CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.2. HÌNH THÁI VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA ĐIỆN CỰC
3.2.1. Điện cực chế tạo bằng phương pháp phủ quay
3.2.1.1. Hình thái, bề mặt điện cực
Hình thái bề mặt của các điện cực tạo thành được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét và được thể hiện qua Hình 3.11.
5 µm 5 µm 5 µm
a) b) c)
Hình 3.11. Ảnh SEM bề mặt điện cực: a) S1, b) S4, c) S5
Đối với điện cực S1 có thể thấy rằng ở hai điện cực này, các sợi bạc có xu hướng kết đám vào với nhau tạo ra sự phân bố sợi bạc không đồng đều trên bề mặt điện cực (Hình 3.11a). Điều này có thể được giải thích là do bản chất kém ưa nước của đế PET và tính chất bám dính kém của sợi bạc trên đế PET. Do vậy, trong quá trình phủ quay sợi bạc sẽ có xu hướng bị văng ra cho tới khi bị mắc vào các sợi khác tạo thành các bó và nằm lại trên đế.
(a) (b) (c)
Rq=36 nm Rq=20 nm Rq=19 nm
Rq=33 nm Rq=18 nm Rq=8 nm
(d) (e) (f)
Hình 3.12. Ảnh AFM bề mặt điện cực: a) S1, b) S2, c) S3, d) S4, e) S5, f) S6
Để khắc phục vấn đề này, chúng tôi đã tiến hành phủ quay một lớp vật liệu khác như graphen oxit hay PEDOT:PSS để tăng tính ưa nước cho bề mặt PET giúp sợi bạc có thể phân tán trên đó đồng đều hơn. Tuy nhiên, kết quả ảnh SEM (Hình 3.11b, c) cho thấy chỉ có PEDOT:PSS đạt được hiệu quả cho mục tiêu này, mạng lưới sợi nano bạc phân bố khá đồng đều và dày hơn trên mặt điện cực. Điều này chứng minh rằng lớp PEDOT:PSS trên bề mặt đế đóng vai trò như một lớp đệm, ưa nước giúp cho sợi bạc được phân bố đều hơn trên đế khi phủ quay. Đồng thời với kết quả thu được từ ảnh AFM (Hình 3.12e) có thể thấy rằng lớp đệm này cũng giúp cải thiện độ gồ ghề bề mặt của điện cực (giá trị Rq giảm từ 36 nm xuống 18 nm). Ngược lại, đối với điện cực S4, bề mặt điện cực vẫn có nhiều sợi nano bạc bị kết đám với nhau và giá trị độ gồ ghề bề mặt cũng khơng được cải thiện (Hình 3.12d). Điều này chỉ ra rằng, GO khơng phù hợp cho mục đích nghiên cứu này. Hình 3.12a, b, c chỉ ra rằng lớp màng GO hay PEDOT:PSS đều giúp làm giảm độ gồ ghề bề mặt
của điện cực sợi nano bạc (giá trị độ gồ ghề giảm từ 36 nm xuống 20 nm và 19 nm theo thứ tự). a) b) 200 nm c) 200 nm 200 nm
Hình 3.13. Ảnh SEM bề mặt các điện cực: a) S1, b) S2, c) S3
Quan sát hình 3.13b, có thể thấy tại các mỡi nối giữa những sợi bạc, có lớp màng rất mỏng bao bọc, đây chính là những lớp graphen oxit. Lớp màng này giúp những sợi bạc liên kết với nhau chắc chắn hơn, đồng thời nó cũng ép mạng lưới sợi nano bạc xuống đế PET giúp giảm độ gồ ghề bề mặt điện cực. Đồng thời Hình 3.11c cho thấy rằng đối với điện cực AgNW/PEDOT:PSS, lớp polyme sẽ lấp đầy những khoảng không gian trống trên mạng lưới sợi nano bạc, điều này giúp bề mặt điện cực được cải thiện đáng kể (từ 36 mm xuống 19 nm). Từ những nghiên cứu trên, chúng tôi tiến hành chế tạo điện cực sợi nano bạc kết hợp với cả 2 loại vật liệu là GO và PEDOT:PSS với cấu trúc PET/PEDOT:PSS/AgNW/GO.
