Tiểu luận môn polymer vô cơ dẫn điện
1 like3,687 views
Polymer dẫn điện, từng được coi chỉ là vật liệu cách điện, đã được phát hiện có khả năng dẫn điện tương tự như kim loại và có nhiều ứng dụng trong công nghệ điện tử, cảm biến và năng lượng. Các phương pháp tổng hợp polymer dẫn điện chủ yếu là điện hóa và hóa học, trong đó, điện hóa là phương pháp phổ biến hơn. Với những tính chất ưu việt và khả năng phát triển, polymer dẫn điện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghệ hiện đại.
Tiểu luận môn polymer vô cơ dẫn điện
- 1. 1 LỜI MỞ ĐẦU Lâu nay khi nói đến vật liệu dẫn điện ta thường nghĩ ngay đến kim loại. Trong đó nhôm và đồng là hai kim loại phổ biến sử dụng trong phân phối và truyền tải điện năng. Còn vật liệu polymer thì đặc trưng về tính chất cách điện. Tính chất cách điện của hầu hết các loại polymer đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên polymer không chỉ là vật liệu cách điện mà chúng còn là những vật liệu dẫn điện rất tốt. Quan niệm về tính chất cách điện và dẫn điện của polymer đã thay đổi khi các loại polymer dẫn điện đã
- 2. 2 được tìm thấy. Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, con người dần tìm ra được các polymer có độ dẫn diện không thua gì kim loại nhưng lại có những tính chất ưu việt hơn các loại vật liệu truyền thống. Do tính chất ưu việt của nó về mặt vật lí, hóa học, quang học và đặc biệt thân thiện với môi trường. Ngày nay loại vật liệu này ngày càng được sử rộng rãi trong các lĩnh vực của cuộc sống như: trong công nghệ điện tử có rất nhiều sản phẩm được chế tạo trên cơ sở polymer dẫn như transitor, màn hình hiển thị hữu cơ (OLED-organic light emitting diode). Trong công nghệ cảm biến sinh học, hóa học như cảm biến glucose trong máu trên cơ sở polypyrrole, cảm biến NH3 trên cơ sở polyaniline. Trong lĩnh vực dự trữ năng lượng bao gồm nguồn điện, siêu tụ điện hóa và trong lĩnh vực ăn mòn bảo vệ kim loại,... Polymer dẫn có thể được tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau như: phương pháp hóa học, phương pháp vật lý, phương pháp điện hóa. Trong đó tổng hợp bằng phương pháp hóa học có nhược điểm là khó khống chế tốc độ của phản ứng, còn nếu tổng hợp bằng phương pháp vật lý thì đòi hỏi thiết bị tổng hợp tương đối phức tạp mà hiệu quả lại không cao. Do đó, việc tổng hợp polymer dẫn bằng con đường điện hóa là phương pháp được dùng nhiều nhất. “Tìm hiểu về
- 3. 3 polymer vô cơ dẫn diện” là một trong những đề tài rất rộng liên quan đến nhiều lĩnh vực như: Công nghệ polymer, công nghệ điện hóa, điện, bán dẫn,... Tuy nhiên trong nội dung giới hạn của tiểu luận ta chỉ tìm hiểu về cơ chế dẫn điện của polymer dẫn và những ứng dụng của chúng hiện nay. I. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU POLYMER VÔ CƠ DẪN ĐIỆN I.1 Lịch sử phát triển - Khám phá về polymer dẫn điện quan trọng xảy ra vào năm 1973, khi polymer vô cơ polysulfurnitride (SN) x được biết đến như là một kim loại. - Vào năm 1977, người ta thực hiện quá trình dopant polymer polysulfurnitride và tính dẫn điện của nó tăng lên một cách đáng kể. - Ở những năm đầu của thập niên 1980, một cuộc chạy đua diễn ra giữa các nhà khoa học khắp nơi trên thế giới để nâng cao độ dẫn điện của PA đến mức độ dẫn điện của đồng. Đây là cuộc chạy đua mang tính hiếu kỳ hơn là thực dụng.
