1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
PHẠM THỊ LUẬN
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT
MỘT SỐ MÀNG DẪN NANO, ỨNG DỤNG LÀM LỚP TIẾP XÚC
ĐIỆN CỰC TRONG CHẾ TẠO ĐIODE PHÁT QUANG HỮU CƠ
(OLED) LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hà Nội – 2012
5
MỤC LỤC
Lời cảm ơn i
Lời cam đoan ii
Mục lục iii
Danh mục các từ viết tắt vi
Danh mục các bảng vii
Danh mục các hình vẽ viii
Mở đầu 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIODE PHÁT QUANG HỮU CƠ
(OLED) 2
1.1. Vật liệu bán dẫn hữu cơ 2
1.1.1. Giới thiệu chung 2
1.1.2.Polyme cấu trúc nối đôi liên hợp 4
1.1.3. Cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn hữu cơ 5
1.1.4. Tính chất điện 6
1.1.5. Tính chất quang 8
1.1.6. Polyme dẫn PVK và MEH-PPV 10
1.1.7. PEDOT và các dẫn suất 11
1.2. TiO
2
2.10. Hệ đo đặc trưng I-V 35
Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 37
3.1. Nghiên cứu chế tạo và khảo sát màng nano particle cluster TiO
2
37
3.1.1. Cấu trúc hình thái học bề mặt màng nano particle cluster TiO
2
38
3.1.2. Phổ truyền qua của màng nano particle cluster TiO
2
38
3.2. Nghiên cứu chế tạo tổ hợp nano composite CNTs và PEDOT – PSS 39
7
3.2.1. Tinh chế và biến tính CNTs 39
3.2.2. Cấu trúc hình thái học của tổ hợp nano composite CNTs và
PEDOT-PSS 40
3.2.3. Độ dẫn của tổ hợp nano composite CNTs và PEDOT – PSS 41
3.3. Nghiên cứu chế tạo OLED sử dụng các lớp tiếp xúc điện cực. 41
3.3.1. OLED cấu trúc đa lớp sử dụng lớp tiếp xúc điện cực màng nano particle
cluster TiO
2
41
3.3.2. OLED cấu trúc đa lớp sử dụng lớp tiếp xúc điện cực màng
PEDOT-PSS+CNTs 44
3.3.3. OLED cấu trúc đa lớp sử dụng kết hợp các lớp tiếp xúc điện cực màng
PEDOT-PSS+CNTs và màng nano particle cluster TiO
2
45
Highest Occupied Molecular
Orbital
Vùng quỹ đạo phân tử được
điền đầy cao nhất
HTL
Hole Transport Layer
Lớp truyền dẫn lỗ trống
ITO
Indium Tin Oxide
Oxit của Indium và thiếc
LUMO
Lowest Unoccupied Molecular
Orbital
Vùng quỹ đạo phân tử được
điền đầy thấp nhất
MEH-PPV
poly[2-methoxy-5-(2′-
ethylhexyloxy)-1,4-
phenylenevinylene
MWCNTs
Multiple Wall Carbon Nano
Tubes
Ống Nano Cacbon đa tường
PEDOT:PSS
Poly(3,4-
ethylenedioxythiophene)
9 10
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Alan Heeger, Alan MacDiarmid qua
Hình 1.2. polyacetylene (PA).
Hình 1.3.
Hình 1.4.
Hình 1.5.
Hình 1.6.
Hình 1.7.
Hình 1.8. C.
Hình 1.9.
Hình 1.10.
Hình 1.11. --
PPV.
Hình 1.12.2
Hình 1.13.
Hình 1.14. -PPV.
Hình 1.15. -
Hình 1.16. TiO
2
Hình 2.14.
Hình 2.15.
Hình 2.16-SEM (HITACHI S-4800)
Hình 2.17. Autolab PGS-12
Hình 3.1. -
Hình 3.2-
12
Hình 3.3.
2
.
Hình 3.4.
Hình 3.5.
Hình 3.6. --PSS:CNTs (b).
Hình 3.7. --PPV/Al
Hình 3.8. --PSS/PVK+MEH-PPV/TiO
2
/Al
Hình 3.9. --PSS+CNTs/PVK+MEH-
Hình 3.10. --PSS+CNTs/PVK+MEH-
PPV/TiO
2
/Al
13
MỞ ĐẦU
Điốt phát sáng hữu cơ (OLED) đang là hướng nghiên cứu hấp dẫn, được
nhiều nhà khoa học quan tâm bởi những ứng dụng mà nó mang lại. So với điốt phát
sáng thông thường (LED), OLED có những ưu thế vượt trội như bền, nhẹ, hiệu suất
Một đặc tính chung quan trọng của polymer là tính không dẫn điện, bởi vậy
đây là vật liệu cách điện rất hữu hiệu. Trong ý nghĩa polymer/plastic là một chất
cách điện, do đó thuật ngữ "polymer dẫn điện" có thể làm nhiều người ngỡ ngàng.
