Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Chế tạo điện cực dẻo trong suốt trên đế Polyetylen terephtalat

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Hóa học "Chế tạo điện cực dẻo trong suốt trên đế Polyetylen terephtalat" trình bày các nội dung chính sau: Nghiên cứu hoàn thiện quy trình tổng hợp vật liệu sợi nano bạc và graphen oxit, polyme dẫn PEDOT:PSS; Chế tạo điện cực trên đế poly (etylen terephtalat) với vật liệu sử dụng là sợi nano bạc và các loại vật liệu khác như graphen oxit và PEDOT:PSS.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Chế tạo điện cực dẻo trong suốt trên đế Polyetylen terephtalat

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Đoàn Tiến Đạt CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC DẺO TRONG SUỐT TRÊN ĐẾ POLYETYLEN TEREPHTALAT LUẬN VĂN THẠC SĨ: NGÀNH HÓA HỌC HÀ NỘI – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Đoàn Tiến Đạt CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC DẺO TRONG SUỐT TRÊN ĐẾ POLYETYLEN TEREPHTALAT Chuyên ngành: Hóa hữu cơ Mã số: 8440114 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Hoàng Mai Hà HÀ NỘI – 2021
i Lời cam đoan Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ “Chế tạo điện cực dẻo trong suốt trên đế polyetylen terephtalat” là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Hoàng Mai Hà. Đây không phải là bản sao chép của bất kỳ cá nhân hay tổ chức nào. Các số liệu, kết quả trong luận văn là do tôi tiến hành, tính toán, đánh giá và chưa từng được ai công bố trên bất kỳ công trình nghiên cứu trước đây. Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2021 Học viên Đoàn Tiến Đạt
ii Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, bên cạnh sự cố gắng nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cô giáo, cũng như sự động viên, khích lệ của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp. Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Hoàng Mai Hà – Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp thuộc phòng Vật liệu tiên tiến, Viện Hóa học đã nhiệt tình hỗ trợ tôi trong suốt thời gian làm luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy cô giáo trong Khoa Hóa học và Phòng Sau đại học, Học viện Khoa học và Công nghệ đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường. Tôi trân trọng và biết ơn sâu sắc gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn này. Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2021 Học viên Đoàn Tiến Đạt
iii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Ký hiệu Tiếng anh Diễn giải AgNW Silver nanowires Sợi nano bạc GO Graphene oxide Graphen oxit Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) PEDOT:PSS Polyme dẫn polystyrene sulfonate EG Ethylene glicol Etylen glicol Chất hoạt động bề mặt PVP Polyvinylpyrrolidone Polyvinylpyrrolidone ITO Indium Tin Oxide Indi Thiếc Oxit OLED Organic Light Emitting Diodes Đi-ốp phát quang hữu cơ OPV Organic photovoltaic solar cell Pin mặt trời hữu cơ PET Poly(ethylene terephthalate) Poly(etylen terephthalat) CNT Carbon nanotube Ống nano cacbon SEM Scan electron microscopy Hiển vi điện tử quét XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X Transmission electron Hiển vi điện tử truyền TEM microscopy qua Kính hiển vi lực nguyên AFM Atomic force microscope tử
iv Danh mục bảng biểu Bảng 2.1. Các mẫu chế tạo sợi AgNW với các nhiệt độ phản ứng khác nhau ......................................................................................................................... 26 Bảng 2.2. Các mẫu chế tạo AgNWs với nồng độ AgNO3 khác nhau ............ 27 Bảng 2.3. Các mẫu chế tạo AgNWs với nồng độ chất hoạt động bề mặt khác nhau ................................................................................................................. 27 Bảng 2.4. Các mẫu chế tạo AgNW với nồng độ NiCl2 khác nhau ................. 28 Bảng 3.1. Giá trị điện trở tấm và độ truyền qua của các điện cực ................. 53 Bảng 3.2. Giá trị điện trở và độ truyền qua của các điện cực......................... 54 Bảng 3.3. Giá trị điện trở tấm, độ truyền qua và chỉ số FoM của 4 điện cực…………………………………………………………………………...58
v Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1. a) Độ truyền qua của điện cực dẻo ống nano cacbon và ITO với điện trở tương đương, b) Độ gồ ghề bề mặt của điện cực CNT. ...................... 4 Hình 1.2. Độ truyền qua trong vùng quang phổ VIS-NIR (vùng ánh sáng khả kiến và cận hồng ngoại) của ITO, AZO, AgNW, CNT và PEDOT:PSS. ........ 5 Hình 1.3. Điện cực dẻo sợi nano bạc trên đế PET trong ứng dụng chế tạo pin mặt trời. a) trước hoạt động, b) điện cực hoạt động tốt bị uốn. ........................ 6 Hình 1.4. a) Hình ảnh thiết bị gia nhiệt trong suốt, b) Cấu tạo thiết bị gia nhiệt trong suốt. .......................................................................................................... 7 Hình 1.5. Cấu tạo OLED .................................................................................. 8 Hình 1.6. Cấu tạo cơ bản thiết bị cảm ứng điện dung. ..................................... 9 Hình 1.7. A) Que nano với các hình dạng khác nhau. B) Sợi nano với các hình dạng khác nhau. C) Một số cấu trúc nano một chiều đặc biệt ................ 10 Hình 1.8. a) Sự hấp phụ PVP trên bề mặt tinh thể nano Ag, b) Mô tả cơ chế hình thành sợi nano bạc AgNW. ..................................................................... 14 Hình 1.9. Cơ chế hình thành sợi nano bạc...................................................... 16 Hình 1.10. Cơ chế mọc màng graphene trên đế Ni/SiC. ................................ 17 Hình 1.11. Quá trình tổng hợp vật liệu graphene thông qua con đường hóa học. .................................................................................................................. 18 Hình 1.12. Cơ chế chuyển hóa từ graphite thành graphen oxit. ..................... 19 Hình 1.13. Ảnh chụp FE-SEM của sợi nano bạc (trái); mối tương quan giữa điện trở và độ truyền qua của các điện cực nano bạc (phải) ........................... 20 Hình 2.1. Công thức hóa học của PVP ........................................................... 23 Hình 2.2. Sơ đồ quy trình tổng hợp sợi nano bạc........................................... 25 Hình 2.3. Sơ đồ quy trình tổng hợp GO ......................................................... 29 Hình 2.4. Sơ đồ quy trình tổng hợp PEDOT:PSS .......................................... 30
vi Hình 2.5. Các giai đoạn trong phương pháp phủ quay................................... 31 Hình 2.6. Cấu trúc các điện cực được chế tạo bằng phương pháp phủ quay . 31 Hình 2.7. Cấu trúc các điện cực được nghiên cứu ......................................... 32 Hình 2.8. Sơ đồ quy trình phủ nhúng chế tạo điện cực .................................. 33 Hình 2.9. Sơ đồ phương pháp ép cơ học. ....................................................... 33 Hình 3.1. Hình thái sợi bạc khi sử dụng những xúc tác khác nhau. a) NaBr, b) NaCl, c) FeCl3, d) NiCl2. ................................................................................. 36 Hình 3.2. Hình thái sợi nano bạc tổng hợp được với những điều kiện nhiệt độ khác nhau. a) 120 ºC, b) 130 ºC, c) 140 ºC, d) 150 ºC. ................................... 37 Hình 3.3. Ảnh SEM của các mẫu sợi nano bạc tại các nồng độ AgNO3 khác nhau: a) 0.01M, b) 0.02M, c) 0.03M, d) 0.04M.............................................. 38 Hình 3.4. Ảnh SEM các mẫu bạc với nồng độ PVP khác nhau: .................... 40 Hình 3.5. Ảnh SEM các mẫu bạc với nồng độ NiCl2 khác nhau: .................. 41 Hình 3.6. Hình SEM sợi nano bạc sau khi tổng hợp a), b). Phân bố kích thước của sợi nano bạc c), d). .................................................................................... 