NGHIÊN CỨU CHUYỂN TIẾP DỊ CHẤT NANO ỨNG DỤNG TRONG CÁC LINH KIỆN QUANG HÓA ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU CHUYỂN TIẾP DỊ CHẤT NANO ỨNG DỤNG TRONG CÁC LINH KIỆN QUANG HÓA ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGHIÊN CỨU CHUYỂN TIẾP DỊ CHẤT NANO

ỨNG DỤNG TRONG CÁC LINH KIỆN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGHIÊN CỨU CHUYỂN TIẾP DỊ CHẤT NANO

ỨNG DỤNG TRONG CÁC LINH KIỆN

Lời cảm ơn

Khóa luận tốt nghiệp này được hoàn thành dưới sự giảng dạy và hướng dẫn trựctiếp của GS.TS Nguyễn Năng Định Với sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, em xinchân thành cảm ơn giáo sư về sự hướng dẫn tận tình trong thời gian thực hiên khóaluận Hơn nữa, trong suốt nhiều năm học tại khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano,thầy đã luôn giảng giải, truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích, dạy cho chúng emcách tư duy khoa học công nghệ một cách có hệ thống, hiệu quả và thực tế Tiếp theo,

em xin cảm ơn chị Nguyễn Minh Quyên, học viên cao học, cán bộ nghiên cứu của Bộmôn Vật liệu bán dẫn cấu trúc nanô về hướng dẫn quá trình thực nghiệm

Em xin cảm ơn tới các thày cô giáo và các cán bộ của trường Đại học Công nghệ

- Đại học Quốc gia Hà Nội đã giảng dạy, chỉ bảo tận tình và chu đáo, giúp em cónhững bài học rất bổ ích và tích lũy những kiến thức quý báu trong quá trình học tập

để hoàn thành khóa luận, đồng thời hoàn thiện những kiến thức khoa học cho côngviệc học tập và công tác sau này

Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ban chủ nhiệm, các thày cô giáo,các cán bộ của khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nanô, Phòng thí nghiệm công nghệNanô đã nhiệt tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu và hỗ trợ đắc lực em trong quátrình học tập và hoàn thành khóa luận

Cuối cùng, em xin được cảm ơn tới gia đình thương yêu, những người bạn cùnglớp đã luôn bên cạnh em, quan tâm và động viên em trong cuộc sống cũng như trongviệc hoàn thành tốt khoá luận này

Tóm tắt nội dung

Khóa luận tốt nghiệp trình bày kết quả nghiên cứu về công nghệ chế tạo và một

số tính chất của vật liệu chứa các chuyển tiếp dị chất nanô

Vật liệu màng đa lớp vô cơ WO3/TiO2/SnO2 với các chuyển tiếp dị chất vô cơ

-vô cơ TiO2/SnO2, WO3/TiO2 và vật liệu tổ hợp polymer nano TiO2 chứa các chuyểntiếp dị chất vô cơ - hữu cơ MEH-PPV/nc-TiO2 đã được chế tạo

Khảo sát tính chất điện sắc của hệ màng đa lớp WO3/TiO2/SnO2 bao gồm phổ

quét vòng (CV), đồ thị mật độ dòng thay đổi theo thời gian (I-t), phổ truyền qua in-situ

và phổ hiệu suất điện sắc cho thấy, linh kiện điện sắc chế tạo từ các lớp chuyển tiếp dịchất cho hiệu suất nhuộm màu và độ đáp ứng cao hơn hẳn so với linh kiện thôngthường Đối với vật liệu tổ hợp chứa vô cơ-hữu cơ với các chuyển tiếp dị chất (MEH-PPV/nc-TiO2) đã nhận được hiệu ứng dập tắt huỳnh quang khi kích thích bằng chùmtia photon có bước sóng 470 nm Cơ chế của hiệu ứng dập tắt huỳnh quang được giảithích do quá trình phân li hạt tải: điện tử chuyển động về phía điện cực trong suốtSnO2 qua chuyển tiếp MEH-PPV/nc-TiO2, còn lỗ trống - về điện cực kim loại Do đóvật liệu tổ hợp MEH-PPV/nc-TiO2 có thể ứng dụng làm chất quang dẫn hay vật liệucho pin mặt trời hữu cơ (OSC)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Khóa luận không có sựsao chép tài liệu, công trình nghiên cứu của người khác mà không chỉ rõ trong mục tàiliệu tham khảo Những kết quả và các số liệu thực nghiệm trong khóa luận chưa được

