ cho mỗi điều kiện, nghiên cứu tính chất vật liệu trong giai đoạn 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và hàm lượng APS đến hiệu suất tổng hợp PPy:

   • Ở 20°C, hiệu suất tổng hợp PPy đạt khoảng 31%, cao hơn từ 17% đến 29.5% so với nhiệt độ thấp (-2°C).
   • Ở nhiệt độ thấp, hiệu suất phụ thuộc mạnh vào hàm lượng APS, tăng từ 17% đến 50% khi APS tăng từ 0.05 đến 0.2 mol.

2. Độ dẫn điện của PPy phụ thuộc điều kiện tổng hợp:

   • PPy tổng hợp ở -2°C với hàm lượng APS 0.2 mol có độ dẫn cao nhất đạt 10.5 S/cm, trong khi ở 20°C độ dẫn chỉ khoảng 0.0078 S/cm.
   • Độ dẫn điện tăng theo hàm lượng APS ở tất cả các nhiệt độ, nhưng tổng hợp ở nhiệt độ thấp cho độ dẫn cao hơn đáng kể.

3. Cấu trúc hóa học và hình thái học của PPy:

   • Phổ Raman và phổ hồng ngoại xác nhận các dao động đặc trưng của liên kết C=C, C-N và C-H trong PPy, phù hợp với các kết quả công bố.
   • SEM cho thấy cấu trúc nanô của PPy với kích thước hạt khoảng 50-100 nm.

4. Ảnh hưởng của doping CNTs đến tính chất PPy:

   • Khi doping CNTs với hàm lượng từ 1% đến 4%, độ dẫn điện của PPy tăng đáng kể, do CNTs cải thiện khả năng vận chuyển điện tử và tăng cường cấu trúc cơ học.
   • Độ bền nhiệt của PPy cũng được cải thiện khi doping CNTs, duy trì tính ổn định ở nhiệt độ lên đến 150°C.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất tổng hợp PPy tăng khi nhiệt độ phản ứng tăng do chu kỳ nửa phân rã của APS giảm, tạo ra nhiều gốc tự do hơn thúc đẩy phản ứng trùng hợp. Tuy nhiên, độ dẫn điện của PPy lại cao hơn khi tổng hợp ở nhiệt độ thấp, điều này được giải thích bởi cấu trúc mạch polyme thẳng, ít nhánh hơn, giúp tăng độ kết tinh và khả năng dẫn điện.

Phổ Raman và FT-IR cho thấy cấu trúc hóa học của PPy ổn định và tương đồng với các nghiên cứu trước, chứng minh tính tái lập của quy trình tổng hợp. Độ dẫn điện tăng khi hàm lượng APS tăng do mức độ doping cao hơn, tạo nhiều polaron và bipolaron hơn, làm tăng mật độ hạt tải.

Doping CNTs làm tăng đáng kể tính chất điện và cơ học của PPy nhờ hiệu ứng cộng hưởng và tăng cường liên kết giữa các chuỗi polyme, đồng thời CNTs cung cấp đường dẫn dẫn điện hiệu quả. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu về vật liệu composite nanô, cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong cảm biến và linh kiện điện tử.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất tổng hợp theo nhiệt độ và hàm lượng APS, biểu đồ độ dẫn điện theo điều kiện tổng hợp và hàm lượng CNTs, cùng bảng phân tích phổ Raman và FT-IR để minh họa cấu trúc hóa học.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp PPy:

   • Thực hiện tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-2°C đến 5°C) với hàm lượng APS khoảng 0.2 mol để đạt độ dẫn điện cao và hiệu suất hợp lý.
   • Thời gian phản ứng duy trì 12 giờ để đảm bảo sự phát triển mạch polyme hoàn chỉnh.

2. Ứng dụng doping CNTs trong vật liệu PPy:

   • Sử dụng CNTs với hàm lượng từ 1% đến 4% để cải thiện tính chất điện và cơ học của PPy.
   • Khuyến khích nghiên cứu sâu hơn về phương pháp phân tán CNTs để tối ưu hóa hiệu quả doping.

3. Phát triển vật liệu composite PPy-CNTs cho cảm biến và linh kiện điện tử:

   • Khuyến nghị phối hợp với các đơn vị nghiên cứu công nghệ nano để phát triển cảm biến hóa học, biosensor dựa trên vật liệu này.
   • Thời gian nghiên cứu và phát triển sản phẩm mẫu trong vòng 1-2 năm.