- 4. 4 - Với sự khám phá và những đóng góp cho phát triển polymer dẫn điện, năm 2000 Hàn Lâm Viện Khoa Học Thụy Điển đã trao giải Nobel Hoá Học cho các giáo sư Shirakawa Hideki, Alan MacDiarmid và Alan Heeger. I.2 Phân loại polymer dẫn điện - Polymer dẫn điện do phụ gia. - Polymer dẫn do quá trình “dopant”. - Polymer dẫn điện thuần. II. CƠ CHẾ DẪN ĐIỆN CỦA POLYMER DẪN Để hiểu rõ hơn về cơ chế dẫn điện của vật liệu polymer dẫn ta sẽ tìm hiểu về cơ chế dẫn điện của kim loại và dung dịch điện ly. Bản chất dòng điện trong kim loại Trong kim loại luôn tồn tại các electron tự do mang điện tích âm. Khi có điện trường chạy qua một đoạn dây dẫn thì dưới tác dụng của lực điện trường, các electron sẽ chuyển động (ngược chiều điện trường) thành dòng tạo nên dòng điện. Do vậy dòng điện trong kim loại là dòng các electron tự do chuyển dời có hướng dưới tác dụng của điện trường.
- 5. 5 Bản chất dòng điện trong dung dịch điện ly Dung dịch điện ly có khả năng phân ly cho ra những ion trái dấu đó là các cation và anion. Khi ta cắm nguồn 1 chiều vào hai đầu A và B, giả sử A(+), B(–). Lập tức hình thành một điện trường trong dung dịch có chiều hướng từ A sang B. Điện trường này gây ra lực tác dụng lên các ion trong dung dịch và các ion âm sẽ di chuyển về cực dương (+), các ion dương về cực âm (–). Như vậy, trong dung dịch hình thành một “dòng ion” đóng vai trò như electron tự do trong kim loại để dẫn điện.
- 6. 6 Qua đó ta thấy được kim loại, dung dịch điện ly dẫn điện được là do các electron tự do (kim loại), các ion âm và ion dương (dung dịch điện ly) chuyển động thành dòng dưới tác dụng của lực điện trường. Cơ chế dẫn điện của polymer dẫn điện có thể giải thích một cách định tính bằng hình vẽ bên dưới đây (Hình 3.8) Khi dopant A nhận một điện tử từ polymer, một lỗ trống (+) xuất hiện. Khi một dòng điện được đặt vào polymer, điện tử ᴫ của nguyên tố C bên cạnh nhảy vào lỗ trống này và quá trình cứ tiếp diễn như thế. Sự di chuyển của điện tử chỉ là sự di chuyển ngắn, nhưng nhờ sự di chuyển này lỗ trống (+) được liên tục di động dọc theo mạch polymer. Lỗ trống này là một phần polaron hay bipolaron. Sự di động của lỗ trống xác nhận polaron/bipolaron là một thực thể tải điện và là nguyên nhân của sự dẫn điện giống như điện tử trong kim loại. Thực nghiệm cho thấy điện tử của polymer này có thể nhảy sang chiếm cứ lỗ trống của polymer kế cận rồi polymer kế cận khác... Như vậy, lỗ trống (+) có thể di chuyển khắp tất cả các vị trí vật liệu theo hướng của điện áp. Hình dưới đây cho thấy rất rõ ràng hai yếu tố cho sự dẫn điện trong polymer là: (1) nối liên hợp và (2) dopant. Mất đi một trong hai sự dẫn điện không xảy ra.
- 7. 7 Nói một cách chính xác hơn, trong quá trình tiếp xúc giữa PA và iodine, iodine nhận 1 điện tử trong 2 điện tử của liên kết ᴫ từ PA trở thành anion (I3)-, tạo ra 1 lỗ trống mang điện tích dương (+) và 1 điện tử ᴫ còn lại (ký hiệu .) trên mạch PA. Lỗ trống (+) và điện tử (.) xuất hiện trên mạch PA gọi là polaron trong vật lý. Một cặp polaron (+ +) là bipolaron. Quang phổ học (spectroscopy) xác nhận rằng khi có một dòng điện được áp đặt vào polymer dẫn điện, polaron và bipolaron di động giữa hai điện áp khác nhau. Nói một cách khác, tương tự như điện tử tự do trong kim loại, polaron và bipolaron là hạt tải điện cho sự truyền điện trong polymer dẫn điện.