43 Hình 3.7. Ảnh TEM của graphen oxit phân tán trong nước........................... 44 Hình 3.8. a) Phổ UV-VIS của graphen oxit, b) Phổ IR của graphen oxit, c) Phổ XRD của graphen oxit, d) Thế zeta của graphen phân tán trong nước. .. 45 Hình 3.9. Ảnh SEM hình thái của hạt nano PEDOT:PSS .............................. 46 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 môi trường nước, d) Giản đồ phân tích nhiệt của PEDOT:PSS..................................................................................... 47 Hình 3.11. Ảnh SEM bề mặt điện cực: a) S1, b) S4, c) S5 ............................ 49 Hình 3.12. Ảnh AFM bề mặt các điện cực: a) S1, b) S2, c) S3, d) S4, e) S5, f) S6 ..................................................................................................................... 50 Hình 3.13. Ảnh SEM bề mặt các điện cực: a) S1, b) S2, c) S3...................... 51
vii Hình 3.14. Ảnh SEM bề mặt điện cực S6 ...................................................... 51 Hình 3.15. Sự hình thành liên kết giữa các lớp vật liệu trên bề mặt điện cực. ......................................................................................................................... 54 Hình 3.16. Bề mặt điện cực D1 (a), bề mặt điện cực D4 (b), giá trị độ truyền qua cả các điện cực (c), chỉ số FoM của các điện cực. ................................... 55 Hình 3.17. Khảo sát độ bền điện cực: a) Uốn điện cực, b) sử dụng băng dính 3M dính lên bề mặt điện cực sau đó gỡ ra. ..................................................... 56 Hình 3.18. Hình ảnh bề mặt các điện cực được phân tích bằng thiết bị AFM: a) Điện cực E1; b) Điện cực E2; c) Điện cực E3; d) Điện cực E4 ................. 57 Hình 3. 19. Ảnh SEM bề mặt điện cực sợi nano bạc: (a) trước và (b) sau khi ép ..................................................................................................................... 57 Hình 3.20. Ảnh SEM chụp nghiêng bề mặt của 4 điện cực: a) Điện cực E1; b) Điện cực E2; c) Điện cực E3; d) Điện cực E4 ................................................ 58 Hình 3.21. Độ truyền qua của các điện cực: a) Điện cực AgNW, b) Điện cực AgNW/GO ...................................................................................................... 60 Hình 3.22. Sự thay đổi điện trở của 4 loại điện cực trong các thử nghiệm: a) uốn với đường cong bán kính 4mm, b) bảo quản điện cực trong điều kiện thông thường sau nhiều ngày, c) dùng băng dính scotch 3M dính lên bề mặt điện cực sau đó gỡ ra, d) nhúng điện cực trong etanol và rung siêu âm trong 10 phút ............................................................................................................. 62
viii MỤC LỤC Lời cảm ơn ........................................................................................................ ii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt .............................................................. iii Danh mục bảng biểu......................................................................................... iv Danh mục các hình vẽ, đồ thị ............................................................................ v MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................... 3 1.1. ĐIỆN CỰC TRÊN ĐẾ POLY (ETYLEN TEREPHTALAT) 3 1.1.1. Giới thiệu chung về poly (etylen terephtalat)………………………….. 3 1.1.2. Điện cực dẻo chế tạo trên đế PET……………………………………... 3 1.1.3. Một số ứng dụng của điện cực dẻo chế tạo trên đế PET………………. 6 1.2. CÁC VẬT LIỆU DÙNG TRONG CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC DẺO………..9 1.2.1. Tổng quan về sợi nano bạc…………………………………………….. 9 1.2.2. Tổng quan về graphen………………………………………………... 17 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC……………... 20 1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước……………………………………..20 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước…………………………………….. 21 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............. 23 2.1. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ……………………………………………. 23 2.1.1. Hóa chất……………………………………………………………….23 2.1.2. Thiết bị……………………………………………………………….. 24 2.2. THỰC NGHIỆM……………………………………………………….. 24 2.2.1. Tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp sợi nano bạc……………………... 24 2.2.2. Tổng hợp graphen……………………………………………………..28