ai công bố dưới bất kỳ hình thức nào Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường

về sự cam đoan này

MỤC LỤC

Mở đầu 1

Chương 1: Một số vật liệu quang điện tử vô cơ và hữu cơ chứa các chuyển tiếp khác nhau 3

1.1 Cấu trúc vùng năng lượng của một số chuyển tiếp 3

1.2 Vật liệu và linh kiện điện sắc 5

1.3 Cấu trúc và tích chất quang của TiO2 6

1.4 Polymer dẫn 8

1.4.1 Cấu trúc vùng năng lượng của polymer dẫn 9

1.4.2 Cơ chế truyền năng lượng 12

1.4.3 Pin mặt trời hữu cơ (OSC) 13

Chương 2: Thực nghiệm chế tạo mẫu 14

2.1 Vật liệu chứa chuyển tiếp dị chất vô cơ/vô cơ (WO3/nc-TiO2) 14

2.2 Vật liệu chứa chuyển tiếp dị chất hữu cơ/vô cơ (MEH-PPV/nc-TiO2) 15

2.3 Các phương pháp nghiên cứu sử dụng 16

2.2.1 Phổ quang học 16

2.2.2 Phổ quang huỳnh quang 17

2.2.3 Phương pháp đo đặc trưng điện hoá 18

Chương 3: Kết quả và thảo luận 22

3.1 Chuyển tiếp dị chất vô cơ/vô cơ 22

3.2 Chuyển tiếp dị chất vô cơ / hữu cơ 29

Kết luận 33

Tài liệu tham khảo 34

Danh mục các từ viết tắt

CV Cyclic votammetry ( điện thế quét vòng )

MEH- PPV

Poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene]

Mở đầu

Các linh kiện vi điện tử, quang điện tử và quang tử càng ngày càng được giảmthiểu về kích thước và nâng cao hiệu suất Đó là nhờ có sự phát triển rất nhanh củacông nghệ micro và nano Với việc chế tạo các lớp chuyển tiếp khác nhau chúng ta cóthể tạo ra các loại linh kiện quang điện tử khác nhau Ví dụ, các chuyển tiếp p-n, p-n-p,n-p-n,… trong chất bán dẫn (Si hay Ge) tạo ra linh kiện bán dẫn như điôt chỉnh lưu,transistor Từ các chất bán dẫn hai hay ba thành phần từ các vật liệu GaP, GaAs,GaInP,… các chuyển tiếp tương tự tạo ra điôt phát quang (LED), laser bán dẫn, … Đó

là các chuyển tiếp dị thể (từ một chất bán dẫn cùng cấu trúc tinh thể tạo ra các chất loại

n hay p) Các chuyển tiếp dị chất được hiểu là biên tiếp xúc của hai hay ba loại vật liệukhác nhau về cấu trúc tinh thể và thành phần cấu tạo, thí dụ biên tiếp xúc của kim loại

- ôxit - bán dẫn (MOS) hay biên tiếp xúc của chất vô cơ - hữu cơ/polymer Các chuyểntiếp dị chất, đặc biệt là chuyển tiếp dị chất cấu trúc nanô có những tính chất mới lí thú,

từ các chuyển tiếp này có thể tạo ra nhiều linh kiện kích thước nhỏ, năng lượng tiêuthụ thấp và hiệu quả cao Nhất là trong tình hình năng lượng toàn cầu hiện nay việcnghiên cứu chế tạo ra các linh kiện tiêu thụ ít năng lượng, hiệu suất cao, thân thiện môitrường và đặc biệt là tận dụng được nguồn năng lượng dồi dào của mặt trời là hướng điđược ưu tiên hang đầu Đề tài: “ Nghiên cứu chuyển tiếp dị chất nano ứng dụng trongcác linh kiện quang –hóa-điện tử ” là một dòng chảy đóng góp vào biển lớn của khoahọc công nghệ thế kỷ XXI