- 8. 8 Hình 3.8: Sự chuyển động của điện tử ᴫ (l) và lỗ trống. Một điện tử chiếm cứ một obital pz. III. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO Trải qua ba thập niên kể từ lúc phát hiện vào năm 1977, đã có hàng nghìn báo cáo khoa học và bằng phát minh mô tả về những các phương pháp tổng hợp của các loại polymer dẫn điện. Nhưng nhìn chung phương pháp tổng hợp có thể chia làm hai phương pháp sau: - Phương pháp điện hóa. - Phương pháp hóa học. Phương pháp điện hóa tạo ra polymer ở dạng phim và phương pháp hóa học tạo ra polymer ở dạng bột. Những polymer dẫn điện thông dụng như polypyrrole (PPy), polyaniline (PAn) và polythiophene (PT) có thể được tổng hợp bằng cả hai phương pháp. Với phương pháp điện hóa, phim polymer được thành hình trong một bình điện giải đơn giản (Hình 1), trong đó chất điện giải là monomer (ví dụ: pyrrole, aniline hay thiophene) và dopant được hòa tan trong nước hay một dung môi thích hợp. Tại cực dương monomer bị oxít hóa kết hợp dopant và đồng thời trùng hợp thành phim.
- 9. 9 Hình 4.1: Phương pháp điện hóa dùng bình điện giải để tổng hợp polypyrrole. Trong phương pháp hóa học, monomer, dopant và chất oxid hóa (ví dụ: FeCl3) được hòa tan trong nước hoặc dung môi. Phản ứng trùng hợp xảy ra cho polymer ở dạng bột. Dopant có một ảnh hưởng cực kỳ quan trọng đến những tính chất của polymer bao gồm: tính chất vật lý, hóa học, cơ học, quang học, tính chất điện và tính bền nhiệt. Vì vậy, sự chọn lựa dopant phải phù hợp cho mỗi ứng dụng khác nhau. Từ khi polyacetylene (PA) dẫn điện được tổng hợp (năm 1977) và đến đầu thập niên 80 của thế kỷ trước, các loại polymer dẫn điện phần lớn không hoặc hòa tan rất ít trong dung môi. Điều này làm cản trở không ít việc biến chế các vật liệu này
- 10. 10 vào những áp dụng thực tiễn, vì trong quá trình chế tạo những dụng cụ hay linh kiện các vật liệu phải được hòa tan trong dung môi kể cả nước. Hơn nữa để tránh ô nhiễm môi trường, polymer phải hòa tan được trong nước hoặc dung môi không mang độc tính. Trong vòng 10 năm qua, những nỗ lực của các nhà hóa học đã gặt hái được những thành công lớn, biến những polymer dẫn điện không hòa tan trở nên hòa tan bằng cách thay đổi điều kiện tổng hợp hay gắn những nhóm biên (side group) thích nước hay dung môi vào monomer tạo ra những polymer dẫn xuất. IV. ỨNG DỤNG Polymer dẫn có liên kết ᴫ liên hợp trong hệ cho thấy những tính chất đặc trưng như năng lượng chuyển điện tử thấp, điện thế ion hoá thấp và có ái lực điện tử cao. Nhiều kết quả nghiên cứu tính chất cấu hình của điện tử cho thấy các cấu hình này có thể bị oxy hoá hoặc khử dễ dàng, một vài polymer dẫn đã được phát triển để có thể ứng dụng vào trong thương mại ví dụ như làm nguyên liệu cho pin, thiết bị mắt điện tử, các cảm biến sinh học… Sau đây là một số ứng dụng của polymer dẫn điện điển hình.
