Tiểu luận Tìm hiểu vật liệu polymer dẫn điện

Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 1 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH LỜI MỞ ĐẦU Lâu nay khi nói đến vật liệu dẫn điện ta thường nghĩ ngay đến kim loại. Trong đó nhôm và đồng là hai kim loại phổ biến sử dụng trong phân phối và truyền tải điện năng. Còn vật liệu polymer thì đặc trưng về tính chất cách điện. Tính chất cách điện của hầu hết các loại polymer đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên polymer không chỉ là vật liệu cách điện mà chúng còn là những vật liệu dẫn điện rất tốt. Quan niệm về tính chất cách điện và dẫn điện của polymer đã thay đổi khi các loại polymer dẫn điện đã được tìm thấy. Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, con người dần tìm ra được các polymer có độ dẫn diện không thua gì kim loại nhưng lại có những tính chất ưu việt hơn các loại vật liệu truyền thống. Do tính chất ưu việt của nó về mặt vật lí, hóa học, quang học và đặc biệt thân thiện với môi trường. Ngày nay loại vật liệu này ngày càng được sử rộng rãi trong các lĩnh vực của cuộc sống như: trong công nghệ điện tử có rất nhiều sản phẩm được chế tạo trên cơ sở polymer dẫn như transitor, màn hình hiển thị hữu cơ (OLED-organic light emitting diode). Trong công nghệ cảm biến sinh học, hóa học như cảm biến glucose trong máu trên cơ sở polypyrrole, cảm biến NH3 trên cơ sở polyaniline. Trong lĩnh vực dự trữ năng lượng bao gồm nguồn điện, siêu tụ điện hóa và trong lĩnh vực ăn mòn bảo vệ kim loại,... Polymer dẫn có thể được tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau như: phương pháp hóa học, phương pháp vật lý, phương pháp điện hóa. Trong đó tổng hợp bằng phương pháp hóa học có nhược điểm là khó khống chế tốc độ của phản ứng, còn nếu tổng hợp bằng phương pháp vật lý thì đòi hỏi thiết bị tổng hợp tương đối phức tạp mà hiệu quả lại không cao. Do đó, việc tổng hợp polymer dẫn bằng con đường điện hóa là phương pháp được dùng nhiều nhất. “Tìm hiểu về polymer dẫn diện” là một trong đề tài rất rộng liên quan đến nhiều lĩnh vực như: Công nghệ polymer, công nghệ điện hóa, điện, bán dẫn,... Tuy nhiên trong nội dung giới hạn của tiểu luận ta chỉ tìm hiểu về cơ chế dẫn điện của polymer dẫn và những ứng dụng của chúng hiện nay. Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 2 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH PHẦN 1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Khám phá về polymer dẫn điện quan trọng xảy ra vào năm 1973, khi polymer vô cơ polysulfurnitride (SN)x được biết đến như là một kim loại. Độ dẫn điện riêng của (SN)x tại nhiệt độ phòng có giá trị khoảng 103 S/cm (S = Siemen, là đơn vị của độ dẫn điện, đảo nghịch của Ohm (S = 1/)), dưới nhiệt độ tới hạn khoảng 0,3K, (SN)x trở thành chất siêu dẫn. Tuy nhiên, (SN)x rất dễ nổ, vì thế nó không có giá trị về mặt ứng dụng lẫn thương mại. Năm 1975, một phát hiện có tầm mức thời đại xảy ra tại trường Tokyo Institute of Technology (Tokyo Kogyo Daigaku, Đại học Đông kinh Công nghiệp, Nhật Bản). Tiến sĩ Shirakawa Hideki, giảng viên của trường, là một chuyên gia về tổng hợp polyacetylene (PA) theo phương pháp thổi khí acetylene qua một chất xúc tác. Phương pháp dùng thể khí để tổng hợp cho ra một thể rắn (trong trường hợp này là polymer) là một phương pháp công nghệ thông dụng để hình thành polyethylene (PE) và polypropylene (PP). Hai polymer này được tổng hợp bằng cách thổi khí ethylene hoặc propylene