Với mục đích nghiên cứu, tìm kiếm một số tính chất mới của vật liệu chứa cácchuyển tiếp dị chất cấu trúc nano chúng tôi chế tạo hai loại chuyển tiếp dị chất: vô cơ /

vô cơ (WO3/nc-TiO2) và vô cơ / hữu cơ (MEH-PPV/nc-TiO2), trong đó nc-TiO2 là kíhiệu của các hạt ôxit titan có kích thước nano (trung bình 20 nm) Nghiên cứu và đánhgiá tính chất của các chuyển tiếp dị chất nano này đã cho thấy chúng có khả năng ứngdụng cao cho việc chế tạo các linh kiện với hiệu suất cao hơn, đáp ứng được các nhucầu thực tiễn Ứng dụng làm lớp truyền hạt tải trong pin mặt trời hữu cơ sẽ tăng khảnăng hấp thụ ánh sáng từ đó cho hiệu suất cao hơn

Mục đích nghiên cứu:

- Tạo màng chuyển tiếp dị chất cấu trúc nanô

- Nghiên cứu tính chất của các vật liệu chứa chuyển tiếp dị chất nanô

- Qua khảo sát tính chất của linh kiện chế tạo từ chuyển tiếp dị chất trên đưa rakhả năng ứng dụng trong linh kiện hiển thị điện sắc (ECD) và pin mặt trời hữu

cơ (OSC)

Phương pháp nghiên cứu:

- Phân tích hình thái bề mặt sử dụng hiển vi điện tử phát xạ trường (FE-SEM)

- Phân tích tính chất hấp thụ, truyền qua và phổ phát quang thông qua phổ truyền qua và phổ huỳnh quang

- Phân tích tính chất trao đổi ion, khả năng tiêm thoát của các ion qua chuyển tiếp

dị chất thông qua phép đo phổ điện thế quét vòng (CV) và đường cong I-t

Nội dung khóa luận:

Bố cục khoá luận gồm ba phần:

- Phần mở đầu

- Phần nội dung có ba chương:

+ Chương 1: Trình bày tổng quan phân tích tài liệu liên quan đến các chuyểntiếp dị thể và dị chất

+ Chương 2: Trình bày thực nghiệm chế tạo mẫu

+ Chương 3: Trình bày các kết quả nhận được từ thực nghiệm và phân tíchcác kết quả trên cơ sở các đường cong điện hoá, phổ quang học và quangphổ Từ đó so sánh tính ưu việt của vật liệu chứa các chuyển tiếp dị chất

so với vật liệu truyền thống

- Phần kết luận

Chương 1: Một số vật liệu quang điện tử vô cơ và hữu cơ chứa

các chuyển tiếp khác nhau

1.1 Cấu trúc vùng năng lượng của một số chuyển tiếp

Chuyển tiếp dị chất được gọi là biên tiếp xúc của hai chất khác nhau về cấu trúctinh thể và thành phần cấu tạo tồn tại trong chất rắn Đối với chuyển tiếp dị chất củacác chất bán dẫn thì hai chất đó thường là khác nhau về bề rộng vùng năng lượng cấm

và các tính chất khác nhau như: ái lực hóa học, hằng số điện môi, khối lượng hiệu

Mức chân không (vacuum level) là mức năng lượng sát bề mặt thay đổi liên tụckhi đi qua biên giới, còn mức năng lượng đáy vùng dẫn EC và đỉnh vùng hóa trị

