CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. KẾT QUẢ TỔNG HỢP VẬT LIỆU
3.1.3. Hình thái, tính chất của PEDOT:PSS
Hình 3.9 thể hiện ảnh SEM của mẫu PEDOT:PSS đã tổng hợp được. Sự tạo thành các hạt có dạng gần cầu, kích thước phân bố khơng đều, trải rộng từ vài nanomet tới vài chục nanomet gợi ý rằng PEDOT:PSS đã được hình thành.
1 µm 100 nm
(a) (b)
Hình 3.9. Ảnh SEM hình thái của hạt nano PEDOT:PSS
Phổ UV-Vis của mẫu PEDOT:PSS đã tổng hợp được thể hiện trên Hình 3.10a, dải hấp thụ trải rộng trên 600 nm cho thấy sự tạo thành mạch liên hợp có độ dài lớn. Điều đó chứng tỏ polyme PEDOT:PSS đã được hình thành. Hình 3.10b biểu diễn phổ FT-IR của PEDOT. Các pic đặc trưng của PEDOT:PSS đều được quan sát thấy. Hai pic nhọn cường độ trung bình ở
1398 cm-1 và 1631 cm-1 được quy gán cho dao động kéo dãn của liên kết C-C và C=C trên vòng thiophen. Pic hấp thụ ở 1093 cm-1 và 1130 cm-1 được gây ra bởi dao động kéo dãn của cầu nối ete C-O-C của cầu ete trên các tiểu phân EDOT. Dải hấp thụ ở 820-980 cm-1 do dao động của liên kết S-C trên mạch PEDOT tạo ra [28]. Pic hấp thụ ở 600 cm-1 được gán cho dao động kéo dãn của nhóm S=O của nhóm sulfonic [29]. Các pic hấp thụ cường độ thấp dưới 3000 cm-1 do dao động của liên kết C-H nằm trên chất hoạt động bề mặt PSS. Dải hấp thụ rộng với cường độ lớn ở khoảng 3400 cm-1 do nước và các nhóm axit của chất hoạt động bề mặt PSS gây ra.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 20 40 60 80 100 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 80 90 -150 -100 -50 0 50 100 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 400 600 800 1000 0.2 0.4 0.6 Ab so rban ce Wavelength (nm) a Bước sóng (nm) Đ ộ tr uyề n qu a (%) Phân bố thế zeta (mV) T ần s ố Bước sóng (nm) Đ ộ tr uyề n qu a (%) Nhiệt độ (ºC) K hối l ư ợn g (%) a) b) d) c) Số sóng (cm-1)
Hình 3.10. a) Phổ UV-VIS b) Phổ FT-IR của vật liệu PEDOT:PSS. c) Thế
zeta của PEDOT:PSS phân tán trong mơi trường nước, d) Giản đồ phân tích nhiệt của PEDOT:PSS
Quan sát Hình 3.10c có thể thấy thế zeta của hạt PEDOT:PSS tổng hợp được có phân bố khá rộng với thế zeta trung bình là -33,7 mV. Thế zeta của PEDOT:PSS trải rộng và có nhiều đỉnh pic phụ là do sự phân bố kích thước
hạt khơng đồng đều, dẫn đến sự tán xạ ánh sáng khác nhau giữa các hạt. Về bản chất, thế zeta của một mẫu chất được tính tốn dựa trên ánh sáng tán xạ khi các hạt chuyển động. Do vậy kích thước và khối lượng của hạt trải rộng cũng đem đến tín hiệu khác nhau và thu được đường phân bố thế zeta có độ chụm thấp. Tuy nhiên, thế zeta trung bình của PEDOT:PSS khá thấp (-33,7 mV). Điều này chứng tỏ giữa các hạt PEDOT có tương tác tĩnh điện cao và có xu hướng đẩy nhau làm cho chúng ít bị kết dính với nhau dẫn tới việc hệ phân tán có độ bền cao và ổn định. Từ thế zeta của PEDOT:PSS và hình thái của hạt ta có thể giả thiết mơ hình về hạt PEDOT như sau: các chuỗi polyme PEDOT được tạo thành, được làm bền bởi các chuỗi PSS. Chúng cuộn xoắn vào nhau và tạo thành các búi. Do mạch PSS về cơ bản dài hơn PEDOT và mật độ điện tích lớn hơn nên điện tích âm dư ra khá lớn, tạo nên thế zeta âm cho hạt PEDOT:PSS và giúp hạt phân tán tốt trong nước. Độ bền nhiệt của PEDOT:PSS đã được nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt (Hình 3.10d). Dựa trên giản đồ phân tích nhiệt có thể thấy trong giai đoạn đầu tiên từ 22°C tới 300°C có sự giảm khối lượng khá chậm (dưới 10%). Sự giảm khối lượng này được quy gán cho sự bay hơi của dung mơi nước chưa được loại bỏ hồn tồn trong q trình làm khô do. Do trong PEDOT:PSS có các polycation PEDOT và các polyanion chất hoạt động bề mặt PSS chứa các nhóm phân cực mạnh nên việc hình thành liên kết hydro với nước là khá hiệu quả. Hơn nữa cấu trúc của PEDOT:PSS lại là một búi các polycation và các polyanion chất hoạt động bề mặt cuộn xoắn vào với nhau bởi liên kết ion nên việc giải phóng các phân tử nước nằm sâu bên trong cấu trúc hạt PEDOT:PSS là khá chậm chạp và khó khăn. Do vậy quá trình này diễn ra nhanh hơn ở khoảng 100 - 200°C và chậm dần từ 200 - 300°C. Ở 300°C bắt đầu quá trình mất khối lượng khá mạnh tới khoảng 350°C và quá trình này được gán cho sự phân hủy của chất hoạt động bề mặt PSS. Tương tự, hạt PEDOT:PSS có cấu
trúc bao gồm các chuỗi PEDOT cuộn xoắn với các phân tử PSS. Chúng liên kết với nhau bởi vô số các liên kết ion giữa các mắt xích mang điện dương EDOT và các nhóm sulfonat tích điện âm trên PSS. Bên cạnh đó, liên kết π-π tuy yếu hơn nhưng lại chiếm số lượng vô cùng lớn do tương tác giữa các vòng thơm trên PEDOT và PSS gây ra, nên loại liên kết này cũng đóng vai trò đáng kể trong việc bền hóa cấu trúc PEDOT:PSS và làm chậm lại quá trình phân hủy nhiệt [30].