Ứng dụng của vật tổ hợp Gr – CNT

1.3. Tổng quan về vật liệu tổ hợp Gr-CNT

1.3.1 Ứng dụng của vật tổ hợp Gr – CNT

Các thiết bị quang điện, như bộ phát hiện ánh sáng, bộ điều chế, laser, đèn điện tử phát sáng (LED), tế bào năng lượng mặt trời, vv., đã tìm thấy nhiều ứng dụng quan trọng trong xã hội hiện đại, bao gồm hình ảnh, hiển thị, truyền

thông quang, chăm sóc sức khỏe, bảo mật và thu thập năng lượng. Để thực hiện quang điện tử có hiệu suất cao, bước đầu tiên là chọn vật liệu phù hợp có thể hấp thụ hoặc tạo ra photon trong phổ điện từ từ vùng tử ngoại (UV) đến terahertz (THz). Các vật liệu 2D mới nổi từ kim loại đến bán dẫn và cách điện cung cấp tiềm năng ứng dụng mới cho các linh kiện quang điện tử hiện đại với nhiều khoảng vùng cấm có sẵn, tính linh hoạt và khả năng xây dựng các cấu trúc hetero vander Waals đa chức năng. So với các bán dẫn như dichalcogenide kim loại chuyển tiếp (TMDCs), phosphorous đen (BP) và Si, được tối ưu hóa cho một phạm vi hẹp của năng lượng với hấp thụ trên mức bandgap, Gr đã thu hút rất nhiều sự chú ý trong lĩnh vực quang điện tử do các tính chất điện tử và quang học đặc biệt của nó như độ dẫn điện cao vô cùng, vùng cấm bằng không, công thoát có thể điều chỉnh, động học vận chuyển nhanh và sự kết hợp mạnh giữa ánh sáng và vật chất. Những tính chất này dẫn đến các ứng dụng như bộ phát hiện ánh sáng, dẫn điện trong suốt cho hiển thị, chất hấp thụ dự phòng cho laser siêu nhanh, đèn LED và bộ điều chế quang rộng băng thông.

1.3.1.1 Vật liệu Gr – CNT cho cảm biến ánh sáng

Graphene tương tác mạnh với ánh sáng từ hồng ngoại (IR) đến tia cực tím (UV), sự tương tác ánh sáng-graphene có thể điều chỉnh (ví dụ: sử dụng trường điện hoặc pha tạp hóa học) cho phép chế tạo các bộ cảm biến và điều biến ánh sáng trong khi CNT được xác định là vật liệu mơ ước với các đặc tính cơ học và đặc tính điện tuyệt vời. Đặc biệt, các ống nano bán dẫn là vật liệu có vùng cấm trực tiếp có khả năng tạo ra và phát hiện photon và đặc biệt quan trọng đối với lĩnh vực quang tử và quang điện tử. Tuy nhiên, CNT hoặc graphene riêng lẻ đều có một số hạn chế và thiếu sót vốn có. Các bộ cảm biến ánh sáng dựa trên graphene được biết là có khả năng hấp thụ nội tại yếu và diện tích phát hiện ánh sáng hiệu quả nhỏ, điều này hạn chế hiệu suất lượng tử bên ngoài (EQE) của chúng. Cácbon nanotube có tính năng kim loại hoặc bán dẫn tùy thuộc vào véc tơ cuộn của chúng. Đặc biệt, ống nano cácbon bán dẫn có

khả năng kích thích quang tuyệt vời do hiệu ứng giam hãm điện tử trong cấu trúc 1D. Mặc dù đã có nhiều nỗ lực được thực hiện cho các bộ cảm biến ánh sáng dựa trên ống nano, nhưng đáp ứng quang của các thiết bị quang điện sử dụng đơn ống tương đối yếu (<10−3 A/W) đối với ứng dụng thực tế [37]. Các bộ cảm biến ánh sáng hiệu ứng đo tia bức xạ dựa trên màng SWCNT thường có thời gian đáp ứng chậm [38]. Các cảm biến hiệu ứng bolometer sử dụng MWCNT cũng đã được chứng minh [39], nhưng độ nhạy của nó bị hạn chế.