E V không liên tục mà có các bước nhảy tương ứng  E C và  E V khi đi qua biên giới

từ vật liệu 1 có ái lực hóa học sang vật liệu có ái lực hóa học

và giảm dòng ngưỡng của LASER

Sử dụng các cấu trúc dị chất hỗn hợp hoặc các lớp màng được chế tạo từ cácchất hữu cơ khác nhau có ái lực điện tử khác nhau là một cách có thể nâng cao hiệusuất các linh kiện quang điện tử hữu cơ Các tiếp xúc dị thể của các polymer với cácchất truyền điện tích (như các ôxit kim loại, các polymer kết hợp…) đã được nghiêncứu rộng rãi với mục đích làm tăng hiệu suất chuyển đổi công suất của các linh kiệnquang điện tử polymer Bằng cách tạo ra các vị trí phân ly exciton theo cấp bội số,cũng như các cách truyền điện tích đối với các điện tử và lỗ trống, cả hiệu suất phân ly

và bắt giữ điện tích có thể được tăng bằng cách sử dụng các tiếp xúc dị thể Sử dụng

các tiếp xúc dị thể đem lại những lợi ích sau: [3]

- Gia tăng phát sinh điện tích, do có rất nhiều vật liệu có dải hấp thụ khác nhauđược kết hợp làm gia tăng mật độ các điện tích.

- Gia tăng sự phân ly điện tích là do diện tích biên phân cách lớn hơn, đặc biệt làcác hỗn hợp …hoặc hỗn hợp hạt nanô và các lớp, làm tăng mật độ biên phân cáchthích hợp cho sự phân ly điện tích

- Giảm xác suất tái hợp điện tử - lỗ trống, là do lỗ trống được truyền đi qua mộtvật liệu và điện tử qua vật liệu khác, góp phần làm tăng dòng quang điện khi có ánhsáng thích hợp chiếu dọi

1.2 Vật liệu và linh kiện điện sắc

Hiệu ứng điện sắc là hiện tượng vật liệu biểu hiện sự biến đổi thuận nghịch tínhchất quang của vật liệu dưới sự tác động của điện trường phân cực tương ứng áp vào

vật liệu [9] Một biểu hiện cơ bản của hiệu ứng này là sự thay đổi màu sắc của vật liệu

khi được đặt trong điện trường

Vât liệu điện sắc do đặc trưng cơ bản là sự thay đổi tính chất quang nên thôngthường vật liệu được chế tạo dưới dạng màng mỏng Để có thể ứng dụng tính chất điệnsắc của vật liệu, người ta thường chế tạo màng mỏng điện sắc trên nền các điện cựcdẫn điện trong suốt tạo thành hệ thống linh kiện điện sắc Khi áp điện trường phân cựcvào vật liệu điện sắc, tùy thuộc vào loại vật liệu và chiều phân cực của điện trường mà

ta có thể quan sát thấy trên vật liệu có quá trình thay đổi màu sắc một cách rõ ràng

Hình 1.2 Mô hình cấu tạo một linh kiện điện sắc (ECD) Nguyên lí hoạt động của linh kiện điện sắc:

Khi áp một điện trường lên các điện cực trong suốt, các ion sẽ được tiêm vàohoặc thoát ra khỏi lớp điện sắc dẫn đến sự thay đổi tính chất quang mà cụ thể là sựthay đổi màu sắc, qua đó thể hiện tính chất đặc trưng của linh kiện Đó là các linh kiện

có khả năng biến điệu phổ truyền qua và phổ phản xạ thông qua sự thay đổi lớn về độtruyền qua và độ phản xạ.

