Nghiên cứu tổng hợp vật liệu bán dẫn hữu cơ ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - PHAN ĐÌNH LONG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU BÁN DẪN HỮU CƠ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC QUANG ĐIỆN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội – Năm 2019 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - PHAN ĐÌNH LONG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU BÁN DẪN HỮU CƠ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC QUANG ĐIỆN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ HĨA HỌC Chun ngành: Hóa hữu Mã số: 62.44.01.14 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Hoàng Mai Hà PGS TS Nguyễn Phương Hoài Nam Hà Nội – Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cộng Các kết nghiên cứu không trùng lặp chưa công bố tài liệu khác Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả luận án Phan Đình Long LỜI CẢM ƠN Với lịng kính trọng biết ơn, em xin chân thành cảm ơn TS Hoàng Mai Hà PGS.TS Nguyễn Phương Hoài Nam, người thầy tận tâm hướng dẫn, bảo giúp đỡ tận tình suốt thời gian em thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban Lãnh đạo, cán Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Công Thương giúp đỡ tạo điều kiện cho thời gian thực luận án trình học tập công tác Cuối em xin chân thành cảm ơn thầy, Viện Hóa học-Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam, phịng Vật liệu tiên tiến tạo điều kiện, động viên, trao đổi giúp đỡ em thời gian thực luận án nàỵ Hà Nội, ngày tháng Tác giả luận án Phan Đình Long năm 2019 MỤC LỤC MỤC LỤC .i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ SƠ ĐỒ .vi LỜI MỞ ĐẦU .1 Tính cấp thiết luận án Mục tiêu nghiên cứu luận án Các nội dung nghiên cứu luận án .1 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu hữu cấu trúc π liên hợp 1.2 Một số phản ứng chủ chốt tổng hợp cấu trúc liên hợp 1.3 Linh kiện quang điện tử hữu 13 1.3.1 Cơ chế truyền tải điện tích vật liệu bán dẫn hữu 13 1.3.2 Transistor hiệu ứng trường hữu (OFET) 14 1.3.3 Linh kiện pin mặt trời hữu (OPV) .16 1.4 Tình hình nghiên cứu giới nước tổng hợp vật liệu bán dẫn hữu 18 1.4.1 Tình hình nghiên cứu giới 18 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nước .40 1.5 Kết luận chương 41 CHƯƠNG 2.THỰC NGHIỆM 42 2.1 Hóa chất trang thiết bị 42 2.1.1 Hoá chất dung môi .42 2.1.2 Thiết bị phân tích 42 Phổ hấp thụ phân tử (UV-vis) .43 2.2 Tổng hợp polyme polyme luận án 43 2.2.1 Quy trình trùng hợp polyme liên hợp .43 2.2.2 Tổng hợp polyme có lượng vùng cấm hẹp dựa nhóm diketopyrrolopyrrole P(DPP6T-C4) 45 2.2.3 Tổng hợp copolyme có lượng vùng cấm rộng T-3MT 2T-3MT 46 2.2.4 Tổng hợp terpolyme 3MTB 3MTT 49 2.3 Chế tạo linh kiện OFET .51 2.4 Chế tạo linh kiện OPV cấu trúc thông thường 52 2.5 Chế tạo linh kiện OPV cấu trúc nghịch đảo 53 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 55 3.1 Kết tổng hợp polyme 55 3.1.1 Kết tổng hợp polyme DPP6T-C4 .55 3.1.2 Kết tổng hợp polymer T-3MT, 2T-3MT .57 3.1.3 Kết tổng hợp polyme 3MTB 3MTT .60 3.2 Tính chất vật lý đặc tính linh kiện quang điện tử polyme 63 3.2.1 Tính chất đặc tính linh kiện quang điện tử P(DPP6T)-C4 63 3.3 