Tối ưu hóa quy trình chuyển màng graphene lên một số loại đế định hướng ứng dụng làm điện cực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRẦN THỊ YẾN NGỌC TỐI ƯU HÓA QUY TRÌNH CHUYỂN MÀNG GRAPHENE LÊN MỘT SỐ LOẠI ĐẾ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC Ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: TS TRẦN NĂM TRUNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Tối ưu hóa quy trình chuyển màng graphene lên một số loại đế định hướng ứng dụng làm điện cực” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi trong thời gian qua Các số liệu, kết quả trình bày trong đề án này là hoàn toàn trung thực và không sao chép hay sử dụng kết quả từ các đề tác khác Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về tính trung thực trong thông tin sử dụng trong công trình nghiên cứu này LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Trần Năm Trung, Bộ môn Vật lý – Khoa học Vật liệu, Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn, người đã trực tiếp và tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành tốt đề án này Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn đã giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề án này Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các cán bộ của Trường Đại học Quy Nhơn đã cho phép tôi sử dụng cơ sở vật chất và trang thiết bị trong quá trình thực hiện các công việc thực nghiệm Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới những người thân trong gia đình, tất cả bạn bè thân thiết đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề án này Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên Trần Thị Yến Ngọc MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục tiêu nghiên cứu 3 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 4 Phương pháp nghiên cứu 3 5 Cấu trúc của đề án 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5 1.1 Tổng quan về vật liệu graphene 5 1.1.1 Cấu trúc của graphene 5 1.1.2 Tính chất của graphene 6 1.1.2.1 Tính chất điện 6 1.1.2.2 Tính chất nhiệt 7 1.2.2.3 Tính chất cơ 8 1.2.2.4 Tính chất quang 8 1.2 Các phương pháp chuyển màng graphene 8 1.2.1 Chuyển ướt (Wet transfer) 8 1.2.2 Chuyển qua trung gian bong bóng 9 1.2.2.1 Chuyển bong bóng điện hóa (Electrochemical bubble transfer) 9 1.2.2.1 Chuyển bong bóng không điện hóa (Non - Electrochemical bubble transfer) 10 1.2.3 Chuyển khô (Dry transfer) 11 1.2.4 Chuyển cuộn sang cuộn (R2R: Roll-to-roll transfer) 11 1.3 Ứng dụng của graphene 12 1.3.1 Graphene – Transistor hiệu ứng trường 12 1.3.2 Màng dẫn điện trong suốt 13 1.3.3 Cảm biến điện hóa và cảm biến sinh học 14 1.3.4 Pin Lithium 14 1.3.5 Siêu tụ 14 1.3.6 Vật liệu graphene – composite 15 1.4 Các nghiên cứu trước đây về graphene 15 CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 18 2.1 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm 18 2.1.1 Thiết bị, dụng cụ 18 2.1.2 Hóa chất 20 2.2 Quy trình chuyển màng graphene bằng phương pháp chuyển ướt 20 2.3 Thực nghiệm chuyển màng graphene bằng phương pháp chuyển ướt 22 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Hình thái và tính chất của màng graphene 29 3.1.1 Hình thái bề mặt của màng graphene trên đế SiO2/Si 29 3.1.2 Hình thái bề mặt của màng graphene trên đế thủy tinh 32 3.2 Cấu trúc của màng graphene 34 3.3 Tính chất điện của màng graphene 36 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 38 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Việt Tên tiếng Anh Scanning Electron SEM Kính hiển vi điện tử quét Microscopy Chemical Vapor CVD Lắng đọng pha hơi hóa học Deposition Polymethyl Metacrylate PMMA Kính hiển vi quang học Graphene Gr Đặc trưng dòng điện – điện Optical Microscopy OM thế Đồng Curent – Voltage Curves I-V Diode phát quang Copper Cu Light Emitting Diode LED Indium Tin Oxide ITO Fluorine-doped Tin Oxide FTO DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 Thống kê độ dẫn nhiệt của một số vật liệu 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1 1 Graphene là vật liệu gốc của các dạng thù hình của carbon: (a) Graphene cấu trúc 2D, (b) Fullerence (0D), (c) Carbon nanotube (1D), (d) Graphite (3D) [7] 5 Hình 1 2 Các liên kết của nguyên tử carbon trong mạng graphene [8, 9] 5 Hình 1 3 Minh họa sơ đồ quy trình chuyển graphene từ đế Cu lên đế mới bằng phương pháp chuyển ướt [11] 9 Hình 1 4 Quy trình chuyển bong bóng điện hóa [12] 9 Hình 1 5 Quy trình chuyển bong bóng không điện hóa [12] 11 Hình 1 6 Quy trình chuyển khô [12] 11 Hình 1 7 Quy trình chuyển cuộn sang cuộn [12] 12 Hình 1 8 Cấu trúc của graphene [17] 13 Hình 1 9 Cấu tạo của OLED sử dụng graphene