A. Lý thuyết tổng quan
A.2. Vật liệu Poly(3-hexylthiophene) (P3HT)
P3HT có tên đầy đủ là Poly(3-hexylthiophene) là vật liệu polymer dẫn dựa trên khung sườn là các vòng thiophene, có các liên kết liên hợp. Nhóm hexyl (C6H13) được đính kèm vào nhằm tăng khả năng hòa tan polythiopheneme trong
dung môi nhưng vẫn giữ được tính chất dẫn điện của khung sườn thiophene. Ở trạng thái rắn, P3HT được biết tới như một vật liệu truyền lỗ trống với độ linh động
lỗ trống tương đối cao so với các loại polymer dẫn khác (μhole≈ 0.1 cm2/Vs [18]).
Độ rộng vùng cấm khoảng 1.67eV với các mức LUMO và HUMO [5] khá tương hợp với các điện cực phổ biến như ITO và Al, nên phù hợp làm vật liệu cho các linh kiện quang điện dựa trên các điện cực này. Các thông số nêu trên đều mang tính tương đối vì các thông số này còn tùy thuộc vào cấu trúc phân tử, khối lượng phân tử polymer, độ trật tự của cấu trúc,...
Phân tử polymer P3HT được tổng hợp từ các monomer được minh họa trong hình A.2.2 [9]. Từ quá trình tổng hợp cho thấy cấu trúc của mạch P3HT có hai kiểu hình thành trong một chuỗi mạch P3HT. Để dễ dàng miêu tả người ta đưa ra qui ước chung về cách gọi tên như sau. Head (H) chỉ vị trí số 2 của vòng thiophene (1 là vị trí của lưu huỳnh và 3 là vị trí của nhóm hexyl được kí hiệu là R) và Tail (T) chỉ vị trí số 5 của vòng thiophene.
Khi các liên kết của mạch diện ra tuần tự theo...-H-T-H-T-... mạch P3HT sẽ có một qui luật luật dẫn đến các nhóm hexyl (R) sẽ không bị đụng nhau tạo nên độ ổn định trong chuỗi và sự đối xứng của mạch P3HT nên có độ linh động hạt tải khá cao (so với các chất hữu cơ khác) 0,1cm2/Vs[18]. P3HT liên kết dưới dạng này được gọi là regioregular P3HT(RR-P3HT).
Khi sự tuần tự trên bị mất đi bởi các liên kết H-H hay T-T, các liên kết này làm cho các nhóm hexyl chạm nhau làm mất tính đối xứng của mạch polymer (yếu tố quan trọng để tạo nên các tính chất đặc biệt của vật liệu dựa trên khung sườn polythiophene) do đó làm giảm độ linh động của hạt tải hay lỗ trống của P3HT xuống còn 10-7 – 10-4 cm2/Vs khi P3HT có phân tử khối tương đương trường hợp RR-P3HT [19]. Do đó khi P3HT liên kết dưới dạng này được gọi là regiorandom P3HT (RRa-P3HT).
Hình A.2.2: Các quá trình hóa học có thể trong quá trình polymer hóa P3HT[9]
Hình A.2.3: Phổ hấp thụ của màng được tạo từ regioregular- và regiorandom- P3HT[20]
Phổ hấp thụ của regioregular-P3HT và regiorandom- P3HT cho thấy đỉnh hấp thụ của regiorandom- P3HT bị lệch về phía bước sóng ngắn so với regioregular-P3HT. Điều này có ý nghĩa là độ rộng cùng cấm của regiorandom- P3HT lớn hơn regioregular-P3HT tương ứng với sự tăng của năng lượng chuyển mức π-π*. Tuy nhiên tính chất của màng P3HT không những phụ thuộc vào loại vật liệu P3HT (RR- hay RRa-P3HT) mà còn tùy thuộc vào cấu trúc hay độ trật tự của màng P3HT khi được hoàn nguyên từ bột P3HT thành màng. Về mặt lý thuyết màng P3HT có hai cách sắp xếp chính. Đinh hướng (100) tức là mặt phẳng thiophene vuông góc với mặt phẳng đế và đinh hướng theo mặt (010) tương đương với mặt phẳng thiophene song song với mặt phẳng đế như hình A.2.4 [19].
Hình A.2.4: Định hướng sắp xếp của màng theo hướng a) (100) và b) (010) [17] Cấu trúc màng P3HT được khảo sát bằng phổ nhiễu xạ tia XRD hai chiều như hình A.2.5
Hình A.2.6: Ảnh phổ nhiểu xạ 2 chiều thu được của định hướng (100) và (010) của màng P3HT[17]
Từ ảnh phổ hình A.2.6, ta dễ dàng thấy màng P3HT theo hai định hướng khác nhau đều cho đỉnh nhiễu xạ (100) tương ưng với góc 2= 5.30 (với nguồn XRD có bước sóng 0,154nm) nhưng với màng P3HT định hướng (010) đỉnh nhiễu xạ (100) có cường độ yếu hơn. Đối với màng P3HT định hướng theo (100) cho đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của mặt (200) và (300) lần lượt tương ứng với góc 2bằng 10.70 và 15.90 [13]. Mặc khác, màng P3HT định hướng theo (010) cho đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của mặt (010) mạnh nhất. Đây là phép phân tích cho ta biết được định hướng vi tinh thể của màng P3HT.