4. Nâng cao độ bền nhiệt và ổn định môi trường:

   • Khuyến khích nghiên cứu bổ sung các chất doping hoặc phủ bảo vệ để tăng độ bền nhiệt và chống oxy hóa cho PPy.
   • Thực hiện thử nghiệm trong môi trường khí khác nhau để đánh giá tính ổn định lâu dài.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và polyme dẫn điện:

   • Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển vật liệu mới với tính chất điện và cơ học cải tiến.

2. Kỹ sư công nghệ chế tạo cảm biến và linh kiện điện tử:

   • Sử dụng vật liệu PPy và composite PPy-CNTs trong thiết kế cảm biến hóa học, biosensor và các linh kiện điện tử siêu nhỏ.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu điện tử và pin polymer:

   • Áp dụng quy trình tổng hợp và doping để sản xuất vật liệu điện cực cho pin polymer và tụ điện hiệu suất cao.

4. Giảng viên và sinh viên ngành vật liệu và kỹ thuật điện tử:

   • Tham khảo để hiểu rõ cơ chế dẫn điện, phương pháp tổng hợp và ứng dụng của polyme dẫn điện trong công nghệ hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

1. Polyme dẫn điện là gì và tại sao polypyrol được quan tâm?
   Polyme dẫn điện là các polyme có khả năng dẫn điện nhờ cấu trúc liên hợp của các liên kết π. Polypyrol được quan tâm vì có độ dẫn điện cao, tính ổn định nhiệt tốt và dễ tổng hợp bằng phương pháp oxy hóa hóa học.

2. Tại sao nhiệt độ tổng hợp ảnh hưởng đến tính chất của PPy?
   Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ tạo gốc tự do và cấu trúc mạch polyme. Nhiệt độ thấp giúp tạo ra mạch thẳng, ít nhánh, tăng độ kết tinh và độ dẫn điện, trong khi nhiệt độ cao làm tăng hiệu suất tổng hợp nhưng có thể tạo mạch nhánh nhiều hơn.

3. Carbon nanotubes có vai trò gì khi được dùng làm chất doping?
   CNTs cải thiện tính dẫn điện và cơ học của PPy bằng cách tạo đường dẫn dẫn điện hiệu quả và tăng cường liên kết giữa các chuỗi polyme, giúp vật liệu composite có tính chất vượt trội hơn.

4. Phương pháp đo độ dẫn điện của PPy được thực hiện như thế nào?
   Đo độ dẫn điện bằng phương pháp quét thế tuần hoàn (cyclic voltammetry) trên mẫu nén dạng viên, tính độ dẫn dựa trên điện trở đo được khi thay đổi điện áp.

5. Ứng dụng thực tiễn của polypyrol và vật liệu lai CNTs là gì?
   PPy và composite PPy-CNTs được ứng dụng trong cảm biến hóa học, biosensor, pin polymer, vật liệu phủ chống ăn mòn và linh kiện điện tử phân tử nhờ tính dẫn điện và cơ học ưu việt.

Kết luận

• Polypyrol cấu trúc nanô được tổng hợp thành công bằng phương pháp oxy hóa hóa học với hiệu suất và độ dẫn điện phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và hàm lượng chất oxy hóa APS.
• Tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-2°C) cho PPy có độ dẫn điện cao nhất (10.5 S/cm), trong khi hiệu suất tổng hợp cao hơn ở nhiệt độ 20°C.
• Doping carbon nanotubes cải thiện đáng kể tính chất điện và cơ học của PPy, mở rộng tiềm năng ứng dụng trong công nghệ cảm biến và linh kiện điện tử.
• Phổ Raman và FT-IR xác nhận cấu trúc hóa học ổn định của PPy, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa quy trình tổng hợp, doping và phát triển ứng dụng thực tiễn trong vòng 1-2 năm tới.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu dẫn điện hữu cơ được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm mới, đồng thời hợp tác nghiên cứu sâu hơn về vật liệu composite nanô nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền của vật liệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Vào tháng 10 năm 2000 hội đồng giải Nobel Thuỵ Điển đã thừa nhận tầm quan trọng của polyme dẫn điện thuần [ Intrinsically Conducting Polymers (ICP)] trong khoa học-công nghệ và đã trao giải Nobel hoá học cho ba ông A.Shirakawa vì đã có công khám phá và phát triển polyme dẫn. Từ khi các polyme dẫn điện thuần ICP (Polyacetylene, polypyrol, polyaniline và polythiophene) được khám phá đến nay đã được 30 năm. Với những tính chất ưu việt, ICP đã kích thích các nhà khoa học và công nghệ lao vào nghiên cứu. Chỉ trong vài năm gần đây đã cho ta một số lượng lớn các công trình khoa học trong đó có khoảng hàng ngàn công trình đăng trên các tạp chí khoa học, một tạp chí chuyên đề: “Synthetic Metals” và khoảng 1000 patent đăng kí sáng chế.