vào chất xúc tác Ziegler – Natta (Ti(OC4H9)4 – (Al(C2H5)3)). Shirakawa cũng dùng phương pháp này để tổng hợp bột PA. Vào năm 1977, người ta thực hiện quá trình dopant polymer polysulfurnitride và tính dẫn điện của nó tăng lên một cách đáng kể. Đến khoảng cuối năm 1977, Shinakawa, MacDiarmid và Heeger khám phá ra rằng, khi PA được oxy hoá hoặc khử bằng các tác nhân khác nhau thì độ dẫn điện của nó tăng lên từ 4,4.10-5 đến khoảng 106S/cm (so sánh với Teflon: 10-16S/cm; Silicon: 10-3S/cm; Germanium: 1S/cm; đồng, sắt, bạc: 108S/cm). Sự khám phá này có thể được xem là điểm khởi đầu của các công trình nghiên cứu sau này về polymer dẫn điện. Ở những năm đầu của thập niên 1980, một cuộc chạy đua diễn ra giữa các nhà khoa học khắp nơi trên thế giới để nâng cao độ dẫn điện của PA đến mức độ dẫn điện của đồng. Đây là cuộc chạy đua mang tính hiếu kỳ hơn là thực dụng. Sự khác biệt giữa độ dẫn điện của chất cách điện và chất dẫn điện là một khoảng cách cực kỳ bao la. Những polymer cách điện tốt như PE, PVC, polystyrene, nylon có "độ dẫn điện" trong khoảng 10-18S/cm con số này quá nhỏ nên xem như là cách điện. Chất dẫn điện tốt như đồng hoặc bạc đạt Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 3 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH đến 106S/cm. Khoảng cách giữa hai trị số 10-18 và 106 là 1 triệu tỷ tỷ lần. PA sau khi được dopant với ion iodine (I3) - có độ dẫn điện khoảng 105S/cm, là một polymer có độ dẫn điện cao nhất trong các polymer dẫn điện. Khi được kéo dãn, PA có thể đạt đến 106S/cm gần đến trị số của đồng. Tiếc rằng, PA không có giá trị cho những áp dụng thực tiễn bởi vì PA bị oxít hoá trong không khí. Thậm chí trong chân không PA cũng tự suy thoái (self degradation). Oxít hoá và sự suy thoái đưa đến việc giảm độ dẫn điện. Một vật liệu không có tính bền đối với môi trường xung quanh (environmental stability) khó có thể trở thành những vật liệu hữu ích mang tính thực dụng. Sau một năm làm việc với MacDiarmid và Heeger, Shirakawa trở lại Nhật Bản giảng dạy và nghiên cứu tại Đại học Tsukuba. Ông tiếp tục nghiên cứu PA cho đến khi về hưu. MacDiarmid và Heeger đặt trọng tâm nghiên cứu vào polyaniline (PAn). Ngoài ra, polypyrrole (PPy) và polythiophene (PT) là hai loại polymer quan trọng khác được khảo sát có hệ thống trong 30 năm qua. Thật ra, PPy dẫn điện đã được một nhóm nghiên cứu tại Úc (CSIRO) phát hiện vào năm 1963. PPy của nhóm này trộn lẫn với iodine trong quá trình tổng hợp, cho ra một hỗn hợp có độ dẫn điện 1S/cm. Họ không nghĩ được khái niệm dopant mà trong đó iodine là nguyên nhân của sự dẫn điện. Tiếc thay, họ viết 3 bài báo cáo đăng trên Australian Journal of Chemistry rồi đình chỉ công việc vì ngỡ là chất tạp không quan trọng. PAn, PPy và PT là những polymer có độ bền tốt hơn PA nên có thể dùng trong những áp dụng thực tiễn. Độ dẫn điện của các polymer này không cao như PA, tùy điều kiện tổng hợp độ dẫn điện có thể điều chỉnh trong khoảng 0,1S/cm đến 1000S/cm. Với sự khám phá và những đóng góp cho phát triển polymer dẫn điện, năm 2000 Hàn Lâm Viện Khoa Học Thụy Điển đã trao giải Nobel Hoá Học cho các giáo sư Shirakawa Hideki, Alan MacDiarmid và Alan Heeger. Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 4 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH PHẦN 2 PHÂN LOẠI POLYMER DẪN ĐIỆN 2.1. Polymer dẫn điện do phụ gia. Để tạo ra loại polymer dẫn điện loại này, người ta thường cho vào polymer các chất phụ gia có độ dẫn điện lớn, như bột kim loại. Tuy nhiên, tính dẫn điện có được không xuất phát từ bản chất của vật liệu polymer mà từ các phụ gia thêm vào. Do đó, chúng không được ứng dụng vào lĩnh vực điện hữu cơ. Lĩnh vực điện hữu cơ chủ yếu tạo ra các thiết bị như đèn điốt phát quang hữu cơ (OLED), transitor hiệu ứng trường (FETs), tụ điện, pin mặt trời và các bộ chuyển tín hiệu trong các thiết bị điện tử. Trong các loại thiết bị này, OLED và FETs đang được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất. 2.2. Polymer dẫn do quá trình “dopant”. Khái niệm về quá trình dopant: Dopant là quá trình đưa thêm một số tạp chất hay tạo ra một số sai hỏng làm thay đổi đặc tính dẫn điện của các polymer và tạo ra bán dẫn loại N hoặc P tuỳ thuộc vào loại phụ gia ta đưa vào. Ví dụ: Emeraldine base. Hình 2.1: Dopant với Bonsted axit. Vậy quá trình dopant ở đây có tác dụng bù điện tích cho chuỗi polymer và duy trì polymer ở trạng thái cân bằng và ở trạng thái oxy hoá cân bằng này nó dẫn điện tốt. Hình 2.2: Dopant với Lewis axit. Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 5 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH Đa số các polymer có hệ thống điện tử  liên hợp là các chất bán dẫn. Để làm tăng độ dẫn điện, cần đưa các điện tích vào mạch polymer bằng hai phương pháp: Phương pháp thứ nhất: Để đưa các điện tích vào mạch polymer, hoặc là lấy đi các điện tử từ nó (quá trình oxy hóa hay còn gọi là dopant loại p), hoặc là đưa các điện tử vào nó (quá trình khử hay dopant loại n). Các polymer có hệ thống điện tử  liên hợp thường có xu hướng nhường điện tử, cho nên chúng dễ bị oxy hóa bởi các tác nhân oxy hóa như là I2, FeCl3,… Hình 2.3: Quá trình dopant loại p Lấy đi một điện tử từ polythiophene (1a) sẽ tạo ra một điện tích linh động trên gốc cation (1b), theo thuật ngữ của vật lý chất rắn thì (1b) được gọi là polaron. Quá trình oxy hóa sâu hơn có thể chuyển polaron thành bipolaron ở trạng thái không spin (1c), hoặc một cặp polaron như (1d). Trong trường hợp này, quá trình đưa vào mạch polymer một điện đích dương đồng thời với việc đưa vào một ion đối mang điện tích trái dấu. Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 6 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH Phương pháp thứ hai: Phương pháp này được gọi là quá trình “acid dopant”. Hình 2.4: Quá trình acid dopant Cấu trúc dạng leucoameraldine (2a) có thể bị oxy hóa thành dạng emaraldine (2b) mà không có sự tham gia của các ion đối X-. Tuy nhiên, dạng ameraldine (2b) chỉ trở nên dẫn điện khi nó được xử lí bằng axít mạnh HX, cấu trúc (2c) và (2d) là hai cấu trúc cộng hưởng. Trong 2 phương pháp trên, việc tạo ra các điện tích trên mạch polymer luôn gắn liền với việc đưa vào các ion đối. Tuy nhiên, cơ chế dẫn điện của các loại polymer loại này không phải do các ion đối tạo ra, mà do sự phân bố điện tích một cách tương đối qua toàn mạch polymer. Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 7 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH Hình 2.5: So sánh độ dẫn điện của các vật liệu khác nhau. 2.3. Polymer dẫn điện thuần. Tương phản với các loại polymer dẫn điện do quá trình dopant, các polymer dẫn điện thuần là các polymer trung tính, bản chất dẫn điện là do giá trị năng lượng miền cấm (sau này được gọi là Eg) rất nhỏ, thậm chí gần bằng 0eV. Độ dẫn điện của chúng phụ thuộc chủ yếu vào mức độ chồng lấp của các obital điện tử  giữa các monomer kế cận. Các polymer loại này đang là đề tài