10 μm 100 nm
Hình 3.14. Ảnh SEM bề mặt điện cực S6
Ảnh SEM bề mặt điện cực S6 (Hình 3.14) cho thấy: Với lớp đệm là PEDOT:PSS, đã giúp cho các sợi nano bạc phân bố một cách đồng đều trên
bề mặt điện cực. Đồng thời với lớp màng GO phía trên, có tác dụng bao bọc mối nối và ép chặt mạng lưới sợi bạc xuống mặt đế. Bằng cách kết hợp này, điện cực S6 thu được có bề mặt rất mịn (giá trị Rq chỉ là 8 nm). Giá trị độ gồ ghề bề mặt của điện cực S6 tốt hơn so với những điện cực AgNW/GO đã được cơng bố gần đây [31, 32].
3.2.1.1. Tính chất quang, điện
Điện cực chỉ sử dụng vật liệu sợi nano bạc (S1) có giá trị điện trở tấm cao nhất (120 Ω/sq). Bằng cách phủ thêm một lớp vật liệu như GO (S2) hay PEDOT:PSS (S3) lên trên bề mặt điện cực AgNW, điện trở của điện cực đã có sự thay đổi như sau: Giá trị điện trở tấm của 2 điện cực S2, S3 lần lượt là 60 Ω/sq và 112 Ω/sq. Với điện cực S2, như đã nói ở trên, lớp màng GO được phủ lên trên mạng lưới sợi nano bạc đã bao bọc những mối nối, giúp làm tăng sự gắn kế giữa những sợi nano bạc cũng như ép chặt mạng lưới sợi nano bạc xuống mặt đế. Do đó, điện tích di chuyển trên bề mặt điện cực dễ dàng hơn và tính dẫn điện của điện cực được cải thiện. Còn đối với điện cực S3, khi được phủ lớp PEDOT:PSS lên bề mặt, loại polyme này lấp đầy những khoảng trống giữa các sợi nano bạc (vùng khơng dẫn điện) và đóng vai trị làm chất truyền dẫn điện tích trên những khu vực đó. Tuy nhiên, bên cạnh việc lấp đầy những khoảng trống, PEDOT:PSS cũng bao bọc cả những sợi nano bạc, làm giảm khả năng truyền dẫn điện tích theo phương dọc (PEDOT:PSS dẫn điện kém hơn nhiều so với bạc). Vì vậy, việc phủ PEDOT:PSS lên trên bề mặt điện cực sợi nano bạc khơng cải thiện đáng kể về tính dẫn điện. Về độ trong suốt của điện cực, cả 2 loại vật liệu được sử dụng để phủ lên bề mặt điện cực sợi nano bạc đều khiến độ truyền qua của điện cực giảm.
Khi sử dụng GO hoặc PEDOT:PSS phủ lên bề mặt PET trước khi phủ sợi bạc, kết quả từ Bảng 3.1 cho thấy PEDOT:PSS hiệu quả hơn so với GO. Trong khi điện cực S4 có giá trị điện trở thay đổi khơng đáng kể thì điện cực S5 giá trị điện trở thấp hơn S1 đến 25% và đặc biệt hơn nữa điện cực S5 còn có độ truyền qua cao hơn điện cực S1. Hiện tượng này được giải thích do PEDOT:PSS làm tăng tính ưa nước cho bề mặt, giúp sợi bạc phân bố đồng đều hơn, đồng thời lớp polyme dẫn này vừa đóng vai trò là lớp dẫn truyền
điện tích ở những vùng không gian trống trong mạng lưới sợi nano nhưng khơng che phủ hồn tồn bề mặt sợi bạc. Điện cực S6 có lớp đệm bên dưới là lớp polyme dẫn PEDOT:PSS và tiếp theo là mạng lưới sợi nano bạc, phía trên cùng là lớp màng GO. Với sự kết hợp này, điện cực này có tính dẫn điện và độ truyền qua vượt trội so với những điện cực khác với giá trị điện trở đạt 52 Ω/sq và độ truyền qua là 85%.
Như vậy, điện cực S6 với cấu trúc PET/PEDOT:PSS/AgNW/GO là điện cực có những tính chất về quang, điện cũng như độ gồ ghề bề mặt tốt nhất trong những điện cực được chế tạo bằng phương pháp phủ quay đã khảo sát.
Bảng 3.1. Giá trị điện trở tấm và độ truyền qua của các điện cực
Mẫu S1 S2 S3 S4 S5 S6
Điện trở (Ω/sq) 120 60 112 118 90 52
Độ truyền qua (%) 85 84 83 84 86 85
FoM 1,6 2,9 1,4 1,5 2,5 3,8