Trong đó có khoảng 50 ứng dụng được đề xuất và thực hiện. Bảng dưới nêu một số nét phát triển chính của vật liệu ICP. Bảng 1: Lịch sử phát triển của một số bán dẫn hữu cơ polyme Năm Polyme Đối tượng và ứng dụng vật liệu Người phát minh 1965 Polyme nối đôi liên hợp Polyme dẫn cơ bản Little First organic conductor 1972 Dẫn hữu cơ Cowan / Ferraris with metallic conductor 1973 (SN)x polyme siêu dẫn ở Polyme dẫn vô cơ Walaka et al. Heeger 1974 Polyme dẫn đầu tiên, doping A.

Polyacetylen (CH)x 1977 50 S/cm MacDiarmid H. Shirakawa Polyme dẫn 1979 Polypyrol Diaz et al Màng mỏng dẫn điện Điện cực polyme trong nguồn A.Mac 1980 Polyacetylen pin Diarmid Tourillon/ 1982 Polythiophen Trùng hợp điện hoá học Garnier IBM group 1980 Bùng nổ từ 1982 Diaz and Logan Polyanilin (PANi) 1987 Polyme Battery Bridgetstone Co. Cambridge- 1990 Poly p-phenylen LED Friend group A. Heeger Giải thưởng Nobel polyme 2000 A.

ICP MacDiarmid LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Shirakawa Polypyrol (PPy) lµ mét trong nh÷ng polyme dÉn (conducting polyme) ®-îc tËp trung nghiªn cøu vµ cã kh¶ n¨ng øng dông nhiÒu nhÊt. Polypyrol lµ polyme cã ®é dÉn ®iÖn cao, ngoµi ra nã cßn lµ polyme cã tÝnh chÊt c¬ lý tèt nh- ®é bÒn vËt liÖu, kh¶ n¨ng chÞu nhiÖt cao, tÝnh chÊt ®iÖn quang…V× vËy, polypyrol ®-îc sö dông nhiÒu trong c«ng nghÖ ®iÖn tö tin häc, lµ vËt liÖu th«ng minh chÕ t¹o c¸c sens¬ c¶m biÕn. Polypyrol cã thÓ nhËn ®-îc tõ ph-¬ng ph¸p trïng hîp ®iÖn ho¸ häc, trïng hîp «xi ho¸.

B»ng ph-¬ng ph¸p ®iÖn ho¸ ta nhËn ®-îc PPy tr¹ng th¸i mµng máng phñ trªn ®iÖn cùc [6,7]. B»ng ph-¬ng ph¸p «xi ho¸ khö khi sö dông chÊt «xi ho¸ nh- ammonium persulfat (APS), clorua s¾t ba (FeCl3) ta nhËn ®-îc PPy d¹ng bét gäi lµ “Pyrol black”. Polypyrol d¹ng bét nhËn ®-îc rÊt khã tan trong dung m«i h÷u c¬ th«ng th-êng. V× vËy, viÖc gia c«ng sö dông PPy trong c¸c ngµnh c«ng nghÖ kÜ thuËt cao gÆp rÊt nhiÒu khã kh¨n.