cho nhiều nghiên cứu trên thế giới, vì nó tránh được quá trình dopant phức tạp và khó điều khiển. Quá trình làm giảm giá trị Eg sẽ làm tăng mật độ điện tử trên miền dẫn, do đó làm tăng tính dẫn thuần của vật liệu và có thể tạo ra được các kim loại hữu cơ mà không cần quá trình dopant phức tạp. Mặt khác, khi thế oxy hóa có giá trị càng bé gắn liền với giá trị Eg nhỏ sẽ tạo ra được các loại polymer dẫn điện do quá trình dopant rất ổn định. Hơn thế nữa, khi làm giảm Eg, có thể tạo ra các loại polymer trong suốt trong vùng bước sóng từ tử ngoại đến khả kiến, tính chất này được ứng dụng trong các thiết bị làm việc trong vùng bước sóng hồng ngoại. Một ví dụ điển hình nhất về loại polymer có giá trị Eg bé, đó là hệ đồng polymer hóa giữa 4-(Dicyanomethylene)-4H-cyclopenta[2,1b; 3,4b’] dithiophene và 3,4(ethylenedioxy) thiophene, giá trị Eg = 0,16 eV. Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 8 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH PHẦN 3 CƠ CHẾ DẪN ĐIỆN CỦA POLYMER DẪN Để hiểu rõ hơn về cơ chế dẫn điện của vật liệu polymer dẫn ta sẽ tìm hiểu về cơ chế dẫn điện của kim loại và dung dịch điện ly. Bản chất dòng điện trong kim loại Trong kim loại luôn tồn tại các electron tự do mang điện tích âm. Khi có điện trường chạy qua một đoạn dây dẫn thì dưới tác dụng của lực điện trường, các electron sẽ chuyển động (ngược chiều điện trường) thành dòng tạo nên dòng điện.Vậy dòng điện trong kim loại là dòng các electron tự do chuyển dời có hướng dưới tác dụng của điện trường. Bản chất dòng điện trong dung dịch điện ly Dung dịch điện ly có khả năng phân ly cho ra những ion trái dấu đó là các cation và anion. Khi ta cắm nguồn 1 chiều vào hai đầu A và B, giả sử A (+), B (–). Lập tức hình thành một điện trường trong dung dịch có chiều hướng từ A sang B. Điện trường này gây ra lực tác dụng lên các ion trong dung dịch và các ion âm sẽ di chuyển về cực dương (+),các ion dương về cực âm (–). Như vậy, trong dung dịch hình thành một “dòng ion” đóng vai trò như electron tự do trong kim loại để dẫn điện. Hình 3.1. Sự di chuyển của các electron tự do trong kim loại. Hình 3.2. Sự di chuyển của các iôn trong dung dịch chất điện ly. Ví dụ là NaCl. Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 9 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH Qua đó ta thấy được kim loại, dung dịch điện ly dẫn điện được là do các electron tự do (kim loại), các ion âm và ion dương (dung dịch điện ly) chuyển động thành dòng dưới tác dụng của lực điện trường. Nhưng polymer không phải là kim loại hay dung dịch điện ly, bản thân nó không tồn tại các electron tự do cũng như các ion âm, ion dương tạo thành dòng điện khi có tác dụng của lực điện trường. Như vậy, trên cơ sở nào polymer lại có thể dẫn điện? Đặc điểm của polymer dẫn điện là mạch carbon có mang các nối đôi liên hợp (conjugation bond), –C=C–C=C–. Đây là sự nối tiếp của nối đơn C–C và nối đôi C=C. PA, PAn, PPy và PT đều có đặc điểm chung này trong cấu trúc cao phân tử. Đặc điểm thứ hai là sự hiện diện của dopant. Iodine là một thí dụ điển hình trong PA. Hai đặc điểm này làm polymer trở nên dẫn điện. 3.1. Điện tử  trong nối đôi liên hợp. Nối đôi của polyacetylene (PA) (hình 3.5) biểu hiện sự khác biệt cấu trúc phân tử giữa polyethylene (PE) (hình 3.3) và PA. Các liên kết trong PE là liên kết cộng hóa trị do sự lai hóa giữa 1 obital s và 3 obital p (= 4 obital lai hóa sp3) cho ra 4 liên kết  (sigma) rất bền xung quanh nguyên tố carbon (2 liên kết C – H, 2 liên kết C – C). Trong PA, do sự lai hóa giữa 1 obital s và 2 obital p (= 3 obital lai hóa sp2) cho ra 3 liên kết  (1 nối C – H, 2 nối C – C) và 1 liên kết  do của obital pz của hai nguyên tố kề nhau tạo thành. Hình 3.3: Cấu trúc của Polyethylene Hình 3.4: Trong PE sự lai hóa giữa 1 obital s và 2 obital p cho ra 3 obital lai hóa sp2. Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 10 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH Vì vậy, thực chất của nối đôi C = C là do 1 liên kết và 1 liên kết . Liên kết  không bền, có nghĩa là điện tử  có nhiều hoạt tính hóa học, sẵn sàng phản ứng nếu có điều kiện thích hợp. Điện tử , nhất là điện tử  trong các nối liên hợp (nối đơn và nối đôi tuần tự xen kẻ nhau, – C = C – C = C –) cho nhiều hiện tượng và áp dụng thú vị. Vì liên kết không bền nên chỉ cần một năng lượng nhỏ cũng đủ kích hoạt điện tử  sang một trạng thái khác. Dưới đây là cấu trúc của những polymer mang nối đôi liên hợp quan trọng. Hình 3.7: Cấu trúc của những polymer mang nối đôi liên hợp. Hình 3.5: Cấu trúc của polyacetylene Hình 3.6: Trong PA sự lai hóa giữa 1 obital s và 2 obital p cho ra 3 obital lai hóa sp2. Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 11 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH 3.2. Quá trình dopant. Đặc điểm thứ hai là sự hiện diện của dopant. Iodine là một ví dụ điển hình trong PA. Dopant có thể là những nguyên tố nhỏ như iodine (I2), chlorine (Cl2), những hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ miễn là những chất này có thể nhận điện tử (electron acceptor) cho ra những ion âm (anion) để kết hợp với mạch carbon của polymer. Dopant cũng có thể là ion dương (cation). Cơ chế dẫn điện của polymer dẫn điện có thể giải thích một cách định tính bằng hình vẽ (hình 3.8). Khi dopant A nhận một điện tử từ polymer, một lỗ trống (+) xuất hiện. Khi một dòng điện được đặt vào polymer, điện tử  của nguyên tố C bên cạnh nhảy vào lỗ trống này và quá trình cứ tiếp diễn như thế. Sự di chuyển của điện tử chỉ là sự di chuyển ngắn, nhưng nhờ sự di chuyển này lỗ trống (+) được liên tục di động dọc theo mạch polymer. Lỗ trống này là một phần polaron hay bipolaron. Sự di động của lỗ trống xác nhận polaron/bipolaron là một thực thể tải điện và là nguyên nhân của sự dẫn điện giống như điện tử trong kim loại. Thực nghiệm cho thấy điện tử của polymer này có thể nhảy sang chiếm cứ lỗ trống của polymer kế cận rồi polymer kế cận khác... Như vậy, lỗ trống (+) có thể di chuyển khắp tất cả các vị trí vật liệu theo hướng của điện áp. Hình dưới đây cho thấy rất rõ ràng hai yếu tố cho sự dẫn điện trong polymer là: (1) nối liên hợp và (2) dopant. Mất đi một trong hai sự dẫn điện không xảy ra. Hình 3.8: Sự chuyển động của điện tử  (l) và lỗ trống (+). Một điện tử chiếm cứ một obital pz. Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 12 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH Nói một cách chính xác hơn, trong quá trình tiếp xúc giữa PA và iodine, iodine nhận 1 điện tử trong 2 điện tử của liên kết  từ PA trở thành anion (I3) - , tạo ra 1 lỗ trống mang điện tích dương (+) và 1 điện tử  còn lại (ký hiệu ) trên mạch PA. Lỗ trống (+) và điện tử () xuất hiện trên mạch PA gọi là polaron trong vật lý. Một cặp polaron (+ +) là bipolaron. Quang phổ học (spectroscopy) xác nhận rằng khi có một dòng điện được áp đặt vào polymer dẫn điện, polaron và bipolaron di động giữa hai điện áp khác nhau. Nói một cách khác, tương tự như điện tử tự do trong kim loại, polaron và bipolaron là hạt tải điện cho sự truyền điện trong polymer dẫn điện. Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 13 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH PHẦN 4 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP POLYMER DẪN Trải qua ba thập niên kể từ lúc phát hiện vào năm 1977, đã có hàng nghìn báo cáo khoa học và bằng phát minh mô tả về những các phương pháp tổng hợp của các loại polymer dẫn điện. Nhưng nhìn chung phương pháp tổng hợp có thể chia làm hai phương pháp sau: - Phương pháp điện hóa. - Phương pháp hóa học. Phương pháp điện hóa tạo ra polymer ở dạng phim và phương pháp hóa học tạo ra polymer ở dạng bột. Những polymer dẫn điện thông dụng như polypyrrole (PPy), polyaniline (PAn) và polythiophene (PT) có thể được tổng hợp bằng cả hai phương pháp. Với phương pháp điện hóa, phim polymer được thành hình trong một bình điện giải đơn giản (Hình 1), trong đó chất điện giải là monomer (ví dụ: pyrrole, aniline hay thiophene) và dopant được hòa tan trong nước hay một dung môi thích hợp. Tại cực dương monomer bị oxít hóa kết hợp dopant và đồng thời trùng hợp thành phim. Hình 4.1: Phương pháp điện hóa dùng bình điện giải để tổng hợp polypyrrole. Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 14 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH Trong phương pháp hóa học, monomer, dopant và chất oxid hóa (ví dụ: FeCl3) được hòa tan trong nước hoặc dung môi. Phản ứng trùng hợp xảy ra cho polymer ở dạng bột. Dopant có một ảnh hưởng cực kỳ quan trọng đến những tính chất của polymer bao gồm: tính chất vật lý, hóa học, cơ học, quang học, tính chất điện và tính bền nhiệt. Vì vậy, sự chọn lựa dopant phải phù hợp cho mỗi ứng dụng khác nhau. Từ khi polyacetylene (PA) dẫn điện được tổng hợp (năm 1977) và đến đầu thập niên 80 của thế kỷ trước, các loại polymer dẫn điện phần lớn không hoặc hòa tan rất ít trong dung môi. Điều này làm cản trở không ít việc biến chế các vật liệu này vào những áp dụng thực tiễn, vì trong quá trình chế tạo những dụng cụ hay linh kiện các vật liệu phải được hòa tan trong dung môi kể cả nước. Hơn nữa để tránh ô nhiễm môi trường, polymer phải hòa tan được trong nước hoặc dung môi không mang độc tính. Trong vòng 10 năm qua, những nỗ lực của các nhà hóa học đã gặt hái được những thành công lớn, biến những polymer dẫn điện không hòa tan trở nên hòa tan bằng cách thay đổi điều kiện tổng hợp hay gắn những nhóm biên (side group) thích nước hay dung môi vào monomer tạo ra những polymer dẫn xuất. Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 15 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH PHẦN 5 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA POLYMER DẪN ĐIỆN Polymer dẫn có liên kết  liên hợp trong hệ cho thấy những tính chất đặc trưng như năng lượng chuyển điện tử thấp, điện thế ion hoá thấp và có ái lực điện tử cao. Nhiều kết quả nghiên cứu tính chất cấu hình của của điện tử cho thấy các cấu hình này có thể bị oxy hoá hoặc khử dễ dàng, một vài polymer dẫn đã được phát triển để có thể ứng dụng vào trong thương mại ví dụ như làm nguyên liệu cho pin, thiết bị mắt điện tử, các cảm biến sinh học … 5.1. Ứng dụng của polymer dẫn trong dự trữ năng lượng. Ta thấy rằng một số polymer dẫn tồn tại ở nhiều dạng khác nhau tuỳ thuộc vào mức độ oxy hoá của chúng và loại vật liệu dopant và ở điện áp ngoài nhất định. Do đó nó có thể tồn