nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất màng mỏng nanocomposite trên cơ sở ống carbon nano ứng dụng trong chế tạo oled

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Duy Khanh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT MÀNG MỎNG NANOCOMPOSITE TRÊN CƠ SỞ ỐNG CARBON NANO ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO OLED KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kĩ thuật HÀ NỘI - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Duy Khanh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT MÀNG MỎNG NANOCOMPOSITE TRÊN CƠ SỞ ỐNG CARBON NANO ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO OLED KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kĩ thuật Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Phương Hoài Nam HÀ NỘI – 2011 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên cho phép em gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Ts. Nguyễn Phương Hoài Nam. Thầy không chỉ truyền đạt kiến thức mà còn tận tình chỉ bảo em từ những công việc đơn giản nhất trong những ngày đầu bắt tay vào làm khóa luận cho đến khi hoàn thành. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các anh, chị nghiên cứu viên tại các phòng thí nghiệm-Khoa Vật lý kỹ thuật & Công nghệ nano, Trường Đại học Công nghệ. Các anh, chị đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn em từ cách sử dụng máy móc cũng như cách làm việc của một người nghiên cứu khoa học. Em cũng xin gửi lời cảm ơn sự giúp đỡ đến từ Phòng chụp ảnh FESEM-Viện Khoa học và Công nghệ VN, Khóa Hóa-Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, hai đơn vị đã giúp đỡ em trong việc chụp hình và phân tích kết quả. Và cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến các thầy cô trong Khoa Vật lý kỹ thuật & Công nghệ nano nói riêng, các thầy cô giảng dạy tại Trường Đại học Công nghệ nói chung đã dìu dắt, nâng bước em trong suốt 4 năm học vừa qua. Đó quả là những tình cảm quý báu và những kỉ niệm mãi mãi đi theo em đến suốt cuộc đời. Bản khóa luận được hoàn thành với sự tài trợ kinh phí của đề tài NCKH cấp ĐHQG Hà Nội, mã số CN.10.08. Hà Nội, tháng 5-2011 Sinh viên Nguyễn Duy Khanh TÓM TẮT NỘI DUNG Ống nano cacbon (CNTs) ngoài những tính chất cơ học ưu việt còn thể hiện khả năng dẫn điện vượt trội. Mặc dù mới được phát hiện cách đây không lâu nhưng CNTs đã có mặt trong rất nhiều những nghiên cứu chuyên sâu và đã có những ứng dụng thưc tế quan trọng. PEDOT-PSS, một dẫn suất của PEDOT, là một polymer dẫn sử dụng nhiều trong công nghệ chế tạo OLED bởi khả năng dẫn điện cũng như cho ánh sáng truyền qua. Tổ hợp vật liệu composite giữa CNTs và PEDOT-PSS được dự đoán sẽ là một vật liệu composite mới thích hợp để chế tạo ra các loại màng mỏng có đặc tính dẫn và ánh sáng dễ dàng truyến qua. Vật liệu tổ hợp nanocomposite của PEDOT-PSS và CNTs với các tỷ lệ thành phần khối lượng khác nhau đã được nghiên cứu chế tạo. Màng mỏng trong suốt và có đặc tính dẫn đã được sử dụng làm lớp truyền lỗ trống trong công nghệ chế tạo OLED. Tổ hợp CNTs/PEDOT:PSS theo khối lượng có độ dẫn tốt nhất và độ truyền qua cao, đã được sử dụng chế tạo linh kiện OLED cấu trúc đa lớp. Các kết quả nghiên cứu cho thấy OLED sử dụng màng tổ hợp nanocomposite của PEDOT-PSS và CNTs có sự cải thiện rõ rệt về cường độ, hiệu suất cũng như độ ổn định và tuổi thọ của linh kiện. Lời cam đoan Khóa luận này được thực hiện với sự nghiêm túc, tỉ mỉ và cố gắng của tác giả. Tác giả cam đoan không sao chép bất cứ một tài liệu hay công trình nghiên cứu của người khác mà không trích dẫn. Tất cả các tài liệu tham khảo đã được trính dẫn cụ thể và rõ ràng trong bản khóa luận. MỤC LỤC Nguyễn Duy Khanh 1 2 2 Polythiophene 2 Hình 1. Cấu trúc phân tử của một vài polymer dẫn thông dụng 2 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CNTs Carbon Nano Tubes Ống nano cacbon EL Emission Layer Lớp phát ETL Electron Transport Layer Lớp truyền dẫn điện tử FESEM Field Emission Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FTIR Fourier Transform Infrared spectroscopy Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier HOMO Highest Occupied Molecular O rbital 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 O rbital 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) poly(styrenesulfonate) PVK poly(N-vinylkarbazone) SWCNTs Single Wall Carbon Nano Tubes Ống nano cacbon đơn tường TL Transport Layer Lớp truyền MỞ ĐẦU Điốt phát sáng hữu cơ (OLED) đang là đề tài hấp dẫn để nghiên cứu cho 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 phát sáng cao, màn hình bằng OLED cho góc nhìn rộng, sắc nét, có thể uốn cong, tiêu thụ điện năng ít…Chính vì những ưu điểm vượt trội so với LED thông thường nên hiện nay, rất nhiều hãng công nghệ quan tâm nghiên cứu và chế tạo. Cấu trúc của một OLED cơ bản (single device) gồm 3 phần chính: Điện cực anốt, điện cực catốt và lớp phát quang hữu cơ kẹp giữa hai điện cực. Thông thường điện cực anốt được sử dụng là màng ITO trong suốt có khả năng cho ánh sáng truyền qua. Lớp phát quang hữu cơ là các polymer dẫn như PPV; PPP; MEH- PPV hay các phân tử hữu cơ nhỏ như Alq 3 ; TPD…, lớp này chính là nơi xảy ra sự tái hợp của điện tử và lỗ trống và phát ra ánh sáng. Điện cực catốt được phủ trên lớp phát quang, lớp điện cực này thường được làm bằng kim loại chẳng hạn như Al. Với cấu trúc OLED đơn lớp như vậy, cường độ và hiệu suất phát sáng cũng như độ ổn định của linh kiện là không cao. Chính vì vậy các linh kiện OLED có cấu trúc đa lớp được quan tâm nghiên cứu và chế tạo nhằm khắc phục các nhược điểm của OLED cấu trúc đơn lớp. Việc nghiên cứu chế tạo và sử dụng các vật liệu có khả năng truyền dẫn điện tử và lỗ trống tốt làm các lớp truyền (TL) giữa điện cực và lớp phát quang trong chế tạo linh kiện đa lớp nhằm cải thiện sự tiếp xúc tại bề mặt phân chia pha và tăng cường sự dịch chuyển của các dòng hạt tải là hướng nghiên cứu đã và đang được quan tâm hiện nay, mang lại nhiều triển vọng ứng dụng thực tế cho OLED . Kể từ khi phát hiện năm 1991 đến nay, ống nanocacbon luôn là đề tài nóng thu hút các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn bởi những đặc tính ưu việt của nó. Các đặc tính đó là: độ bền cơ học cao, dẫn điện dẫn nhiệt tốt Trong nghiên cứu này, chúng ta sẽ lợi dụng tính dẫn điện siêu việt của nó để tạo lớp màng đệm cho OLED. Trong khi đó, PEDOT:PSS là một dẫn suất của PEDOT sử dụng nhiều trong chế tạo các linh kiện điện tử bán dẫn. Nếu như có thể tổ hợp được hai vật liệu này thành một vật liệu composite sẽ cho độ dẫn điện rất tốt, khả năng truyền quang cao có thể dùng làm lớp truyền dẫn hạt tải cho OLED và vì thế tăng khả năng làm việc cũng như cải thiện hiệu suất của OLED. Trên cơ sở đó, nội dung nghiên cứu của đề tài được xác định là: Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất màng mỏng nanocomposite trên cơ sở ống nano cacbon ứng dụng trong chế tạo OLED. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỐT PHÁT QUANG HỮU CƠ (OLED) 1.1. Vật liệu polymer dẫn 1.1.1. Giới thiệu chung về polymer dẫn Polymer dẫn là các polymer có hệ thống nối đôi liên hợp trong cấu trúc phân tử, đây là chất bán dẫn hữu cơ. Ưu điểm của polymer dẫn là dễ gia công, chủ yếu bằng cách hòa tan trong dung môi. PPV PPP Polythiophene Hình 1. Cấu trúc phân tử của một vài polymer dẫn thông dụng. Các hạt tải trong chất bán dẫn hữu cơ là điện tử và lỗ trống trong liên kết π. Sự truyền hạt tải trong chất bán dẫn hữu cơ phụ thuộc vào các quỹ đạo liên kết π và sự chồng chập của các hàm sóng cơ học lượng tử. Khả năng truyền hạt tại phụ thuộc vào khả năng các hạt tải vượt qua từ một phân tử này tới một phân tử khác. Các polymer truyền thống như polyethylene, các điện tử hóa trị được liên kết trong các liên kết hóa trị lai hóa sp 3 . Chẳng hạn như các điện tử liên kết sigma có độ linh động thấp và không góp phần vào quá trình dẫn điện. Tuy nhiên, đối với các polymer dẫn thì điều này lại hoàn toàn khác. Các polymer dẫn có các tâm cacbon lai hóa liền kề nhau sp 2 , mỗi điện tử hóa trị trên mỗi tâm cư trú trong quỹ đạo p z , liên kết này trực giao (vuông góc) với 3 liên kết sigma khác. Các điện tử trong các quỹ đạo dịch chuyển này có độ linh động cao khi vật liệu được pha tạp bởi quá trình oxi hóa. 2 [...]... học lên bề mặt của ống) để thêm các tính chất mới cho ống nano cacbon Đối với trường hợp SWCNT, chức năng hóa cộng hóa trị sẽ làm gẫy một số liên kết đôi C=C, để lại các lỗ trống trong cấu trúc của ống nano cacbon và thay đổi cả hai tính chất điện và cơ của chúng Trong trường hợp ống nano cacbon 2 tường, chỉ một tường ngoài được biến tính 1.2.2 Các tính chất 1.2.2.1 Độ bền cơ Ống nano cacbon là loại... hồng ngoại biến đổi Fourier sẽ được hiện thị trên màn hình máy tính cho người sử dụng Các mẫu CNTs biến tính và chưa biến tính được phân tích cấu trúc bằng phổ hồng ngoại FTIR thực hiện tại Khóa Hóa, Trường ĐHKHTN với nhãn hiệu máy GXPerkinElmer (USA) 2.2 Nghiên cứu chế tạo và xác định các đặc tính của màng nanocomposite PEDOT-PSS:MWCNTs 2.2.1 Chế tạo màng mỏng nanocomposite PEDOT-PSS:MWCNTs bằng phương... 3và Al sử dụng lớp đệm là màng Al 2O3 độ dày cỡ 2 nm để cản trở phân tán của nguyên tử nhôm vào Alq3 CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2.1 Nghiên cứu biến tính ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) bằng hỗn hợp axit HNO3 và H2SO4 2.1.1 Quy trình làm sạch và biến tính MWCNTs MWCNTs ban đầu ở dạng thô, cần phải làm sạch và biến tính nó Mục đích xử lý CNTs trong axit là loại bỏ các tạp chất. .. báo Khoảng cách giữa các lớp trong các ống nano cacbon đa tường gần bằng với khoảng cách giữa các lớp graphene khoảng 3,4 Å Trong các ống nano cacbon đa tường, ống nano cacbon hai tường được quan tâm bởi hình thái học và các tính chất rất giống với ống nano cacbon đơn tường nhưng điện trở và tính chất hóa học của chúng được cải thiện đáng kể Đây là tầm quan trọng đặc biệt khi chúng ta chức năng hóa nó... xạ phonon 1.3 Vật liệu tổ hợp nanocomposite PEDOT-PSS:CNTs PEDOT-PSS là một polymer dẫn, CNTs là một trong những chất dẫn điện tốt nhất hiện nay Kết hợp hai chất này tạo thành vật liệu composite của PEDOT-PSS và CNTs sẽ tạo ra một chất dẫn tốt được ứng dụng nhiều trong việc chế tạo ra các loại màng vừa có khả năng dẫn điện tốt vừa có khả năng cho ánh sáng đi qua Việc tạo màng composite PEDOT-PSS:CNTs... tốt Một trong những ứng dụng hữu ích của SWCNTs là được sử dụng trong transistors hiệu ứng trường (FET) Sản phẩm sử dụng trạng thái logic nội phân tử đầu tiên là dùng FET dựa trên SWCNTs đã thành công trong báo cáo gần đây[2] Để tạo ra một trạng thái logic chúng ta phải có cả p-FET và n-FET 1.2.1.2 Ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) 7 Ống nano cacbon đa tường bao gồm nhiều lớp graphite cuộn lại tạo thành... của OLED 13 1.4.1 Giới thiệu chung về OLED OLED (Organic light emitting diode) là điốt phát sáng hữu cơ mà ánh sáng phát ra từ lớp màng hữu cơ khi đặt một điện áp thích hợp vào hai cực của nó Lớp bán dẫn hữu cơ này được kẹp giữa hai điện cực, một trong hai điện cực là trong suốt để ánh sáng có thể truyền qua OLED đang rất được quan tâm nghiên cứu vì những ưu điểm của nó Thứ nhất, màng mỏng hữu cơ nhẹ... vùng năng lượng trong chất bán dẫn hữu cơ Trong chất bán dẫn hữu cơ, tồn tại hai vùng gọi là vùng quỹ đạo phân tử được điền đầy cao nhất (Highest Highest Occupied Molecular Orbital-HOMO) và vùng quỹ đạo phân tử được điền đầy thấp nhất (Lowest Unoccupied Molecular Orbital-LUMO) Hai vùng HOMO và LUMO này tương ứng giống như hai vùng hóa trị và vùng dẫn trong chất bán dẫn vô cơ Ở trạng thái cơ bản vùng HOMO... PEDOT và PEDOT-PSS n (a) (b) Hình 2 Công thức phân tử của PEDOT (a) và PEDOT-PSS (b) PEDOT là một polymer dẫn tạo thành từ các monomer 3,4ethylenedioxylthiophene (EDOT) PEDOT-PSS được sử dụng làm polymer dẫn điện và truyền quang với đặc tính mềm dẻo cho rất nhiều ứng dụng Do có độ dẫn cao, nó có thể sử dụng làm catot trong tụ điện PEDOT-PSS có thể tạo ra một màng mỏng dẫn bằng cách phân tán đều nó trên. .. so với màng mỏng vô cơ Thứ hai, màng mỏng hữu cơ có thể được phủ với một diện tích lớn trên bề mặt đế, do đó có thể sản xuất những màn hình hiển thị lớn Thứ ba, màng mỏng hữu cơ có tính dẻo dai về mặt cơ học, do đó có thể uốn cong, gập lại mà không ảnh hưởng tới thiết bị, thậm chí nếu có rơi xuống đất hay bị vật nặng rơi vào thì cũng khó có thể làm hỏng màn hình[10] Năm 1999, chiếc màn hình hữu cơ đầu . Nguyễn Duy Khanh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT MÀNG MỎNG NANOCOMPOSITE TRÊN CƠ SỞ ỐNG CARBON NANO ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO OLED KHÓA LUẬN TỐT. NGHỆ Nguyễn Duy Khanh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT MÀNG MỎNG NANOCOMPOSITE TRÊN CƠ SỞ ỐNG CARBON NANO ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO OLED KHÓA LUẬN TỐT