ix 2.2.3. Tổng hợp PEDOT:PSS……………………………………………….. 30 2.2.2. Chuẩn bị điện cực…………………………………………………….. 31 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………………………………...34 2.2.1. Nghiên cứu hình thái tính chất vật liệu………………………………. 34 2.2.2. Nghiên cứu các tính chất của điện cực sau khi chế tạo………………. 34 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 36 3.1. KẾT QUẢ TỔNG HỢP VẬT LIỆU…………………………………… 36 3.1.1. Tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp sợi nano bạc……………………... 36 3.1.2. Hình thái, tính chất graphen oxit sau khi tổng hợp…………………... 43 3.1.3. Hình thái, tính chất của PEDOT:PSS………………………………… 46 3.2. HÌNH THÁI VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA ĐIỆN CỰC………………..49 3.2.1. Điện cực chế tạo bằng phương pháp phủ quay………………………..49 3.2.2. Điện cực chế tạo bằng phương pháp phủ nhúng……………………... 53 3.2.2. Điện cực chế tạo bằng phương pháp ép cơ học………………………. 56 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN…………………………………………………... 63 CÔNG TRÌNH, BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ………………………………… 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………... 65
1 MỞ ĐẦU Điện cực trong suốt là một cấu tử quan trọng trong các linh kiện phát quang hữu cơ (OLED) và pin mặt trời hữu cơ (OPV). Thông thường, các điện cực này được chế tạo bằng các oxit kim loại như ITO hoặc ZnO pha tạp Al. Trong đó, điện cực ITO là điện cực được ứng dụng nhiều nhất nhờ điện trở thấp, độ truyền qua cao và công thoát phù hợp cho việc truyền tải điện tích với các chất bán dẫn hữu cơ. Tuy nhiên, do nguồn cung indium đang dần cạn kiệt và màng ITO có nhược điểm là giòn, dễ bị phá hủy dưới tác động cơ học, các nhà nghiên cứu đang tập trung phát triển các loại điện cực có cơ tính mềm dẻo, rẻ tiền thay thế cho màng ITO. Gần đây, một số loại vật liệu có khả năng chế tạo điện cực đã được phát triển như: lưới kim loại, sợi kim loại, nanographen, carbon nanotube và polyme dẫn. Trong đó, sợi nano bạc được quan tâm nghiên cứu nhờ các đặc tính như độ dẫn điện và độ trong suốt cao, độ bền cơ học tốt. Một nguyên nhân khác khiến sợi nano bạc trở thành một nguồn nguyên liệu hấp dẫn là hiện tại các quy trình chế tạo sợi nano bạc đã được nghiên cứu sâu rộng, có thể dễ dàng tự sản xuất hoặc mua được từ các nhà cung cấp uy tín. Các sợi nano bạc thường có bán kính từ 20 tới 40 nm, chiều dài trên 20 µm, được sử dụng để chế tạo điện cực trong suốt với các phương pháp khác nhau. Nhược điểm của điện cực sợi nano bạc là độ bền hoá học kém, bề mặt gồ ghề với những khoảng trống giỗng giữa các sợi nano và các lớp khác của pin. Những khoảng trống này đã tạo ra sự thất thoát và phân dòng, dẫn tới tăng điện trở. Quá trình oxi hóa sợi nano bạc cũng làm điện trở tăng lên nhanh chóng. Giải pháp khắc phục nhược điểm này là kết hợp nano bạc với một số vật liệu khác như graphen oxit hay poly(3,4-ethylenedioxythiophene): polystyren sulfonat (PEDOT:PSS)… Vì vậy để nghiên cứu kĩ hơn và hoàn thiện quy trình tổng hợp sợi nano bạc cũng như chế tạo điện cực trên nền Poly(etylen terephthalat (PET) phục vụ cho những ứng dụng về OLED hay OPV chúng tôi đã chọn đề tài: “Chế tạo điện cực dẻo trong suốt trên đế
2 polyetylen terephtalat”. Đề tài gồm các nội dung sau: 1. Nghiên cứu hoàn thiện quy trình tổng hợp vật liệu sợi nano bạc và graphen oxit, polyme dẫn PEDOT:PSS. 2. Chế tạo điện cực trên đế poly (etylen terephtalat) với vật liệu sử dụng là sợi nano bạc và các loại vật liệu khác như graphen oxit và PEDOT:PSS. Ứng dụng những phương pháp chế tạo khác nhau để cải thiện tính chất điện cực.