tại ở dạng oxy hóa cao nhất và nếu nó tồn tại bền vững ở trạng thái này thì ta có thể chọn nó làm vật liệu cho ắc qui. Khi sử dụng ta có thể sử dụng nó như vật liệu catốt. Khi phóng điện thì nó chuyển dần từ dạng oxy hoá sang dạng khử và khi nạp đầy thì nó lại chuyển dần từ dạng khử sang dạng oxy hoá cao nhất. Yêu cầu đối với loại màng này là đặc tính thuận nghịch phải cao thì nó sẽ cho số chu kỳ phóng nạp lớn và điều này ảnh hưởng đến tuổi thọ của ắc qui. 5.2. Làm điốt. Ta biết rằng thiết bị chỉnh lưu là thành phần chính và cơ bản của mạch điện tử. Từ khi polymer dẫn điện được phát hiện ra nó đã được ứng dụng vào làm chất bán dẫn vì có khoảng cấm hẹp đã được nghiên cứu để có thể ứng dụng nghiên cứu polymer dẫn. Phương pháp cơ bản để thay đổi độ dẫn điện của bán dẫn là lựa chọn tính chất vượt trội chiếm ưu thế được khống chế bởi phu gia và nó cho phép tạo ra bán dẫn loại N hoặc loại P và sự phụ thuộc về không gian, mức năng lượng được giữ cân bằng mặc dù tồn tại trường điện từ cao. Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 16 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH Chiang đã tạo ra những tiếp xúc P-N bởi áp suất tiếp xúc cao của màng polyacetylen loại P với phụ gia là Na và màng polyacetylen loại N với phụ gia là NaAsF5. Ta thấy khi có hai chất bán dẫn loại P-N tiếp xúc với nhau thì tạo ra một thiết bị chỉ cho dòng đi theo một chiều xác định đó là chiều từ P→N và thiết bị đó gọi là điốt. Do đó chỉ cần các màng polymer dẫn điện rất mỏng là ta có thể tạo ra một điốt. Tính chất điện của polypyrrole – kim loại và polypyrrole cũng được khảo sát và người ta nhận thấy sự tiếp xúc giữa N-P được tạo ra trên bề mặt polymer. Composite Al- polypyrrole được tạo ra bằng phương pháp này được coi là có tính bán dẫn tốt và có thể áp dụng vào công nghệ. 5.3. Thiết bị điều khiển logic. Một số loại polymer dẫn có tính chất điện rất đặc biệt nó có độ dẫn tăng rất nhanh khi áp thế vào do đó nó có thể được ứng dụng trong điều khiển logic và tạo ra tín hiệu ở dạng số… Trong đó tiêu biểu là composite PAN- Au đường cong của mối quan hệ I-V của nó có dạng sau: Do đặc tính này mà nó có thể ứng dụng trong điều khiển logic. 5.4. Transitor hiệu ứng trường. I V N P Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 17 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH Thiết bị hiệu ứng trường đã được ứng dụng để cải tiến hoạt động của thiết bị bán dẫn thông thường, hiệu ứng trường trong màng polymer sẽ điều khiển dòng và bằng cách đó nó mở ra hoạt động của transitor mà không cần các tiếp xúc N-P. Hiện tượng này không chỉ cung cấp các đặc tính của thiết bị mà còn cung cấp công cụ để nghiên cứu chất bán dẫn và nó điều khiển dòng giữa nguồn và kênh dẫn qua cổng. Hoạt động của transitor hiệu ứng trường được sử dụng trong điều khiển logic. 5.5. Điốt phát quang. Điốt phát quang polymer đã được phát triển rộng rãi từ khi khám phá ra hiện tượng điện phát quang từ màng PPV. Polymer dẫn điện biết đến như vật liệu phát quang điện thế. Nó được sử dụng để thay thế cho vật liệu phát quang vô cơ, cho phép sử dụng trên bề mặt rộng và nó cũng có đặc tính là rất nhẹ và dẻo … Ưu điểm chính của vật liệu này là hiệu ứng ngầm và bước sóng bị giới hạn bởi sự thay đổi hoá học, điện thế vận hành thấp, dễ gia công, chi phí thấp và có thể tạo ra các thiết bị có diện tích lớn màu sắc phát ra trong vùng trông thấy. Do đặc điểm của polymer dẫn đã được tổng hợp phát ra ánh sáng ngang qua phổ phát xạ vùng quan sát đựơc và có hệ số lượng tử cao. Cách tính đơn giản nhất để tạo ra PLED (polymer light emitting diode) là một cấu trúc gồm có nền thuỷ tinh phủ ITO như anôt dẫn điện trong suốt, lớp polymer SiO2-insulate Au Au Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 18 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH ở ngoài và ca tốt kim loại, những lỗ trống điện tử được thêm vào bởi cation và anion tương ứng trên lớp polymer phát quang. 