Vấn đề chính đối với cảm biến ánh sáng CNT riêng lẻ là các cặp lỗ trống- electron kích thích quang có năng lượng liên kết mạnh [40], vượt quá năng lượng nhiệt ở nhiệt độ phòng, hạn chế hiệu suất của cảm biến. Việc chế tạo vật liệu tổ hợp Gr – CNT đã được đề xuất dựa trên các đặc điểm hiệp lực của chúng.

Sự kết hợp điện tử chặt chẽ giữa hai đồng vị cácbon lai sp2 có ý nghĩa lớn đối với kỹ thuật cấu trúc và hóa học của các đặc tính điện tử lớp tiếp giáp, giúp tạo ra các dị hợp toàn cácbon với khả năng vận chuyển điện tích rất mong muốn.

Và sự tiếp xúc tốt tại tiếp giáp Gr – CNT kim loại và rào chắn Schottky rõ ràng tồn tại tại tiếp giáp Gr – CNT bán dẫn đã được chứng minh, điều này mang đến những cơ hội mới cho ứng dụng quang điện tử sử dụng vật liệu cácbon nano.

Đặc biệt, độ bền cơ học gia cường và độ dẫn điện được cải thiện đã được chứng minh gần đây bằng cách tích hợp mạng lưới CNT lên graphene thành các hybrid toàn cácbon, mang lại những lợi thế và cơ hội thú vị để sản xuất các thiết bị quang điện tử toàn cácbon trên chip, bao gồm bộ phát hiện ánh sáng, tế bào quang điện và điốt phát sáng. Bộ phát hiện ánh sáng được sử dụng rộng rãi trong một loạt các thiết bị thông dụng trong đời sống hàng ngày của chúng ta, chẳng hạn như điều khiển từ xa và tivi. Phân tách hiệu quả các cặp lỗ trống- electron là rất quan trọng để thu được đáp ứng quang tử cao. Gần đây, nhóm Wang [41] đã đạt được EQE cao và độ lợi quang dẫn của bộ phát hiện ánh sáng bằng cách thiết kế các hybrid SWNT-graphene siêu mỏng hai chiều. CNTs có thể tăng đáng kể khả năng hấp thụ ánh sáng vùng phổ rộng. Một thế năng nội

tại ở mặt phân cách của 2 vật liệu làm giảm sự tái kết hợp của các tác nhân quang mang bị cô lập không gian, thúc đẩy sự phân tách hiệu quả các cặp lỗ trống-electron. Quan trọng hơn, các hybrid toàn cácbon như vậy vẫn giữ được những ưu điểm của graphene và CNT, thể hiện băng thông điện cao ∼104 Hz trên dải nhìn thấy đến gần hồng ngoại. Độ linh hoạt cao và khả năng chuyển điện tích nhanh tạo điều kiện cho đáp ứng thời gian nhanh. Ngoài ra, bộ phát hiện ánh sáng toàn cácbon như vậy có độ nhạy cao với ánh sáng trắng, có thể được sử dụng làm cảm biến ánh sáng mặt trời biểu bì cho các thiết bị chăm sóc sức khỏe đeo được. Đối với việc phát hiện IR, CNTs là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho các vật liệu thông thường do khả năng chế tạo có thể mở rộng, khoảng cách dải tương thích và hệ số hấp thụ cao trong dải IR. Hiệu suất của các bolometer dựa trên màng CNT bị hạn chế bởi sự phân ly exciton nhưng được cải thiện đáng kể tại dị hợp giao diện Gr – CNT trong các hybrid toàn cácbon. Bộ phát hiện IR hybrid toàn cácbon có độ nhạy quang tăng so với bộ phát hiện IR chỉ CNT đã được chế tạo gần đây [42], chứng minh tiềm năng hướng tới bộ phát hiện IR cácbon chi phí thấp và hiệu suất cao.