Nh- qu¸ tr×nh gia c«ng t¹o mµng máng nan« øng dông trong c«ng nghÖ vi ®iÖn tö, quang ®iÖn tö hoÆc qu¸ tr×nh t¹o hçn hîp blend víi c¸c polyme kh¸c. Do ®ã, ®Ó t×m hiÓu mét c¸ch cã hÖ thèng vÒ c«ng nghÖ chÕ t¹o, ¶nh h-ëng cña c¸c th«ng sè c«ng nghÖ chÕ t¹o ®Õn polyme dÉn chóng t«i ®· chän ®Ò tµi: “ ChÕ t¹o vµ nghiªn cøu tÝnh chÊt b¸n dÉn h÷u c¬ polypyrol cÊu tróc nan« “ víi c¸c môc tiªu cô thÓ lµ: - Nghiªn cøu quy tr×nh tæng hîp polypyrol vµ kh¶o s¸t ¶nh h-ëng c¸c ®iÒu kiÖn tæng hîp ®Õn tÝnh chÊt cña nã. - Nghiªn cøu sö dông carbon nan«tube lµ chÊt doping nh»m n©ng cao tÝnh chÊt cña polypyrol. Néi dung cña luËn v¨n bao gåm: PhÇn më ®Çu Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ polyme dÉn Ch-¬ng 2: C¸c ph-¬ng ph¸p thùc nghiÖm Ch-¬ng 3: KÕt qu¶ vµ th¶o lô©n PhÇn kÕt luËn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ POLYME DẪN 1.

Giới thiệu về công nghệ nanô 1. Khái niệm và sự ra đời của công nghệ nanô Thuật ngữ công nghệ nanô (nanotechnology) xuất hiện từ những năm 70 của thế kỉ 20, liên quan đến công nghệ chế tạo các cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử. Độ chính xác ở đây đòi hỏi rất cao, từ 0.1 đến 100 nm, tức là phải chính xác đến từng lớp nguyên tử, phân tử. Mặt khác quá trình vi hình hoá các linh kiện cũng đòi hỏi người ta phải nghiên cứu các lớp mỏng có bề dày cỡ nm, các sợi mảnh có bề ngang cỡ nm, các hạt có đường kính cỡ nm.

Phát hiện ra hàng loạt các hiện tượng, tính chất rất mới mẻ, có thể ứng dụng vào nhiều lĩnh vực rất khác nhau để hình thành các chuyên ngành mới có gắn thêm chữ nm. Hình 1: So sánh kích thước nanô tinh thể với các tinh thể khác [4]. Hơn nữa, việc nghiên cứu các quá trình của sự sống xảy ra trong tế bào cho thấy sự sản xuất ra các chất của sự sống như protein đều được thực hiện bởi việc lắp ráp vô cùng tinh vi, các đơn vị phân tử với nhau mà thành, tức là cũng ở trong phạm vi công nghệ nanô [1]. Cơ sở khoa học của công nghệ nanô Khoa học nanô nghiên cứu các vấn đề cơ bản của vật lý học, hoá học, sinh học của các cấu trúc nanô.

Dựa trên các kết quả của khoa học nanô đi đến nghiên cứu ứng dụng cấu trúc nanô. Công nghệ nanô dựa trên những cơ sở khoa học chủ yếu sau: LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 4 + Hiệu ứng kích thước lượng tử: Các hệ bán dẫn thấp chiều là các hệ có kích thước theo một,hai hoặc cả ba chiều có thể so sánh với bước sóng De Broglie của các kích thước cơ bản trong tinh thể. Trong các hệ này, các kích thước cơ bản (như điện tử, lỗ trống, exciton) chịu ảnh hưởng bởi sự giam giữ lượng tử khi chuyển động bị giới hạn dọc theo trục giam giữ. Hiệu ứng giam giữ lượng tử được quan sát thông qua sự dịch chuyển về phía sóng xanh trong phổ hấp thụ với sự giảm kích thước hạt.

Khi kích thước hạt giảm tới gần bán kính Bohr exciton thì có sự thay đổi mạnh mẽ về cấu trúc điện tử và các tính chất vật lý [1,2,4]. + Hiệu ứng kích thước: Các đại lượng vật lý thường được đặc trưng bằng một số đại lượng vật lý không đổi, ví dụ như độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, từ độ bão hoà của vật liệu sắt từ…Nhưng các đại lượng đặc trưng này chỉ không đổi khi kích thước của vật đủ lớn. Khi giảm kích thước của vật đến thang nanô, tức là vật trở thành cấu trúc nanô thì các đại lượng đặc trưng nói trên không còn là bất biến nữa, ngược lại chúng sẽ thay đổi theo kích thước và gọi đó là hiệu ứng kích thước. Sự giảm theo kích thước này được giải thích bằng vai trò của tán xạ điện tử trên bề mặt càng tăng khi bề dày lớp nanô càng giảm [1].