5.6. Sensor. Sensor cung cấp thông tin trực tiếp về thành phần hoá học và môi trường. Nó gồm những thay đổi vật lý và lớp có khả năng chọn lọc. Trong một vài sensor quá trình thay đổi được chia thành hai phần: chọn lọc và nhận dạng, khuếch đại nó và làm tăng tín hiệu của năng lượng tới mức mà tại đó có thể thuận tiện để phát ra tín hiệu dòng. Khả năng chọn lọc chính là trái tim của sensor nó cung cấp các tương tác chọn lọc của các dạng thay thế và kết quả là dẫn đến thay đổi thông số của dòng, độ dẫn, cường độ sáng, khối lượng, nhiệt độ… sensor dựa trên polymer dẫn đã được chứng minh là có thể áp dụng thành công. Polypyrrole và polythiopheno chỉ ra sự thay đổi độ dẫn khi tiếp xúc với cả khí oxy hóa và khí khử. 5.7. Thiết bị đổi màu điện tử. Thiết bị đổi màu điện tử sử dụng polymer dẫn đã và đang là vấn đề nghiên cứu cho nhiều ứng dụng thực tế. Trong quá trình nghiên cứu về polymer dẫn các nhà khoa học thấy rằng có một số polymer có sự thay đổi màu sắc khi chuyển từ dạng oxy hoá này sang dạng oxy hóa khác hoặc dạng khử. Do đó bằng cách thay đổi điện áp vào màng ta có thể thay đổi trạng thái của màng polymer và từ đó thay đổi màu sắc của màng … Ngoài ra polymer dẫn còn có những tính chất rất đặc biệt như tính từ, tính siêu dẫn và rất nhiều đặc tính khác cần nghiên cứu và khảo sát thêm…. Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 19 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH KẾT LUẬN Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, nhằm đáp ứng cho nhu cầu ngày đa dạng về mọi mặt con người đã tạo ra được các loại vật liệu tiên tiến, thông minh. Trong đó vật liệu polymer dẫn điện là một sản phẩm điển hình. So với các loại vật liệu dẫn điện truyền thống polymer dẫn điện có nhiều tính chất ưu việt hơn đặc biệt là tính thân thiện với môi trường. Tuy nhiên trong thực tế thì polymer dẫn điện chỉ được sử dụng cho một số ứng dụng chứ không được sử dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày. Sở dĩ tồn tại nghịch lý này là bởi vì vật polymer dẫn điện là vật liệu mới được khám phá, thứ hai là do quá trình tổng hợp khá phức tạp. Chính vì điều này yêu cầu đặt ra là phải tìm ra các phương pháp tổng hợp các loại hợp chất dẫn điện đơn giản nhất. Hy vọng trong tương lai không xa polymer dẫn sẽ là vật liệu dẫn điện chính thay thế cho các kim loại dẫn diện truyền thống đang ngày càng cạn kiệt do sự khai thác quá mức của con người. Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 20 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. TS. Trương Văn Tân. Chuyên gia cao cấp Viện nghiên cứu công nghệ và Quốc phòng Úc. Điện tử  và và polymer dẫn điện. 2. TS. Trương Văn Tân. Chuyên gia cao cấp Viện nghiên cứu công nghệ và Quốc phòng Úc. Polymer dẫn điện và những áp dụng thực tiễn. 3. TS. Lê Minh Đức. Đại học Bách khoa Đà Nẵng. Tổng hợp vật liệu nano composite dạng vỏ - lõi trên cơ sở polymer dẫn điện – polypyrrole. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008. 4. 1 5. .pdf 6.