VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN

5/16/2018 VÂ ̣T LIÊ ̣U POLYMER DÂ ̃N ĐIÊ ̣N - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/vat-lieu-polymer-dan-dien 1/20

Bài tiể u luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN

GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨ C 1 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH

LỜ I 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 đượ c 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 đượ c tìm thấy. Vớ i sự phát triển của khoa học kĩ thuật, con ngườ i dần tìm ra đượ ccác 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 trườ ng. Ngày nay loại vật liệu này ngày càng đượ c sử rộng rãi trong các lĩnh vực

của cuộc sống như: trong công nghệ điện tử có rất nhiều sản phẩm đượ c 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

lượ ng bao gồm nguồn điện, siêu tụ điện hóa và trong lĩnh vực ăn mòn bảo vệ kim loại,...

Polymer dẫn có thể đượ c tổng hợ p bằng các phương pháp khác nhau như: phương

pháp hóa học, phương pháp vật lý, phương pháp điện hóa. Trong đó tổng hợ p bằng

phương pháp hóa học có nhược điểm là khó khống chế tốc độ của phản ứng, còn nếu tổng

hợ p 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 hợ p polymer dẫn bằng con đường điện hóa là phương

pháp đượ c dùng nhiều nhất.

“Tìm hiể u về polymer d ẫ n 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 giớ i hạn của tiểu luận ta chỉ tìm hiểu về cơ chế dẫn điện của polymer dẫn và

những ứng dụng của chúng hiện nay.





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 đượ c 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 d ẫn điện,

đảo nghịch của Ohm (S = 1/ )), dướ i nhiệt độ tớ i 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 trườ ng Tokyo Institute of Technology (Tokyo Kogyo Daigaku, Đại học Đông kinh Công nghiệp, Nhật Bản). Tiến

sĩ Shirakawa Hideki, giảng viên của trườ ng, là một chuyên gia về tổng hợ p polyacetylene

(PA) theo phương pháp thổi khí acetylene qua một chất xúc tác. Phương pháp dùng thể

khí để tổng hợ p cho ra một thể rắn (trong trườ ng hợ p này là polymer) là một phương

pháp công nghệ thông dụng để hình thành polyethylene (PE) và polypropylene (PP). Hai

polymer này đượ c tổng hợ p bằng cách thổi khí ethylene hoặc propylene vào chất xúc tác

Ziegler – Natta (Ti(OC 4 H 9)4 – (Al(C 2 H 5)3)). Shirakawa cũng dùng phương pháp này để tổng

hợ p bột PA.

Vào năm 1977, ngườ i 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 đượ c 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

vớ i Teflon: 10-16

S/cm; Silicon: 10-3

S/cm; Germanium: 1S/cm; đồng, sắt, bạc: 108

S/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 nơ i 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





đến 106S/cm. Khoảng cách giữa hai trị số 10-18 và 106 là 1 triệu tỷ tỷ lần. PA sau khi đượ c

dopant vớ i 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 đượ c 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 bở ivì 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 trườ ng xung quanh (environmental stability) khó có thể trở thành

những vật liệu hữu ích mang tính thực dụng.

Sau một năm làm việc vớ i 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 đượ c khảo

sát có hệ thống trong 30 năm qua. Thật ra, PPy dẫn điện đã đượ c một nhóm nghiên cứu

tại Úc (CSIRO) phát hiện vào năm 1963. PPy của nhóm này trộn lẫn vớ i iodine trong quá

trình tổng hợ p, cho ra một hỗn hợp có độ dẫn điện 1S/cm. Họ không nghĩ đượ c 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 tạpkhông 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.

Vớ i 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 ShirakawaHideki, Alan MacDiarmid và Alan Heeger.





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 thườ ng cho vào polymer các

chất phụ gia có độ dẫn điện lớn, như bột kim loại. Tuy nhiên, tính dẫn điện có đượ c

không xuất phát từ bản chất của vật liệu polymer mà từ các phụ gia thêm vào. Do đó,

chúng không đượ c 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 trườ ng (FETs),

tụ điện, pin mặt trờ i và các bộ chuyển tín hiệu trong các thiết bị điện tử. Trong các loại

thiết bị này, OLED và FETs đang đượ c 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 vớ i 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 vớ i Lewis axit.