3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. ĐIỆN CỰC TRÊN ĐẾ POLY (ETYLEN TEREPHTALAT) 1.1.1. Giới thiệu chung về poly (etylen terephtalat) Ngày nay, polyme đã trở thành một loại vật liệu rất linh hoạt, mềm dẻo khó có thể thay thế trong công nghệ hiện đại. Chúng có chi phí sản xuất thấp, chế tạo dễ dàng, nhanh chóng với lượng lớn. Trong đó, poly (ethylene terephthalate) (PET) là loại polyme “polyester” nhiệt dẻo được sử dụng phổ biến nhất. PET là một loại polymer có tính chất vật lý tuyệt vời với độ trong suốt cao, cơ tính tốt và có độ đàn hồi, khả năng ổn định kích thước khi phải chịu lực tác động từ bên ngoài như nén, kéo dãn hay xoắn… Ngoài ra PET còn có khả năng kháng hóa chất khá tốt. PET được sử dụng rộng rãi dưới dạng chai, màng ổn định nhiệt (trong các ứng dụng như tụ điện, băng ghi âm…). PET cũng được ứng dụng để sản xuất sợi tổng hợp trong ngành dệt may. Nó chiếm khoảng 20% tổng các loại polymer được sản xuất trên toàn thế giới [1]. 1.1.2. Điện cực dẻo chế tạo trên đế PET Những năm gần đây, thiết bị điện tử dẻo, có thể chịu được áp lực từ bên ngoài như uốn cong, kéo dãn, xoắn…Do đó điện cực thủy tinh không còn được ưa chuộng nữa, mà thay vào đó các nhà khoa học đang nghiên cứu và chế tạo điện cực trên một bề mặt PET. 1.1.2.1. Điện cực dẻo Indium Tin Oxit (ITO) ITO là loại vật liệu truyền thống và được sử dụng nhiều nhất nhất để chế tạo điện cực ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử. Tuy nhiên, khi sử dụng ITO chế tạo điện cực trên đế PET thì nó bị vấp phải một số nhược điểm như: điện trở của điện cực ITO/PET cao hơn nhiều so với điện cực ITO trên đế thủy tinh. Nhược điểm tiếp theo đó là về cơ tính của ITO, ITO giòn và dễ bị vỡ vụn khi bị uốn hay kéo dãn. Điều này khiến cho điện trở của điện cực tăng vọt và còn có thể dẫn đến hiện tượng chập mạch trong các linh kiện điện tử. Đồng thời với sự khan hiếm của Indium khiến cho giá thành để chế tạo
4 điện cực ITO ngày càng đắt đỏ. Vì vậy để phục vụ cho nhu cầu chế tạo điện cực dẻo, các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu về hai loại vật liệu rất tiềm năng để thay thế ITO đó là ống nano cacbon (CNT) và sợi nano bạc. Hai loại vật liệu này có cơ tính tốt đồng thời vẫn đảm bảo được độ truyền qua và tính dẫn điện [2]. 1.1.2.2. Điện cực dẻo ống nano cacbon Điện cực dẻo ống nano cacbon (CNT) được chế tạo bằng cách phủ dung dịch thô CNT lên bề mặt PET, điện cực này đáp ứng được nhu cầu về cơ tính cũng như độ truyền qua mong muốn, liên kết mạng giữa CNT và bề mặt PET khá chắc chắn có thể chịu được tác động của siêu âm khi làm sạch, hay ngâm trong các dung môi khác nhau. Giá thành sản xuất thấp có thể tổng hợp được từ graphite với lượng lớn [3]. a) b) Độ truyền qua (% ) Bước sóng (nm) Hình 1.1. a) Độ truyền qua của điện cực dẻo ống nano cacbon và ITO với điện trở tương đương, b) Độ gồ ghề bề mặt của điện cực CNT. Tuy nhiên nhược điểm cố hữu của điện cực ống nano cacbon đó là tính dẫn điện. Để có độ truyền qua trên 85% tại bước sóng 550 nm điện trở của điện cực ống nano cacbon lên đến 200 ohm (Hình 1.1a). Đồng thời, được cấu tạo bởi các ống nano chồng chéo lên nhau vì vậy độ gồ ghề bề mặt cũng là một vấn đề của điện cực CNT.
