Chương 1 TỔNG QUAN
1.1. POLYTHIOPHENE VÀ CÁC DẪN XUẤT CỦA POLYTHIOPHENE
1.1.2. Ứng dụng của polythiophene và các dẫn xuất
Polythiophene đã được nghiên cứu từ rất lâu, tuy nhiên tiềm năng ứng dụng của polymer này trong thực tế vẫn rất lớn do ưu điểm của polythiophene là chi phí sản xuất thấp, khi thay đổi các nhóm thế thì dễdàng thay đổi độ dẫn điện, quang tính, từ tính thay đổi [7],[39].
Việc dễ dàng thay đổi tính chất của polythiophene làcác nghiên cứu để sử dụng các vật liệu dựa trên polymer này như làm pin mặt trời, OFET, PLED, OPV, màng phủ tĩnh điện, cảm biến, siêu tụ…
Polythiophene sử dụng làm diode phát quang polymer (PLED)
Diode phát quang polymer (hữu cơ) là lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn sự quan tâm của các nhà nghiên cứu vì các ưu điểm: mức tiêu thụ điện năng thấp, trọng lượng nhẹ, phản hồi nhanh và dễ dàng tích hợp hơn vào các thiết bị điện tử [40],[41],[42]. Để đạt được hiệu suất cao của phát sáng hữu cơ thiết bị (OLED), việc nạp và vận chuyển điện tử cả hai cực dương và cực âm phải được cân bằng bởi các exciton đã cảm ứng trong lớp phát xạ ánh sáng [42]. Một diode phát quang chủ yếu bao gồm ba lớp được nhúng giữa hai điện cực: (i) lớp vận chuyển/lỗ trống điện tử, (ii) lớp phát điện tử và (iii) lớp vận chuyển điện tử, trong đó mỗi lớp phải được tối ưu hóa để cung cấp điện tử, vận chuyển và phát xạ. Một sơ đồ của một điển hình OLED được thể hiện trong Hình 1.5. Do độ dẫn điện cao, tiềm năng ion hóa hợp lý, khảnăng thấm ướt và khảnăng cung cấp điện tử hợp lý, PEDOT: PSS thường được sử dụng trong OLED như một lớp cung cấp điện tử, tương tựnhư đế thủy tinh phủITO như anode dẫn điện trong suốt.
Tuy nhiên, tính dẫn điện của thiết bị PLED có thể bị ảnh hưởng vào sự có mặt của oxy và nước trong quá trình chế tạo. Các dẫn xuất thiophene thay thế như bithiophene vinylene đã cho thấy tiềm năng là vật liệu phát xạ, khi màu sắc của ánh sáng có thểđược điều chỉnh từđỏ sang tím sang trắng chỉđơn giản bằng monomer hoặc nhóm thếđược thêm vào trên phân tử thiophene [43],[44].
Polythiophene sử dụng làm tếbào quang điện hữu cơ (OPV)
Tận dụng năng lượng mặt trời, bao gồm cả việc sử dụng pin mặt trời hữu cơ, là một giải pháp tiềm năng để giải quyết cuộc khủng hoảng năng lượng trong tương lai [45],[46]. Một sơ đồ của một pin mặt trời hữu cơ được mơ tả trong Hình 1.6 [47], trong đó sự dịch chuyển electron được hình thành giữa các phân tử hữu cơ hoặc polymer loại
p và loại n [47]. Sự di chuyển electron sẽsinh ra dòng điện. Việc nghiên cứu ứng dụng của polythiophene trong các tế bào quang điện cũng đã được chú ý từ năm 1984 được thực hiện bởi Garnier [48].
Hình 1.6: Cấu trúc tế bào quang điện hữu cơ
Dẫn xuất polythiophene như poly (3–hexylthiophene) có khả năng khử nước thành hydrogen trong tế bào quang điện [49],[50],[51],[52]. Những báo cáo tiếp theo đã cho thấy tiềm năng của một màng poly (3–hexylthiophene) là chất nền hữu cơ để khử anthraquinone–2,7–disulfonate (Hình 1.7) [53]. Polythiophene cũng có khả năng khử oxygen thành nước [52],[54],[55],[56],[57],[58],[59],[60] cho ứng dụng pin nhiên liệu. Để cải thiện sự xuống cấp của màng polymer trong các điều kiện áp dụng, các nhà khoa học đã nghiên cứu kết hợp các lớp bảo vệ, bổ sung chất hấp thụ ánh sáng và chất xúc tác thích hợp.