Đa số các polymer có hệ thống điện tử liên hợ p 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 thườ ng

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 tí ch linh động trên gốc

cation (1b), theo thuật ngữ của vật lý chất rắn thì (1b) đượ c 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 trườ ng hợ p này, quá trình đưa vào mạch polymer một

điện đích dương đồng thờ i vớ i việc đưa vào một ion đối mang điện tích trái dấu.





Phương pháp thứ hai: Phương pháp này đượ c 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 đượ c xử lí bằng axít mạnh HX, cấu trúc (2c) và (2d) là hai cấu trúc cộnghưở ng.

Trong 2 phương pháp trên, việc tạo ra các điện tích trên mạch polymer luôn gắn liền

vớ i 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.





Hình 2.5: So sánh độ d ẫn điện của các vật liệu khác nhau.

2.3. Polymer dẫn điện thuần.

Tương phản vớ i 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 lượ ng miền cấm

(sau này đượ c 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 đượ c

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 đượ c 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 vớ i giá trị Eg nhỏ sẽ tạo ra đượ c

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 bướ c sóng từ tử ngoại đến khả kiến,

tính chất này đượ c ứng dụng trong các thiết bị làm việc trong vùng bướ c 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.





PHẦN 3

CƠ CHẾ DẪN ĐIỆN CỦA POLYMER DẪN

Để hiểu rõ hơn về cơ chế d ẫn điện của vật liệu polymer d ẫ n ta sẽ tìm hiể u về cơ

chế d ẫ n điện của kim loại và dung d ịch 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 trườ ng

chạy qua một đoạn dây dẫn thì dướ i tác dụng của lực điện trườ ng, các electron sẽ chuyển

động

(ngượ c chiều điện trườ ng) thành dòng tạo nên dòng điện.Vậy dòng điện trong kim

loại là dòng các electron tự do chuyển dời có hướng dướ i tác dụng của điện trườ ng.

Bản chất dòng điện trong dung d ịch 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 trườ ng trong dung dịch có chiều hướ ng từ A sang B. Điện trườ ng 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 chuyể n

của các electron t ự do

trong kim loại.

Hình 3.2. Sự di chuyể n

của các iôn trong dung

d ịch chất điện ly. Ví d ụ là

NaCl.





Qua đó ta thấy đượ c kim loại, dung dịch điện ly dẫn điện đượ c là do các electron tự

do (kim loại), các ion âm và ion dương (dung dịch điện ly) chuyển động thành dòng dướ i

tác dụng của lực điện trườ ng. 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 thànhdòng điện khi có tác dụng của lực điện trườ ng. 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

hợ p (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 hợ p.

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: C ấ u trúc của

Polyethylene

Hình 3.4: Trong PE sự lai hóagiữ a 1 obital s và 2 obital p cho ra

3 obital lai hóa sp2.





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 hợ p quan trọng.

Hình 3.7: C ấ u trúc của nhữ ng polymer mang nối đôi liên hợ p.

Hình 3.5: C ấ u trúc của

polyacetylene

Hình 3.6: Trong PA sự lai hóa giữ a 1

obital s và 2 obital p cho ra 3 obital lai

hóa sp2.





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 hợ p

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 hợ p vớ i 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.





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 (+ +) làbipolaron. Quang phổ học (spectroscopy) xác nhận rằng khi có một dòng điện đượ c 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.





PHẦN 4

PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢ P 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.





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.





PHẦN 5

MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA POLYMER

DẪN ĐIỆN

Polymer dẫn có liên kết liên hợ p trong hệ cho thấy những tính chất đặc trưng

như năng lượ ng 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 đượ c 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 vớ i 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 đượ c phát hiện ra nó đã đượ c ứng dụng vào làm chất bán dẫn vì có

khoảng cấm hẹp đã đượ c 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 vượ t

trội chiếm ưu thế đượ c khống chế bở i 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 đượ c giữ cân bằng mặc dù tồn tại

trường điện từ cao.