5 Một nhược điểm nhữa của điện cực dẻo khi sử dụng vật liệu CNT đó là độ gồ ghề bề mặt do các ông nano cacbon xếp chồng lên nhau trên bề mặt PET (Hình 1.1b). 1.1.2.3. Điện cực dẻo sợi nano bạc Thường được chế tạo bằng phương pháp phủ quay dung dịch AgNW phân tán trong IPA lên bề mặt PET. Điện cực sợi nano bạc thu được có độ truyền qua và tính dẫn điện xấp xỉ so với điện cực ITO tiêu chuẩn (độ truyền qua trên 85% với điện trở tấm khoảng 20 ohm) kết quả này vượt xa điện cực CNT về tính dẫn điện [4]. a) b) Độ truyền qua (%) ∆R/R 0 Số lần uốn Bước sóng (nm) Hình 1.2. Độ bền cơ học của điện cực sợi nano bạc so với điện cực ITO và FTO (a). Độ truyền qua trong vùng quang phổ VIS-NIR (vùng ánh sáng khả kiến và cận hồng ngoại) của ITO, AZO, AgNW, CNT và PEDOT:PSS (b). Đặc biệt, điện cực sợi nano bạc còn thể hiện cơ tính tuyệt vời nhờ vào những đặc tính cơ bản của sợi kim loại. Khi thử nghiệm độ bền của điện cực sợi nano bạc, một số nhóm nghiên cứu tiến hành uốn điện cực với đường cong bán kính 4 mm sau đó khảo sát và so sánh sự thay đổi điện trở của các điện cực với sợi nano bạc với điện cực ITO hay FTO. Kết quả cho thấy, điện cực AgNW có độ bền vượt trội hơn so với những điện cực còn lại (Hình 1.2a). Ngoài ra điện cực sử dụng vật liệu AgNW trên đế PET còn độ trong suốt khá cao. Bên cạnh đó, đối với những vật liệu như ITO và FTO, giá trị độ truyền qua của điện cực sử hai loại vật liệu này bị giảm mạnh trong vùng bước sóng
6 hồng ngoại gần, trong khi đó giá trị độ truyền qua của điện cực AgNW vẫn cho thấy sự ổn định. Do đó, điện cực AgNW có thể sử dụng thay thế cho điện cực ITO hay FTO trong những ứng dụng chế tạo linh kiện cho pin mặt trời khai thác ánh sáng trong vùng hồng ngoại (Hình 1.2b) [5]. 1.1.3. Một số ứng dụng của điện cực dẻo chế tạo trên đế PET. 1.1.3.1. Pin mặt trời Điện cực nano bạc thường được sử dụng làm mặt trước trong pin mặt trời. Tùy vào mục đích sử dụng, ta có thể chế tạo điện cực sợi nano với độ mù dao động từ 1 đến 30%. Điện cực có độ mù cao làm tăng hiệu suất quang điện cho pin, vì nó kéo dài đường đi của ánh sáng trong lớp hấp thụ. Một số nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công pin mặt trời với cực dương là điện cực sợi nano bạc (η=3,8%) có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn 10% so với pin sử dụng điện cực ITO (η=3,4%) truyền thống [6]. Hình 1.3. Điện cực dẻo sợi nano bạc trên đế PET trong ứng dụng chế tạo pin mặt trời. a) trước hoạt động, b) điện cực hoạt động tốt bị uốn. Hơn nữa, với cơ tính tuyệt vời, điện cực nano bạc trên đế PET rất phù hợp trong ứng dụng chế tạo pin mặt trời dẻo. Pin mặt trời dẻo sử dụng điện
7 cực bạc cho thấy một ưu điểm khả năng hoạt động tốt khi bị uốn với góc 120º (Hình 1.3). 1.1.3.2. Thiết bị gia nhiệt trong suốt Thiết bị gia nhiệt trong suốt những năm gần đây được sử dụng rộng rãi trong ứng dụng làm cửa sổ máy bay. Nó giúp cho cửa sổ máy bay không bị đóng băng khi bay quá cao. Hoạt động bằng cách chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng, với 2 điện cực gắn với màn trong suốt dẫn điện (lớp gia nhiệt) (Hình 1.4). Với độ trong suốt và tính dẫn điện đã được chứng minh, điện cực sợi nano là một lựa chọn hoàn hảo cho ứng dụng này [7]. Lớp