Hình 1.7: Cấu trúc của tế bào quang điện gồm màng poly (3– hexylthiophene) là chất nền hữu cơ để khử anthraquinone–2,7–disulfonate [59]
Giá trị khe dải năng lượng Eg có thể được thay đổi theo yêu cầu thực tế bằng cách điều chỉnh cấu trúc mạch polymer và thêm vào các nhóm thếcó điện tích [61].
Hình 1.8: Tế bào quang điện sử dụng P3HT kết hợp [6,6]–PCBM C60
Polythiophene sử dụng làm cảm biến hóa học và cảm biến sinh học
Các dẫn xuất của polythiophene chia ra hai loại chính để ứng dụng trong cảm biến hóa học và sinh học [62].
Nhóm thứ nhất là “các polythiophene trung hịa với các hợp phần liên kết hóa trị liên kết với mạch polythiophene. Các polymer này thường không tan hoặc chỉ tan trong dung môi hữu cơ. Các polythiophene có mạch nhánh là alkyl ether và ether vòng được sử dụng trong cảm biến ion kim loại” (Hình 1.9).
Hình 1.9: Một số dẫn xuất của polythiophene trong cảm biến hóa học và cảm biến sinh học
Nhóm thứ hai là các polymer“mang điện trên cơ sở các dẫn xuất của polythiophene chứa nhóm mang điện có thểtan trong nước, phù hợp với việc phát hiện các phân tử sinh học như DNA và protein. Khi đó, phần mang điện tích âm và phơi tử thường liên kết với các polythiophene mang điện tích dương hoặc cation bậc bốn dựa vào tương tác tĩnh điện, chứ khơng dựa vào tương tác hóa trị.”
Polythiophene sử dụng làm transistor hiệu ứng trường (OFET)
Trong thời gian gần đây, polythiophene đã được dùng trong transistor hiệu ứng trường [68],[69],[70],[71],[72]. Một nguồn và một điện cực thoát được phân tách và được kết nối trực tiếp với lớp bán dẫn. Cấu trúc thường được sử dụng của OFET bao gồm (i) tiếp điểm dưới cùng / cổng trên, (ii) tiếp xúc trên cùng / dưới cùng cổng, và (iii) hình học tiếp xúc đáy / cổng đáy, xem Hình. Khi thêm polythiophene, nguyên tắc làm việc của transistor hiệu ứng trường dựa trên polythiophene được hiển thị trong Hình 1.10. Các transistor hiệu ứng trường dựa trên polythiophene như vậy ổn định cao trong khơng khí [73],[74],[75]. Ngồi ra việc sử dụng copolymer của thiophene cũng nâng cao chất lượng và hiệu quả của OFET.
Hình 1.10: Cấu trúc của transitor hiệu ứng trường FET [76]
Polythiophene sử dụng làm pin và siêu tụ
Pin dựa trên polythiophene đã được nghiên cứu là có khả năng lưu điện lớn [77],[78]. Các vi hạt polythiophene là được sử dụng cho cả cặp oxi hóa khử anode và cathode. Thế oxy hóa khửđiện hóa polythiophene lần lượt là −2,0 và +0,5 V đối với pha tạp n và pha tạp p. Như vậy pin dòng dựa trên polythiophene có thể hoạt động ở điện thế 2,5 V, cao nhất trong pin dịng oxy hóa khử khơng chứa kim loại và hoàn toàn hữu cơ. Pin như vậy cũng cho thấy hiệu suất sạc / xảổn định với hiệu suất năng lượng cao khoảng 70 %
Điểm cộng của màng polythiophene là siêu mỏng dẫn đến diện tích bề mặt lớn, lý tưởng cho ứng dụng làm tụđiện giả [79],[80]. Trong Hình 1.11, nano polythiophene hình thành trong các lỗ của ống nano titanium dioxide [79]. Điện dung của tụ điện giả làm bằng polythiophene siêu mỏng trong than hoạt tính tăng lên đến 50 % so với than hoạt tính thơng thường. Điều này là một bước tiến lớn trong việc tăng dung lượng sạc cho vật liệu dựa trên polythiophene [81],[82],[83].
Hình 1.11: Cấu trúc của ống polythiophene cùng với TiO2 [79]