Vật liệu điện sắc được nghiên cứu nhiều là WO3 Tính ưu việt của WO3 dù ởtrạng thái vô định hình hay tinh thể nó đều thể hiện tính chất điện sắc Khi chưa đượctiêm ion và điện tử, màng oxit vonfram có độ truyền qua cao trong vùng khả kiến.Ngược lại khi các ion kích thước nhỏ như proton ( H+) hay cá ion kim loại kiềm ( Li+,Na+ ) được tiêm vào màng thì độ truyền qua của chúng giảm đi đáng kể Đặc biệthơn, trong khóa luận này, chúng tôi nghiên cứu tính chất của chuyển tiếp dị chất điệnsắc trong hệ màng đa lớp WO3/TiO2/SnO2

Cơ chế xảy ra hiệu ứng điện sắc:

Quá trình điện sắc xảy ra trong các vật liệu điện sắc vô cơ là kết quả của sự traođổi ion và điện tử làm thay đổi mức độ oxy hóa của các tâm kim loại Quá trình nàyxảy ra theo phương trình điện hóa:

MeOn + x.e + xM+ → MxMeOn

Không màu Nhuộm màu

Trong đó MeOn là oxit kim loại điện sắc

M+ là cation ( thường Na+ , Li+, …)

1.3 Cấu trúc và tích chất quang của TiO2

Titaniumdioxide TiO2 là một loại vật liệu rất phổ biến trong cuộc sống hàng ngàycủa chúng ta Chúng được sử dụng nhiều trong việc pha chế tạo màu sơn, màu men,

mỹ phẩm và cả trong thực phẩm

TiO2 tồn tại dưới 3 dạng tinh thể là: rutile, anatase và brookite TiO2 là vật liệu có

tỷ trọng cao và được bán trên thị trường Hợp chất này có chiết suất cao vượt trội, tínhtrơ tốt và gần như không màu

Cấu trúc của rutile xếp chặt khít hơn tinh thể anatase Tinh thể TiO2 có nhiều dạng thù hình trong đó có 2 dạng thù hình chính là:

Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của TiO2 dạng anatase

Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể của TiO2 dạng rutile

Tuy nhiên trong tinh thể anatase các đa diện phối trí 8 mặt bị biến dạng mạnhhơn so với rutile, khoảng cách Ti-Ti ngắn hơn và khoảng cách Ti-O dài hơn Điều nàyảnh hưởng đến cấu trúc điện tử của hai dạng tinh thể, kéo theo sự khác nhau về cáctính chất vật lý và hóa học

Màng titanium dioxide (TiO2), được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹthuật như kính lọc, pin mặt trời, sensor quang, kính chống phản xạ, v.v Trong thờigian gần đây TiO2 được phủ lên bề mặt các loại vật liệu để diệt khuẩn, lọc không khí,chống rêu cũng như giúp bề mặt vật liệu có khả năng tự làm sạch, chống sương bám,nước đọng

Hình 1.5 Cấu trúc vùng TiO2

Hình 1.6 Giản đồ năng lượng của anatase và rutile [10]

Anatase có năng lượng vùng cấm là 3,2 eV, tương đương với một lượng tử ánhsáng có bước sóng 388nm Rutile có năng lượng vùng cấm là 3,0 eV tương đương vớimột lượng tử ánh sáng có bước sóng 413 nm

1.4 Polymer dẫn

Phát hiện về tính chất phát quang của polymer p-phenylenevinylene (PPV) doBradley và các cộng sự vào năm 1990 đã mở ra hướng nghiên cứu cơ bản và ứng dụng

vật liệu phát quang hữu cơ [4] Đó là các polymer dẫn điện hay còn gọi là bán dẫn hữu

cơ Những polymer quan trọng của nhóm này là poly (N-vinylcarbazole) viết tắt là

PVK, p-phenylenevinylene viết tắt là PPV, poly(2-methoxy,5-(2'phenylene-vinylene viết tắt là MEH-PPV, v.v Phần lớn những hiện tượng quang điệnđược biết đến đối với chất bán dẫn vô cơ đều tìm thấy ở những polymer dẫn này Cácthiết bị quang điện hiệu suất cao được chế tạo từ các polymer kết hợp chủ yếu baogồm: điôt, điôt phát quang, photođiôt, tranzitor hiệu ứng trường, triôt, ống điện hoáphát quang, buồng vi cộng hưởng laser Các linh kiện chế tạo từ các polymer dẫn cócấu trúc nhỏ gọn, mỏng (chiều dày vài trăm nanômét), trọng lượng nhỏ, diện tích phátquang rộng, phổ phát quang phong phú, có thể đạt hiệu suất bằng hoặc cao hơn so vớicác linh kiện tương ứng chế tạo bằng các chất vô cơ… Hơn nữa, công nghệ chế tạochúng đơn giản hơn nhiều, điều này rất có ý nghĩa, cho phép sản xuất đại trà thành sảnphẩm thương mại và hạ giá thành sản phẩm