dẫn điện Điện cực Đế Hình 1.4. a) Hình ảnh thiết bị gia nhiệt trong suốt, b) Cấu tạo thiết bị gia nhiệt trong suốt. 1.1.3.3. Ứng dụng hiển thị (OLED) OLED ngày càng được sử dụng rộng rãi thay thế LCD trong những ứng dụng chế tạo màn hình hiển thị. OLED có tên gọi đầy đủ là Organic Light- Emiting Diode, tức là các điốt phát quang hữu cơ phát quang do LG phát triển. Trong khi cả LCD và Plasma đều cần đèn nền để hiển thị thì công nghệ OLED lại không cần dùng đến, vì các điểm ảnh của nó có thể tự phát sáng. Nhờ đó, tivi OLED sẽ mỏng hơn, nhẹ hơn, đồng thời tiết kiệm điện năng hơn, và cũng mang đến khả năng hiển thị tuyệt vời hơn bao giờ hết. Công nghệ màn hình OLED cho góc nhìn siêu rộng, có thể đạt xấp xỉ lên đến 180 độ,
8 người xem có thể tận hưởng trọn vẹn chất lượng hình ảnh ngay cả khi không ngồi chính diện [8]. Trong những năm gần đây, màn hình cong đang được ưa chuộng sử dụng trên toàn thế giới. Do đó đòi hỏi phải có một Cathode (Hình 1.5) với độ trong suốt cao, tính dẫn điện tốt đồng thời có thể hoạt động khi bị uốn cong. Chính vì vậy với việc đáp ứng được hoàn toàn những yêu cầu trên, điện cực sợi nano bạc trên đế PET trở thành một lựa chọn rất hứa hẹn trong những ứng Cấu dụng về hiển thị trúc [9]. OLED Cực dương Lớp phát xạ Lớp truyền điện tích Cực Cuâm Đế Đế Hình 1.5. Cấu tạo OLED 1.1.3.4. Ứng dụng chế tạo thiết bị cảm ứng Công nghệ màn hình cảm ứng đã trở nên rất phổ biến trong nhiều sản phẩm điện tử. Nó được sử dụng rộng rãi cho điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy chơi game, thông tin điện tử và các công nghệ khác. Thiết bị cảm ứng thường sử dụng cảm ứng điện dung (Hình 1.5 và 1.6). Vì trong ứng dụng này, đòi hỏi ánh sáng phát ra từ thiết bị phỉa đi qua điện cực phía trước, nên nó đòi hỏi điện cực phải có độ trong suốt cao với độ mù thấp. Trong những năm gần đây, nhiều màn hình (đặc biệt là điện thoại
9 thông minh) đang được yêu cầu phải có cấu trúc mềm dẻo có thể uốn. Hay đối với TV, công nghệ màn hình cong cũng đang trở nên được ưa chuộng và sử dụng rộng rãi. Với những yêu cầu trên, sợi nano bạc cho thấy nó là một loại vật liệu đầy tiềm năng trong lĩnh vực này. Sợi nano bạc có khả năng cao sẽ thay thế cho loại vật liệu ITO trong các ứng dụng chế tạo thiết bị cảm biến do điện cực sử dụng sợi nano bạc có tuổi thọ cao hơn so với điện ITO truyền thống [10]. Cảm ứng điện dung Chất cách điện Màng trong suốt Đệm Đệm Điện cực trong suốt Hình 1.6. Cấu tạo cơ bản thiết bị cảm ứng điện dung. 1.2. CÁC VẬT LIỆU DÙNG TRONG CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC DẺO 1.2.1. Tổng quan về sợi nano bạc Cấu trúc kim loại nano một chiều là các cấu trúc được chế tạo từ kim loại với hai chiều có kích thước trong khoảng 1-100 nm. Mặc dù không có một quy ước thống nhất chung, dựa trên tỉ lệ kích thước (chiều dài trên đường kính), cấu trúc 1 chiều nano có thể tạm phân loại như sau. Các cấu trúc có tỉ lệ nhỏ hơn 30, trong thực tế, thường được coi là que nano trong khi tỉ lệ lớn hơn 100 thường được coi là sợi nano. Các cấu trúc có tỉ lệ từ 30 đến 100 thường được đặt tên tuỳ thuộc vào hình dạng cấu trúc nano, bối cảnh và quy ước của mỗi nghiên cứu, ví dụ như thanh nano, dây nano, nanorices, nanobeams, ...