Thật ra, hơn ba mươi năm trước các nhà khoa học đã tổng hợp và phát hiện ra khả
năng dẫn điện của một loại polymer đặc biệt là polyacethylene (PA). Năm 2000,
Viện Hàn Lâm Khoa Học Thụy Điển đã trao giải thưởng Nobel Hoá Học cho nhà
khoa học Shirakawa, MacDiarmid và Heeger () với sự khám phá và nghiên
cứu về polymer dẫn điện (electrically conducting polymers).
Hình 1.1. Alan Heeger, Alan MacDiarmid qua
15 Hình 1.2. polyacetylene (PA).
Năm 1975, tiến sĩ Shirakawa Hideki, giảng viên của Tokyo Institute of
Technology (Nhật Bản) trường, đã tổng hợp được polyacethylene (PA) theo
phương pháp thổi khí acethylene qua một chất xúc tác. Mặc dù chỉ là kết quả của
một lầm lỡ nhưng PA mà Shirakawa tạo ra ở dạng phim màu bạc năm 1975 tuy
chưa dẫn điện nhưng đã tạo ra một bước đột phá rất ngoạn mục.
Sự kiện này bị bỏ quên cho đến một năm sau (1976) khi giáo sư Alan
MacDiarmid (Đại học Pennsylvania) đến thăm phòng thí nghiệm của Shirakawa.
Hình 1.3. độ rộng vùng cấm
1.1.2. Polyme cấu trúc nối đôi liên hợp
17
Các polymer có cấu trúc nối liên hợp (…- C = C - C = C -…) như
polyacethylene (PA), polypyrrole (PPy), polyaniline (PAn), polythiophene (PT),
poly (phenylene vinylene) (PPV) v.v và các polymer dẫn xuất. Trong các polyme
này, liên kết giữa các nguyên tử cacbon tạo thành khung cacbon có các liên kết đôi
và liên kết đơn xen kẽ, hình thành các liên kết π chạy dọc theo khung cacbon (
1.4a). Các điện tử π không định chỗ đó lấp đầy toàn dải nên các polyme liên hợp có
tính chất như là các chất bán dẫn. Dải liên kết π bị lấp đầy được gọi là obital phân
tử điền đầy cao nhất (HOMO), và dải π* trống được gọi là obital phân tử không
điền đầy thấp nhất (LUMO). Hệ thống liên kết π này khi bị kích thích thì một điện
tử sẽ nhảy từ mức HOMO lên mức LUMO [28].
Hình 1.6.
ng. CB-Conduction band (di dn), VB-Valence band (d) [10].
Quá trình doping gây nên sự biến đổi của độ rộng vùng cấm làm xuất hiện
trạng thái polaron tạo ra bậc năng lượng mới trong độ rộng vùng cấm. Khi dopant
được sử dụng ở nồng độ cao polaron cũng gia tăng và khi hai polaron gần nhau sẽ
tạo thành bipolaron. Ở nồng độ cao hơn nữa, mạch polymer xuất hiện càng nhiều
bipolaron, các bậc năng lượng hình thành bởi sự hiện diện của bipolaron sẽ hòa vào
nhau thành hai dải năng lượng bipolaron.
19
1.1.4. Tính chất điện
dp:
bản của sự dẫn điện trong polymer là: (1) nối đôi liên hợp và (2) dopant. Thiếu đi
một trong hai yếu tố đó thì sự dẫn điện không xảy ra.
ng:
Thông thường, độ linh động của bán dẫn hữu cơ được xác định từ phương
pháp “Time-of-filight” (TOF): một xung ánh sáng hẹp tạo ra một lớp hạt tải gần
20
một điện cực. Dưới tác dụng của điện trường, các hạt tải chuyển động ngang qua
lớp bán dẫn hữu cơ về phía điện cực còn lại. Thời gian chuyển vận
t
ngang qua
mẫu là độ linh động:
t
L
(1.1)
Biểu thức độ linh động của bán dẫn hữu cơ thu được từ thực nghiệm có
dạng như sau:
0
0
11
expE B E
kT kT kT
Hình 1.8. C
Khi xét đến quá trình hấp thụ của polymer bán dẫn, người ta thường chọn
quá trình chuyển mức -
*
.
21
Hấp thụ năng lượng của phôton, phân tử nhảy lên chiếm một trong các mức
của trạng thái kích thích điện tử. Trạng thái này gọi là trạng thái singlet. Huỳnh
quang xảy ra khi phân tử trở về trạng thái cơ bản từ trạng thái kích thích singlet
bằng cách phát ra một photon. Nếu không giải phóng năng lượng bằng photon,
chúng sẽ tiêu hao vào việc rung động và va chạm với các phân tử khác. Tuy nhiên, spin của một electron kích thích có thể bị đảo ngược, để đưa
phân tử lên trạng thái kích thích triplet. Trạng thái triplet có năng lượng điện tử
thấp hơn singlet. Một phân tử ở mức rung động cao của trạng thái triplet có thể
Hình 1.11. --
PPV.