Kết luận chương 100 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 101 Kết luận .101 Kiến nghị 101 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Giải nghĩa A Acceptor (chất nhận điện tử) AFM Atomic force micrPSCope (Kính hiển vi lực nguyên tử) BDT Benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene BHJ Bulk heterojuntion (khối hỗn hợp) BiTPD 5,5'-bis(2-ethylhexyl)-4H,4'H-1,1'-bithieno[3,4-c] pyrrole-4,4',6,6'(5H,5'H)-tetraone BTz Benzo [c] [1,2,5] thiadiazole BuLi D Donor (chất cho điện tử) DCM Đichloromethane 10 EQE External quantum efficiency ( Phổ hiệu suất lượng tử) 11 FET Field effect transistor (Transistor hiệu ứng trường) 12 FF Fill factor (hệ số điền đầy) 13 GI-XRD Grazing incidence X-ray diffraction (Phép đo nhiễu xạ tia X) 14 HOMO Highest occupied molecular (Quỹ đạo phân tử điền đầy cao nhất) 15 IDIT Indacenodithienothiophene 16 IDT Indacenodithiophene IM-IDT 2,2'-((2Z,2'Z)-((4,4,9,9-tetrakis(4-hexylphenyl)-4,9dihydro-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiophene-2,7-diyl) bis(methanylylidene))bis(3-oxo-2,3-dihydro-1H-indene -2,1-diylidene)) 18 ITIC 3,9-bis(2-meth-ylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)indanone)-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)- ithieno [2,3-d:2′,3′-d′]-s-indaceno[1,2-b:5,6-b′]dith-iophene 19 ITO Indium tin oxide 20 LUMO Lowest Unoccupied Molecular (Quỹ đạo phân tử chưa điền đầy thấp nhất) 21 MDMO-PPV Poly(2-methoxy-5-dimethyloctyloxy) 22 MT Methyl 2,5-dibromo-3-thiophenecarboxylate 17 Butyllithium iv 23 NMR Nuclear magnetic resonance (Phổ cộng hưởng từ hạt nhân) 24 OFET Organic field effect transistor (Transistor hiệu ứng trường hữu cơ) 25 OLED Organic light emitting devices linh kiện phát quang hữu 26 OPV Organic photovoltaic (Tế bào quang điện hữu cơ) 27 OTS Octyltrichlorosilane 28 P(O-tolyl)3 Tri(o-tolyl)phosphine 29 P3HT Poly (3-hexylthiophene) 30 PC71BM Phenyl-C71-Butyric acid methyl ester 31 Pd2(dba)3(0) Tris(dibenzylideneaxetone)dipalladium(0) 32 PEC Power conversion efficiency (Hiệu suất chuyển đổi lượng) 33 PEDOT Polyethylenedioxitthiophene 34 PL Photoluminescence (Quang huỳnh quang) 35 PPV Poly (1,4 –phenylenevinylene) 36 PSC Organic solar cell (Pin mặt trời hữu cơ) 37 SCLC Space charge limitted current (dòng giới hạn điện tích khơng gian) 38 THF 39 TOF Time of flight (thời gian bay) 40 UV-vis Ultraviolet- visible (Phổ tử ngoại khả kiến) 41 δ Độ chuyển dịch hóa học Tetrahydrofuran v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các đặc tính linh kiện PSC chế tạo từ polyme chứa nhóm cho điện tử 21 Bảng 1.2 Các đặc tính linh kiện PSC chế tạo từ polyme chứa nhóm cho điện tử, tổng hợp trước năm 2010 23 Bảng 1.3 Các đặc tính linh kiện PSC chế tạo từ copolyme D-A, tổng hợp năm gần cho hiệu suất cao 25 Bảng 1.4 Đặc tính linh kiện PSC chế tạo từ polyme dựa nhóm DPP .28 Bảng 1.5 Đặc tính linh kiện OFET chế tạo từ polyme dựa nhóm DPP 30 Bảng1.6 Các đặc tính linh kiện PSC chế tạo từ polyme có Eg>1,9eV 32 Bảng Đặc tính linh kiện PSC chế tạo từ terpolyme .34 Bảng 1.8 Các đặc tính linh kiện PSC sử dụng acceptor Eg >1,9eV 37 Bảng 1.9 Các đặc tính linh kiện PSC sử dụng acceptor có 1,5eV< Eg