-ethyl-hexosy)-1,4-Các nghiên cứu đã cho thấy các tính chất quang, điện của polymer và linh kiện sẽ

đa dạng và phong phú hơn nếu chúng được kết hợp với các hạt nanô vô cơ (thường sửdụng TiO2) hoặc các chấm lượng tử để tạo thành tổ hợp hữu cơ-vô cơ cấu trúc nanô

TiO2, PVK/CdS (làm lớp truyền lỗ trống)

1.4.1 Cấu trúc vùng năng lượng của polymer dẫn

Polymer dẫn là hợp chất hữu cơ, mà phân tử của nó được xây dựng nên từ nhữngkhối cơ bản là các vòng benzene, bao gồm các chuỗi cácbon dài mà trong đó các liênkết đơn C-C và đôi C=C luân phiên kế tiếp nhau Polymer dẫn là những đồng đẳng củabenzene, liên kết giữa các phân tử được thực hiện bằng lực Van der Waals và sự chồngchéo của các hàm sóng của điện tử Do có cấu trúc của vòng benzene nên trong phân

tử polymer kết hợp có rất nhiều liên kết đôi (hay còn gọi là liên kết π) kém bền vững) kém bền vữngdẫn đến trạng thái bất định xứ của điện tử bao phủ toàn bộ chuỗi polymer Các tínhchất điện trong đó có khả năng dẫn điện của polymer kết hợp đều có nguồn gốc từnhững điện tử π) kém bền vững

Trong polymer dẫn cũng tồn tại độ rộng vùng cấm như trong bán dẫn vô cơ Sựchồng chập quỹ đạo của điện tử trong liên kết π) kém bền vững dẫn đến sự tách thành hai mức nănglượng: mức năng lượng liên kết π) kém bền vững và mức năng lượng phản liên kết π) kém bền vững* Mức năng

lượng π) kém bền vững được gọi là mức HOMO (viết tắt của tiếng Anh “highest occupied molecular

orbital ”: quỹ đạo phân tử điền đầy cao nhất), mức năng lượng π) kém bền vững* được gọi là mức

LUMO (viết tắt của tiếng Anh là “lowest unoccupied molecular orbital ”: quỹ đạo

phân tử không điền đầy thấp nhất) (hình 1.7) Sự tách thành hai mức năng lượng nàydẫn đến sự hình thành hai vùng năng lượng tương ứng LUMO và HOMO, chúng cótính chất giống như vùng dẫn và vùng hoá trị của bán dẫn vô cơ Khe năng lượng đượctạo thành giữa hai mức HOMO và LUMO được gọi là vùng cấm của polymer dẫn Cácpolymer dẫn khác nhau có độ rộng vùng cấm khác nhau Khi nhận những kích thíchphù hợp từ photon, điện trường…, các điện tử có thể nhảy từ mức HOMO lên mứcLUMO tạo ra cặp điện tử-lỗ trống (exciton), trong khoảng thời gian ngắn (cỡ picô

giây), cặp điện tử-lỗ trống (exciton) này tái hợp và phát quang (hình 1.8) [ 6].

Hình 1.7 Giản đồ mức năng lượng

LUMO, HOMO và độ rộng vùng cấm

của polymer dẫn

Hình 1.8 Mối quan hệ giữa HOMO,

LUMO, ái lực điện tử và thế ion hoá

Giá trị độ rộng vùng cấm của các polymer dẫn thường có giá trị vài eV Nănglượng để đưa một điện tử từ mức HOMO lên mức chân không gọi là năng lượng iônhoá (thế tương tác ion hoá Ip) của phân tử Năng lượng để đưa một điện tử từ mức chânkhông về mức LUMO gọi là di lực điện tử (Ic) hay ái lực điện tử của phân tử Quátrình chuyển điện tử ra khỏi mức LUMO (quá trình ion hoá) làm cho phân tử tích điệndương, tương ứng với quá trình dẫn lỗ trống Ngược lại, quá trình thêm điện tử vàomức LUMO làm cho phân tử tích điện âm, tương ứng với quá trình dẫn điện tử Cấu trúc hóa học và cấu trúc vùng năng lượng của MEH-PPV được thể hiện trênhình 1.9 MEH-PPV có độ rộng vùng cấm MEH-PPV cỡ 2,8 eV thường được sử dụng

để làm lớp phát quang ánh sáng màu đỏem 590nm trong OLED (hình 1.10) nhưtrong linh kiện cấu trúc ITO/MEH-PPV/Al

(a) (b)

Hình 1.9 Cấu trúc hóa học của MEH-PPV-(a) và cấu trúc vùng năng lượng thích hợp

với vai trò lớp phát quang (như được minh họa trong linh kiện ITO/MEH-PPV/Al)-(b)

Do MEH-PPV có mức HOMO gần mức Fecmi của ITO, mức LUMO gần mứcFecmi của Al nên rào thế tại các tiếp xúc ITO/MEH-PPV và Al/MEH-PPV thuận lợicho việc bơm lỗ trống và điện tử vào MEH-PPV (hình 1.9 b)

Hình 1.10 Phổ hấp thụ và huỳnh quang của MEH-PPV [14]

MEH-PPV có độ dẫn đáp ứng được các yêu cầu cơ bản đối với vật liệu phát quang:khả năng truyền điện tử tốt, chặn được lỗ trống, dải phổ phát quang nằm trong vùngánh sáng nhìn thấy và rất nhạy với mắt người

Đặc biệt dễ hòa tan trong các dung môi hữu cơ, dễ trải màng, không yêu cầu nhiệt độcao, có khả năng tăng được sản xuất với diện tích lớn

1.4.2 Cơ chế truyền năng lượng

Khi các phân tử chất cho bị kích thích từ trạng thái cơ bản bằng sự hấp thụ ánhsáng hoặc năng lượng điện lên trạng thái có mức năng lượng cao hơn Có thể nhận biếtđược năng lượng của nó bằng các quá trình hồi phục phát xạ hoặc hồi phục không phát

xạ về trạng thái nền hoặc với sự có mặt thích hợp của các phân tử nhận mà các qúatrình truyền năng lượng có thể xảy ra

Truyền năng lượng kích thích từ chất cho sang chất nhận được mô tả bằng ba qúatrình, đó là: (i) truyền năng lượng Förster của các exciton singlet trong chất nền sangchất nhận trong trường hợp phạm vi bán kính truyền lớn, (ii) truyền năng lượng Dextercủa các exciton singlet và triplet được tạo ra trong nền sang chất được pha trộn vàotrong nền và (iii) sự tạo thành trực tiếp các exciton singlet và triplet trong chất nhận(trong trường hợp chất nền đóng vai trò là môi trường truyền điện tích

Hình 1.11 Các quá trình thuộc điện tử của các phân tử chất cho - chất nhận,

trong đó các phân tử chất nhận có thể phát xạ bằng cả trạng thái singlet và triplet [13]

Trong qúa trình truyền điện tích, độ rộng vùng cấm của chất nhận sẽ đan xen vàotrong vùng cấm của chất cho để tạo điều kiện cho sự truyền các điện tử và lỗ trống từchất cho sang chất nhận, ở đó chúng sẽ tái hợp Đối với một hệ chất cho - chất nhậnhiệu quả, có rất nhiều nhân tố liên quan, bao gồm: sự tương thích đồng bộ pha của chấtcho - chất nhận, sự kết tụ của các phân tử, mức năng lượng chất cho - chất nhận, sựliên kết orbital