Chiang đã tạo ra những tiếp xúc P-N bở i áp suất tiếp xúc cao của màng polyacetylen

loại P vớ i phụ gia là Na và màng polyacetylen loại N vớ i phụ gia là NaAsF5.

Ta thấy khi có hai chất bán dẫn loại P-N tiếp xúc vớ i 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 đượ c khảo sát và ngườ i

ta nhận thấy sự tiếp xúc giữa N-P đượ c tạo ra trên bề mặt polymer. Composite Al-

polypyrrole đượ c tạo ra bằng phương pháp này đượ c 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 đượ c ứng dụng trong điều khiển logic và tạo ra tín hiệu ở

dạng số… Trong đó tiêu biểu là composite PAN- Au đườ ng 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





Thiết bị hiệu ứng trường đã đượ c ứng dụng để cải tiến hoạt động của thiết bị bán

dẫn thông thườ ng, hiệu ứng trườ ng 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 tượ ng này

không chỉ cung cấp các đặc tính của thiết bị mà còn cung cấp công cụ để nghiên cứu chấtbán dẫn và nó điều khiển dòng giữa nguồn và kênh dẫn qua cổng.

Hoạt động của transitor hiệu ứng trường đượ c sử dụng trong điều khiển logic.

5.5. Điốt phát quang.

Điốt phát quang polymer đã đượ c 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 đượ c sử dụng để thay thế cho vật liệu phát quang vô cơ, cho phép sử dụngtrên 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 bướ c sóng bị giớ i hạn bở i 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 lớ n màu sắc phát ra trong vùng trông thấy. Do đặc điểm của polymer

dẫn đã đượ c tổng hợ p phát ra ánh sáng ngang qua phổ phát xạ vùng quan sát đựơc và có

hệ số lượ ng 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, lớ p polymer

SiO2-insulate

Au Au





ở ngoài và ca tốt kim loại, những lỗ trống điện tử đượ c thêm vào bở i cation và anion

tương ứng trên lớ p polymer phát quang.

5.6. Sensor.

Sensor cung cấp thông tin trực tiếp về thành phần hoá học và môi trườ ng. Nó gồm

những thay đổi vật lý và lớ p có khả năng chọn lọc. Trong một vài sensor quá trình thay

đổi đượ c chia thành hai phần: chọn lọc và nhận dạng, khuếch đại nó và làm tăng tín hiệu

của năng lượ ng tớ i 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

lượ ng, nhiệt độ… sensor dựa trên polymer dẫn đã đượ c chứng minh là có thể áp dụngthành công. Polypyrrole và polythiopheno chỉ ra sự thay đổi độ dẫn khi tiếp xúc vớ i 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 nàysang 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….





KẾT LUẬN

Ngày nay cùng vớ i sự phát triển vượ t bậc của khoa học kỹ thuật, nhằm đáp ứng

cho nhu cầu ngày đa dạng về mọi mặt con người đã tạo ra đượ c các loại vật liệu tiên tiến,

thông minh. Trong đó vật liệu polymer dẫn điện là một sản phẩm điển hình. So vớ i 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 trườ ng. Tuy nhiên trong thực tế thì polymer dẫn điện chỉ

đượ c sử dụng cho một số ứng dụng chứ không đượ c sử dụng rộng rãi trong đờ i sống hằng

ngày. Sở dĩ tồn tại nghịch lý này là bở i vì vật polymer dẫn điện là vật liệu mới đượ c

khám phá, thứ hai là do quá trình tổng hợ p khá phức tạp. Chính vì điều này yêu cầu đặt ra

là phải tìm ra các phương pháp tổng hợ p các loại hợ p 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

ngườ i.





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. http://phanminhchanh.info/home/modules.php?name=News&op=viewst&sid=194

1

5. http://www.nsl.hcmus.edu.vn/greenstone/collect/tiensifu/archives/HASH96d3.dir/5

.pdf

6. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927796X00000292&usg=__8

http://phanminhchanh.info/home/modules.php?name=News&op=viewst&sid=1941




http://www.nsl.hcmus.edu.vn/greenstone/collect/tiensifu/archives/HASH96d3.dir/5.pdf








Documents

VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN