(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu tổng hợp các hệ vật liệu màng bán dẫn hữu cơ trên nền graphite và graphene

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN HUỲNH DƯƠNG TUYẾT LAN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CÁC HỆ VẬT LIỆU MÀNG BÁN DẪN HỮU CƠ TRÊN NỀN h GRAPHITE NHIỆT PHÂN ĐỊNH HƯỚNG CAO Chuyên ngành: VẬT LÝ CHẤT RẮN Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: TS PHAN THANH HẢI LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu tổng hợp hệ vật liệu màng bán dẫn hữu graphite nhiệt phân định hướng cao” kết nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu Học viên h Huỳnh Dương Tuyết Lan LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS Phan Thanh Hải tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, bảo động viên tơi hồn thành tốt luận văn Trong trình thực luận văn nhận nhiều quan tâm tạo điều kiện Thầy, Cô khoa Khoa học Tự nhiên Trường Đại học Quy Nhơn Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới quý Thầy, Cơ Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè tập thể lớp Cao học Vật lý chất rắn K22 ln động viên, khích lệ tinh thần suốt trình học tập nghiên cứu khoa học Mặc dù cố gắng thời gian thực luận văn cịn hạn chế kiến thức thời gian, kinh nghiệm nghiên cứu nên khơng h tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận thông cảm ý kiến đóng góp q báu từ q Thầy, Cơ để luận văn hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU VỀ GRAPHITE 1.1.1 Graphite 1.1.2 Graphite nhiệt phân (PG) graphite nhiệt phân định hướng cao (HOPG) 1.2 GIỚI THIỆU VỀ GRAPHENE h 1.2.1 Khái niệm graphene 1.2.2 Tính chất graphene 10 1.3 PHÂN TỬ DIAZONIUM 12 1.4 SỰ SẮP XẾP CỦA CÁC PHÂN TỬ HỮU CƠ TRÊN BỀ MẶT VẬT RẮN 14 1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU 15 1.5.1 Phương pháp qt vịng tuần hồn (CV) 15 1.5.2 Phương pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM) 17 1.5.3 Phương pháp đo Raman 19 1.5.4 Phương pháp quét tuyến tính (LSV) 23 1.5.5 Phương pháp hiển vi quét xuyên hầm lượng tử (STM) 23 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 27 2.1 CHUẨN BỊ DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT 27 2.2 QUY TRÌNH CHẾ TẠO HỆ VẬT LIỆU MÀNG 3,4,5-TMD/HOPG; 3,5TFD/HOPG VÀ 4-TYD/HOPG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤY GHÉP ĐIỆN HÓA 30 2.2.1 Chuẩn bị dung dịch làm việc 30 2.2.2 Chuẩn bị tế bào điện hóa điện cực làm việc 30 2.2.3 Quy trình tạo mẫu phương pháp cấy ghép điện hóa 31 2.2.4 Khảo sát trình bay hydro oxy 32 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 3.1 HỆ VẬT LIỆU MÀNG 3,4,5-TMD/HOPG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤY GHÉP ĐIỆN HÓA 33 3.1.1 Cấy ghép điện hóa phân tử 3,4,5-TMD bề mặt HOPG 33 3.1.2 Khảo sát tính chất điện hóa hệ vật liệu 3,4,5-TMD/HOPG 34 3.1.3 So sánh khả dẫn điện bề mặt HOPG bề mặt hệ vật liệu 3,4,5-TMD/HOPG nồng độ khác 36 h 3.1.4 Nghiên cứu tính bền vững hệ vật liệu 3,4,5-TMD/HOPG mơi trường điện hóa 37 3.1.5 Hình thái học bề mặt hệ vật liệu 3,4,5-TMD/HOPG 38 3.1.6 Kết đo Raman 41 3.2 HỆ VẬT LIỆU MÀNG 3,5-TFD/HOPG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤY GHÉP ĐIỆN HÓA 42 3.2.1 Cấy ghép điện hóa phân tử 3,5-TFD bề mặt HOPG 42 3.2.2 Khảo sát tính chất điện hóa hệ vật liệu 3,5-TFD/HOPG 43 3.2.3 So sánh khả dẫn điện bề mặt HOPG bề mặt hệ vật liệu 3,5-TFD/HOPG khoảng thời gian khác 44 3.2.4 Nghiên cứu tính bền vững hệ vật liệu 3,5-TFD/HOPG mơi trường điện hóa 45 3.2.5 Hình thái học bề mặt hệ vật liệu 3,5-TFD/HOPG 46 3.3 HỆ VẬT LIỆU MÀNG 4-TYD/HOPG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤY GHÉP ĐIỆN HÓA 47 3.3.1 Cấy ghép điện hóa phân tử 4-TYD bề mặt HOPG 47 3.3.2 Khảo sát tính chất điện hóa hệ vật liệu 4-TYD/HOPG 48 3.3.3 Nghiên cứu tính bền vững hệ vật liệu 4-TYD/HOPG mơi trường điện hóa 49 3.3.4 Hình thái học bề mặt hệ vật liệu 4-TYD/HOPG 51 KẾT LUẬN 52 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) h DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên đầy đủ 3,4,5-TMD 3,4,5-trimethoxyl diazonium 3,5-TFD 3,5-trifluoromethyl diazonium 4-TYD 1,2,4-Triazol-1-ylmethyl Nghĩa tiếng Việt diazonium AFM Atomic Force Microscopy Kính hiển vi lực nguyên tử STM Scanning Tunneling Microscope Kính hiển vi quét xuyên hầm lượng tử CV Cyclic Voltametry Quét vòng tuần hoàn LSV Linear Sweep Voltammetry Phương pháp quét tuyến tính h HOPG CE Highly Oriented Pyrolytic Graphite nhiệt phân có Graphite tính định hướng cao Counter Electrode Điện cực đối ( điện cực phụ trợ) RE Reference Electrode Điện cực so sánh WE Working Electrode Điện cực làm việc DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Cấu trúc graphite Hình 1.2 Hình ảnh SEM bề mặt graphite Hình 1.3 Các liên kết nguyên tử cacbon mạng graphene Hình 1.4 Cấu trúc graphene Hình 1.5 Các dạng thù hình cacbon: graphene, fullerene, ống nano carbon graphite Hình 1.6 Cấu trúc phân tử diazonium 13 Hình 1.7 Cấu trúc phân tử 3,4,5-TMD, phân tử 3,5-TFD phân tử 4-TYD 14 Hình 1.8 Nguyên tắc hoạt động hệ điện cực ( CE: điện cực phụ trợ, WE: điện cực làm việc, RE: điện cực so sánh) 16 Hình 1.9 Đường cong biểu diễn mối quan hệ i-E có peak đặc trưng, ip,a ứng với h Ep,a ip,c ứng với Ep,c 17 Hình 1.10 Kính hiển vi lực nguyên tử AFM 18 Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý làm việc kính hiển lực nguyên tử 19 Hình 1.12 Sơ đồ biến đổi Raman 21 Hình 1.13 Sơ đồ máy quang phổ Raman 22 Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý hệ đo Raman 22 Hình 15 Ngun tắc hoạt động kính hiển vi quét xuyên hầm (STM): Ub: điện bias; It: dòng điện xuyên hầm; Ux Uy: điện theo trục ngang - song song với bề mặt mẫu; Uz: điện theo trục dọc - vng góc với bề mặt mẫu 24 Hình 16 Chế độ làm việc STM; a) Dịng điện khơng đổi; b) Chiều cao không đổi 25 Hình 2.1 Điện cực HOPG 30 Hình 2.2 Hệ tế bào điện hóa phép đo CV 31 Hình 2.3 Thiết bị đo CV trường đại học Quy Nhơn 31 Hình 3.1 Thế qt vịng tuần hồn hệ vật liệu HOPG dung dịch 10 mM KCl + mM H2SO4 chứa phân tử 3,4,5-TMD với tốc độ quét dE/dt = 50mV/s 33 Hình 3.2 So sánh khả trao đổi electron hệ vật liệu HOPG 3,4,5TMD/HOPG sử dụng dung dịch thử 1mM K4Fe(CN)6 + 0,2 M Na2SO4; tốc độ quét dE/dt = 50mV/s 35 Hình 3.3 So sánh khả trao đổi electron hệ vật liệu HOPG 3,4,5TMD/HOPG nồng độ khác sử dụng dung dịch thử 1mM K4Fe(CN)6 + 0,2M Na2SO4; tốc độ quét dE/dt = 50mV/s 36 Hình 3.4 Đường cong LSV so sánh khả bay hydro oxy bề mặt hệ vật liệu HOPG 3,4,5-TMD /HOPG 38 h Hình 3.5 Kết đo AFM bề mặt hệ vật liệu 3,4,5-TMD/HOPG 39 Hình 3.6 Kết đo STM bề mặt hệ vật liệu 3,4,5-TMD/HOPG 40 Hình 3.7 Kết đo Raman phân tử 3,4,5-TMD 41 Hình 3.8 Thế qt vịng tuần hồn hệ vật liệu HOPG dung dịch 10 mM KCl + mM H2SO4 chứa phân tử 3,5-TFD; tốc độ quét dE/dt = 50mV/s 42 Hình 3.9 So sánh khả trao đổi electron hệ vật liệu HOPG 3,5TFD/HOPG sử dụng dung dịch thử 1mM K4Fe(CN)6 + 0,2 M Na2SO4; tốc độ quét dE/dt = 50mV/s 43 Hình 3.10 So sánh khả trao đổi electron hệ vật liệu HOPG 3,5TFD/HOPG thời gian khác sử dụng dung dịch thử 1mM K4Fe(CN)6 + 0,2M Na2SO4; tốc độ quét dE/dt = 50mV/s 44 Hình 3.11 Đường cong LSV so sánh khả bay hydro oxy bề mặt hệ vật liệu HOPG 3,5-TFD/HOPG khoảng thời gian khác 46 Hình 3.12 Kết đo AFM bề mặt hệ vật liệu 3,5-TFD/HOPG 47 Hình 3.13 Thế qt vịng tuần hồn hệ vật liệu HOPG dung dịch 10 mM KCl + mM H2SO4 chứa phân tử 4-TYD; tốc độ quét dE/dt = 50mV/s 48 Hình 3.14 So sánh khả trao đổi electron hệ vật liệu HOPG 4TYD/HOPG sử dụng dung dịch thử 1mM K4Fe(CN)6 + 0,2 M Na2SO4; tốc độ quét dE/dt = 50mV/s 49 Hình 3.15 Đường cong LSV so sánh khả bay hydro oxy bề mặt hệ vật liệu HOPG 4-TYD/HOPG 50 h Hình 3.16 Kết đo AFM bề mặt hệ vật liệu 4-TYD/HOPG 51