làm lớp điện cực trong suốt [20] 13 Hình 2 1 Một số thiết bị được sử dụng làm thí nghiệm: (a) Cân phân tích, (b) Máy khuấy từ, (c) Máy khuấy từ gia nhiệt, (d) Đồng hồ vạn năng 18 Hình 2 2 Tủ sấy Memmert 19 Hình 2 3 Lò nung dạng ống Nabertherm 19 Hình 2 4 (a) Graphene trên đế đồng, (b) Đế SiO2/Si và đế thủy tinh 20 Hình 2 5 Một số hóa chất sử dụng làm thí nghiệm: (a) FeCl3, (b) (NH4)2S2O8, (c) Acetone 20 Hình 2 6 Sơ đồ quy trình chuyển màng graphene lên đế SiO2/Si 21 Hình 2 7 Quá trình ăn mòn bằng dung dịch (NH4)2S2O8: (a) lúc mới ăn mòn, (b) sau khi ăn mòn 20 phút, (c) sau khi ăn mòn 30 phút 23 Hình 2 8 Quá trình ăn mòn bằng dung dịch FeCl3: (a) lúc mới ăn mòn, (b) sau khi ăn mòn 20 phút, (c) sau khi ăn mòn 30 phút 23 Hình 2 9 Quá trình làm sạch và loại bỏ dung dịch ăn mòn bằng nước DI 24 Hình 2 10 Màng PMMA/Gr được chuyển lên đế SiO2/Si và đế thủy tinh 25 Hình 2 11 PMMA/Gr/SiO2/Si và PMMA/Gr/thủy tinh sau khi được sấy khô và bám chặt vào đế 25 Hình 2 12 Lò nung được cài đặt từ 30 oC tới 120 oC 26 Hình 2 13 Lò nung được cài đặt nung tại 120 oC 27 Hình 2 14 Lò nung được cài đặt giảm từ 120 oC xuống nhiệt độ phòng 27 Hình 2 15 Quy trình loại bỏ PMMA bằng dung dịch acetone: (a), (b) PMMA/graphene/SiO2/Si đặt trong dung dịch acetone, (c) PMMA/graphene/thủy tinh được lắc nhẹ trong dung dịch acetone để rửa sạch PMMA 27 Hình 2 16 Mẫu graphene/SiO2/Si và graphene/thủy tinh sau khi được sấy khô 28 Hình 3 1: Ảnh chụp mẫu graphene trên đế SiO2/Si: (a) Trước khi loại bỏ PMMA, (b) không xử lý nhiệt và (c-g) xử lý nhiệt tại các nhiệt độ (c) 90 oC, (d) 120 oC, (e) 150 oC và (g) 180 oC 29 Hình 3 2: Ảnh SEM của các mẫu PMMA/graphene/SiO2/Si: (a) không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại nhiệt độ (b) 90 oC, (c) 120 oC, (d) 150 oC và (e) 180 oC Ảnh OM của các mẫu graphene/SiO2/Si: (f) không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại nhiệt độ (g) 90 oC, (h) 120 oC, (i) 150 oC và (j) 180 oC 30 Hình 3 3: Ảnh chụp và ảnh hiển vi quang học của mẫu graphene trên đế thủy tinh (a, d) không xử lý nhiệt, (b, e) xử lý nhiệt tại 120 oC và (c, g) xử lý nhiệt tại 180 oC 33 Hình 3 4: Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng graphene trên đế SiO2/Si khi không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại nhiệt độ 120 oC 34 Hình 3 5: Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng graphene trên đế thủy tinh khi không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại nhiệt độ 120 oC 36 Hình 3 6: Phổ mật độ dòng điện – điện thế của các mẫu màng graphene trên đế SiO2/Si khi không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại nhiệt độ 120 oC 37 1 MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Ngày nay, sự phát triển của khoa học và công nghệ dần trở thành một xu thế mạnh mẽ của thế giới, điều này đã và đang mang đến cho nền công nghiệp điện tử cũng như cuộc sống con người những diện mạo và thành tựu mới Khoa học và công nghệ ngày càng phát triển vì nó có tiềm năng ứng dụng rộng rãi và được dự đoán sẽ có ảnh hưởng to lớn đến tất cả các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật cũng như đời sống hằng ngày trong nền kinh tế thế kỷ 21 Trong đó, đặc biệt phải nhắc đến công nghệ nano Sự ra đời của công nghệ nano đã mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới cho ngành công nghiệp điện tử với các thành phần mới có kích thước nano khi công nghệ điện tử truyền thống tiếp cận những hạn chế về kích thước vi mô Cùng với sự phát triển của công nghệ nano, nhiều loại vật liệu nano mới được ra đời, trong đó graphene là vật liệu có tính chất ưu việt và thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu Lý thuyết về graphene đã bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1940 Năm 2004, những tấm graphene đầu tiên được tách thành công từ bột graphite và đến năm 2010, giải thưởng Nobel danh giá nhất của khoa học đã được trao cho hai nhà khoa học Konstantin S Novoselov và Andre K Geim thuộc Trường Đại học Manchester nước Anh 1 Kể từ khi được phát hiện, graphene đã thể hiện nhiều tính chất hấp dẫn và vô cùng lý thú mà những vật liệu khác không thể có được bao gồm: độ linh động điện tử ở nhiệt độ phòng (250.000 cm2/Vs) 1, độ dẫn nhiệt cao nhất so với tất cả loại vật liệu đã biết (hơn 5.000 W/mK ở nhiệt độ phòng) 2, modulus đàn hồi cao (đạt 1 TPa)3, … Graphene cực mỏng, chỉ hấp thụ khoảng 2,3% ánh sáng khả kiến nên graphene trong suốt đối với mắt người, nhờ có tính chất này nên graphene có thể được sử dụng làm màng dẫn điện trong suốt trong nhiều ứng dụng như màn hình cảm ứng, điện cực cho đèn LED (Light Emitting Diode), điện cực cho pin