1.3.1.2 Vật liệu tổ hợp Gr – CNT cho pin mặt trời

Ngoài các bộ phát hiện ánh sáng, vật liệu lai cácbon tổng hợp rất phù hợp làm điện cực cửa sổ trong pin mặt trời do chi phí thấp, độ dẫn điện cao và tính ổn định hóa học. Đối với vật liệu cácbon, các cạnh nguyên tử sắc bén tiếp xúc với chất điện phân và các vị trí khuyết tật cần thiết có thể thúc đẩy phản ứng xúc tác, và điện trở tiếp xúc thấp hơn giữa vật liệu tổ hợp cácbon tổng hợp với chất điện phân cho phép electron chảy tự do hơn, đây đều là những yếu tố quan trọng để tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Càng tạo ra nhiều cạnh nguyên tử sắc bén bằng cách lắng đọng các mảnh graphene lên màng MWNT sẽ càng thúc đẩy tốc độ khử, sau đó xây dựng một tế bào mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm có hiệu suất chuyển đổi năng lượng tuyệt vời bằng cách sử dụng mạng lưới cácbon tổng hợp làm điện cực đối. Ngoài các vật liệu lai 2D, sử dụng

vật liệu lai 3D của graphene với MWNT được căn chỉnh theo chiều dọc làm đối điện cực cũng có thể cải thiện khả năng tiếp cận với chất điện phân. Choi và cộng sự đã báo cáo về tế bào mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm có hiệu suất chuyển đổi năng lượng và đặc tính điện hóa, sử dụng vật liệu lai cácbon tổng hợp 3D làm đối điện cực. Và các đặc tính quang học nổi bật của vật liệu cácbon cho phép ứng dụng vượt ra ngoài các điện cực cửa sổ trong các thiết bị chuyển đổi và lưu trữ năng lượng. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao (8,50%) của thiết bị quang điện đã được ghi nhận với vật liệu Gr – CNT làm lớp hoạt động quang, nhờ cấu trúc lai hóa của chúng.

1.3.1.3 Vật liệu tổ hợp Gr – CNT cho siêu tụ

Do có diện tích bề mặt cao, độ dẫn điện, độ ổn định điện hóa, độ đàn hồi và độ ổn định cơ học nên màng lai graphene oxit khử ống nano cácbon CNTGHF (Carbon nanotube-reduced graphene oxide hybrid film) được coi là vật liệu hấp dẫn cho các ứng dụng tụ điện siêu cao. Kim và cộng sự [43] đã chế tạo tụ điện siêu cao dựa trên màng composite Gr – CNT với điện dung là 653,7 μF cm−2 ở tốc độ 10 mV s−1, cao hơn đáng kể so với giá trị 99,6 μF cm−2 ở tốc độ 10 mV s−1 đối với điện cực graphene. Điện cực lai duy trì điện dung cao 490,3 μF cm−2 ở tốc độ sạc và xả 300 mV s−1, cho thấy rằng nó là tụ điện siêu cao tiềm năng với điện dung lớn hơn điện cực graphene. Cui và cộng sự [44]

đã chế tạo tụ điện siêu cao dựa trên rGO-CNT. So với rGO trong cả cửa sổ điện thế dương và âm, các đường cong sạc/xả galvanostatic của điện cực rGO-CNT có hình dạng đối xứng hơn. Các điện cực rGO-CNT này cho thấy điện dung riêng cao hơn so với rGO riêng lẻ. Khi đưa một lượng nhỏ CNT vào các tấm rGO, điện dung của rGO-CNT có cửa sổ điện thế âm là 237 F g −1, gấp khoảng hai lần so với rGO chỉ (∼95 F g −1) ở tốc độ quét 50 mV s −1. Việc tăng lượng CNT có thể cải thiện đáng kể khả năng và tốc độ ổn định chu kỳ của điện cực.

Tụ điện siêu cao dựa trên CNTGHF đã được chứng minh là ứng cử viên đầy hứa hẹn để sử dụng trong xe lai và xe điện.