Từ . nhận thấy phổ quang-huỳnh quang bị dịch hẳn một đoạn về
phía bước sóng dài so với phổ hấp thụ. Mặt khác, ta cũng nhận thấy phổ điện-
huỳnh quang và quang-huỳnh quang của PPV gần như trùng nhau về hình dạng.
Ngược lại, điện-huỳnh quang và quang-huỳnh quang của một số polymer
dẫn lại không trùng nhau [10]. thể hiện phổ điện-huỳnh quang và quang-
huỳnh quang của TAPC (1,1-bis[4-(di-p-tolyamino)]cyclohexane).
23
Hình 1.12.3
Một hiện tượng đáng quan tâm khác là phổ quang phát quang của dung dịch
polymer và màng mỏng polymer có những đặc điểm khác nhau. Phương pháp tạo
màng và dung môi có ảnh hưởng quan trọng đến trật tự của màng tạo thành, do đó
300
0
C. PVK được tạo màng bằng
phương pháp quay phủ li tâm hoặc bốc
bay nhiệt.
Hình 1.13.
24
thường được biến tính để tạo ra các dẫn xuất có tính chất lý hóa tốt, dễ dàng chế tạo
linh kiện, cho hiệu suất điện quang cao. Poly [2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-
phenylene-vinylene] (MEH-PPV) là một dẫn xuất điển hình của PPV thường được
sử dụng trong công nghệ OLED cũng như pin mặt trời. Phổ phát quang MEH-PPV
mở rộng từ bước sóng 500 – 650 nm và đạt cực đại tại bước sóng 585 nm (tương
ứng với ánh sáng đỏ cam) với độ rộng vùng cấm khoảng 1,8eV. Hình 1.14. -PPV.
1.1.7. PEDOT và các dẫn suất
Các vật liệu vừa có khả năng điện dẫn, vừa có khả năng quang dẫn đang
được nghiên cứu mạnh mẽ để ứng dụng chế tạo màn hình phẳng và các linh kiện
điện tử khác. Trong đó, PEDOT thể hiện sự trong suốt đến tuyệt vời đối với ánh
sáng trong vùng nhìn thấy, độ dẫn điện tốt và ổn định trong môi trường. Song cũng
giống như hầu hết các polymer dẫn khác, PEDOT không tan và rất khó hòa tan,
kết dính có thể làm giảm phẩm chất của màng. Hơn nữa, nhiều ứng dụng điện tử
không chấp nhận sự có mặt của độ ẩm [4].
1.2. TiO
2
và TiO
2
cấu trúc nano
1.2.1. Cấu trúc và tính chất của TiO
2
TiO
2
tồn tại dưới ba dạng tinh thể là rutile, anatase và brookite . TiO
2
là vật
liệu có tỷ trọng cao, chiết suất cao vượt trội, tính trơ tốt và gần như không màu.TiO
2
phổ biến ở hai dạng tinh thể Anatase và rutile. Rutile có mật độ là
4,2g/cc, còn của anatase là 3,9g/cc. Sự khác biệt này được giải thích là do chúng có
cấu trúc khác nhau. Cấu trúc của Rutile xếp chặt khít hơn tinh thể anatase.
(a)
Bảng 1.1. (a)
(b)
27 Tại khoảng nhiệt độ 915
O
C thì anatase bắt đầu chuyển sang pha rutile. Vì
vậy dạng rutile là phổ biến nhất trong hai dạng thù hình trên của TiO
2
, dạng anatase
rất hiếm gặp trong tự nhiên.
Trong cả hai dạng thù hình trên của TiO
2
thì chỉ có dạng Anatase thể hiện
tính hoạt động nhất dưới sự có mặt của ánh sáng mặt trời. Đó là do sự khác biệt về
cấu trúc vùng năng lượng của Anatase so với Rutile, dẫn đến một số tính chất đặc
biệt của Anatase.
1991 đến nay, chỉ trong thời gian ngắn CNTs đã có mặt trong rất nhiều những ứng
dụng khoa học và công nghệ nổi bật.
Ống nano cacbon (CNTs) là ống có cấu trúc hình trụ cấu tạo bởi các nguyên
tử cacbon, cấu trúc thành các vòng sáu cạnh. CNTs có thể được hình thành với tỉ lệ
chiều dài và đường kính lên tới 132.000.000:1[17]. CNTs có các tính chất nổi bật
Copyright: Tài liệu đại học ©