+ Hiệu ứng bề mặt: Các cấu trúc nanô có kích thước nanô theo một chiều rất nhỏ nên chúng có diện tích bề mặt trên một đơn vị thể tích rất lớn. Hiệu ứng bề mặt thường liên quan đến quá trình thụ động hoá bề mặt, các trạng thái bức xạ bề mặt và sức căng của bề mặt vật liệu. Một số tính chất đặc biệt của các vật liệu cấu trúc nanô có nguyên nhân là do các tương tác điện từ giữa chúng qua các lớp bề mặt của những hạt nanô cạnh nhau. Lực tương tác này trong nhiều trường hợp có thể lớn hơn lực tương tác Van der Waals [1,2].

Bảng 2: Diện tích bề mặt của hạt cầu thay đổi theo kích thước hạt. Đường kính Diện tích/g 1 cm 3 cm2 1 mm 30 cm2 100  m 300 cm2 10  m 3000 cm2 1 m 3 m2 100 nm 30 m2 10 nm 300 m2 1 nm 3000 m2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 5 Khoa học và công nghệ nanô có ý nghĩa rất quan trọng và cực kỳ hấp dẫn vì các lý do sau đây: - Tương tác của các nguyên tử và các điện tử trong vật liệu bị ảnh hưởng bởi các biến đổi trong phạm vi thang nanô. Do đó, khi làm thay đổi cấu hình ở thang nanô của vật liệu ta có thể điều khiển được các tính chất của vật liệu theo ý muốn mà không cần thay đổi thành phần hoá học của nó. Ví dụ thay đổi kích thước của hạt nanô sẽ làm cho chúng đổi mầu ánh sáng phát ra hoặc có thể thay đổi các hạt nanô từ tính để chúng trở thành hạt một đômen thì tính chất từ của nó sẽ thay đổi hẳn.

- Vật liệu nanô có diện tích mặt ngoài rất cao nên chúng rất lý tưởng để dùng vào chức năng xúc tác cho hệ phản ứng hoá học, hấp phụ, nhả thuốc chữa bệnh từ trong cơ thể, lưu trữ năng lượng và trong cả liệu pháp thẩm mỹ. - Việc có chứa các cấu trúc nanô có thể cứng hơn nhưng lại bền hơn so với cùng vật liệu đó mà không chứa các cấu trúc nanô. Các hạt nanô phân tán trên một nền thích hợp có thể tạo ra các vật liệu composit siêu cứng. - Tốc độ tương tác và truyền tín hiệu giữa các cấu trúc nanô nhanh hơn giữa các cấu trúc micro rất nhiều và có thể sử dụng tính chất ưu việt này để chế tạo ra các hệ thống nhanh hơn với hiệu quả sử dụng năng lượng cao hơn [1].

Polyme dẫn điện thuần ICP 1. Tính chất dẫn điện Những polyme dẫn điện thuần có độ dẫn ở khoảng giữa bán dẫn và kim loại. Độ dẫn trong khoảng 10-8 đến 10-6 S/cm. Tuy nhiên, những polyme ICP này khi được pha tạp bằng những chất doping thì độ dẫn của nó cao hơn rất nhiều so với trạng thái cơ bản.

Hình 2 cho biết độ dẫn tương đối của một số vật liệu điển hình [8]. Hình 2: Độ dẫn của một số chất tiêu biểu [5]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 6 Khả năng dẫn điện của polyme dẫn ICP ở trạng thái nguyên chất rất thấp. Polyacetylene(PAc) ở dạng cấu trúc cis- trans có độ dẫn 10-9 S/cm, ở dạng cấu trúc trans- trans là 10-5 S/cm.

Giá trị này ở khoảng giữa chất cách điện và bán dẫn. Nhưng khi người ta pha tạp vào polyacetylene các chất kim loại kiềm, các chất radical anion bằng phương pháp điện hóa học hoặc khuếch tán AsF5, SbF5… kết quả đưa đến độ dẫn của polyacetylene tăng lên rất lớn, quá trình pha tạp này được gọi là quá trình doping. Đây là một phát minh quan trọng thúc đẩy nhanh việc triển khai ứng dụng polyme ICP. Trong trường hợp có chất doping độ dẫn của polyacetylene có thể đạt đến 106 S/cm.

Như vậy, bằng phương pháp sử dụng doping thích hợp người ta có thể chuyển đổi tính chất dẫn của vật liệu polyme theo yêu cầu.