1.4.3 Pin mặt trời hữu cơ (OSC)

Pin mặt trời hữu cơ là linh kiện

quang điện tử hữu cơ có cấu tạo giống

như OLED, nhưng có nguyên lý hoạt động ngược lại Dưới tác dụng của ánh sáng,điện tử và lỗ trống được hình thành trong nền polymer (lớp hoạt động-active layer),hình thành các exciton với xác suất nhất định Trong các pin mặt trời sử dụng màngpolymer thuần nhất, các exciton bị phân ly tại bề mặt tiếp xúc điện cực/polymer vàtruyền điện tích vào các điện cực, tạo ra dòng điện ở mạch ngoài Với việc sử dụng vậtliệu bán dẫn hữu cơ, Mỹ và Nhật đã chế tạo được OSC với hiệu suất 10-11% Vật liệunano TiO2 đã được sử dụng làm điện cực trong các loại pin mặt trời cảm ứng chất màu(DSSC-Dye-sensitized Sollar Cells).

Chương 2: Thực nghiệm chế tạo mẫu

Trong chương này tôi trình bày công nghệ chế tạo hai loại mẫu bằng hai phươngpháp khác nhau: Vật liệu chuyển tiếp vô cơ – vô cơ WO3/nc-TiO2 được chế tạo bằngphương pháp lắng đọng điện hoá (Electrochemical deposition); Vật liệu chuyển tiếp vô

(spin-coating)

2.1 Vật liệu chứa chuyển tiếp dị chất vô cơ/vô cơ (WO3/nc-TiO2)

Tiến hành chế tạo màng WO3/nc-TiO2 bằng cách lắng đọng điện hóa màng WO3trên đế thủy tinh quang học đã được phủ sẵn màng nano TiO2 xốp Thiết bị sử dụng làmáy Autolab PGS–12 POTENTIOGALVANOSTAT Mẫu đế được làm sạch bằngrung siêu âm với aceton, cồn, nước cất, sấy khô và đem đi lắng đọng điện hóa

Trong quá trình lắng đọng màng WO3 điện hóa, chất điện ly được chúng tôi sửdụng ở đây là dung dich axit peroxotungstic, cũng có thể dùng muối Na2WO4.2H2Otrong dung dịch axit H2SO4 Việc điều chế dung dịch axit peroxotungstic được tiếnhành bằng cách hòa tan 4.6g bột kim loại volfram tinh khiết trong 25ml dung môipeoxithydro (H2O2) 30% để thu được dung dịch peroxotungstic (H2W2O11) Sau khilượng kim loại W hòa tan hoàn toàn, bổ sung một lượng nước cất vào để có 500mldung dịch axit peroxotungstic 50mM Ở nhiệt độ cao dung dịch này không bền dễ bịphân hủy thành dạng trioxit polytungtate, vì vậy cần được bảo quản ở môi trường khô,mát Việc tạo màng được thực hiện bằng phương pháp thế không đổi “Potentiostatic”.Trong bình điện hóa ba điện cực, điện cực làm việc (WE) là đế thủy tinh có phủ lớpđiện cực trong suốt đã làm sạch, điện cực đối (CE) là điện cực platin (Pt) và điện cực

so sánh là điện cực calomel bão hoà (SCE) Điện áp tối ưu trên điện cực làm việc đượcthiết lập là -500mV so với điện cực so sánh (-500mV/CSE)

Hinh 2.3 Quá trình đo và lắng đọng WO3 Trên hình là hệ điện hóa trong chén platin kết nối

thế được thực hiện bắng phần mềm trên máy tính

2.2 Vật liệu chứa chuyển tiếp dị chất hữu cơ/vô cơ (MEH-PPV/nc-TiO2)

Bảng 2.1 Các bước chế tạo màng MEH-PPV/nc-TiO2