- 11. 11 IV.1 Ứng dụng của polymer dẫn trong dự trữ năng lượng. Ta thấy rằng một số polymer dẫn tồn tại ở nhiều dạng khác nhau tuỳ thuộc vào mức độ oxy hoá của chúng và loại vật liệu dopant và ở điện áp ngoài nhất định. Do đó nó có thể tồn tại ở dạng oxy hóa cao nhất và nếu nó tồn tại bền vững ở trạng thái này thì ta có thể chọn nó làm vật liệu cho ắc qui. Khi sử dụng ta có thể sử dụng nó như vật liệu catốt. Khi phóng điện thì nó chuyển dần từ dạng oxy hoá sang dạng khử và khi nạp đầy thì nó lại chuyển dần từ dạng khử sang dạng oxy hoá cao nhất. Yêu cầu đối với loại màng này là đặc tính thuận nghịch phải cao thì nó sẽ cho số chu kỳ phóng nạp lớn và điều này ảnh hưởng đến tuổi thọ của ắc qui. IV.2 Làm điốt. Ta biết rằng thiết bị chỉnh lưu là thành phần chính và cơ bản của mạch điện tử. Từ khi polymer dẫn điện được phát hiện ra nó đã được ứng dụng vào làm chất bán dẫn vì có khoảng cấm hẹp đã được nghiên cứu để có thể ứng dụng nghiên cứu polymer dẫn. Phương pháp cơ bản để thay đổi độ dẫn điện của bán dẫn là lựa chọn tính chất vượt trội chiếm ưu thế được khống chế bởi chất phụ gia và nó cho phép tạo ra bán dẫn loại N hoặc loại
- 12. 12 P và sự phụ thuộc về không gian, mức năng lượng được giữ cân bằng mặc dù tồn tại trường điện từ cao. Chiang đã tạo ra những tiếp xúc P-N bởi áp suất tiếp xúc cao của màng polyacetylen loại P với phụ gia là Na và màng polyacetylen loại N với phụ gia là NaAsF5. Ta thấy khi có hai chất bán dẫn loại P-N tiếp xúc với nhau thì tạo ra một thiết bị chỉ cho dòng đi theo một chiều xác định đó là chiều từ P→N và thiết bị đó gọi là điốt. Do đó chỉ cần các màng polymer dẫn điện rất mỏng là ta có thể tạo ra một điốt. Tính chất điện của polypyrrole – kim loại và polypyrrole cũng được khảo sát và người ta nhận thấy sự tiếp xúc giữa N-P được tạo ra trên bề mặt polymer. Composite Alpolypyrrole được tạo ra bằng phương pháp này được coi là có tính bán dẫn tốt và có thể áp dụng vào công nghệ. IV.3 Thiết bị điều khiển logic. Một số loại polymer dẫn có tính chất điện rất đặc biệt nó có độ dẫn tăng rất nhanh khi áp thế vào do đó nó có thể được ứng dụng trong điều khiển logic và tạo ra tín hiệu ở dạng số…Trong đó tiêu biểu là composite PAN-
- 13. 13 Au đường cong của mối quan hệ I-V của nó có dạng sau: Do đặc tính này mà nó có thể ứng dụng trong điều khiển logic. IV.4. Transitor hiệu ứng trường. Thiết bị hiệu ứng trường đã được ứng dụng để cải tiến hoạt động của thiết bị bán dẫn thông thường, hiệu ứng trường trong màng polymer sẽ điều khiển dòng và bằng cách đó nó mở ra hoạt động của transitor mà không cần các tiếp xúc N-P. Hiện tượng này không chỉ cung cấp các đặc tính của thiết bị mà còn cung cấp công cụ để nghiên cứu chất bán dẫn và nó điều khiển dòng giữa nguồn và kênh dẫn qua cổng. Hoạt động của transitor hiệu ứng trường được sử dụng trong điều khiển logic.
- 14. 14 IV.5. Điốt phát quang. Điốt phát quang polymer đã được phát triển rộng rãi từ khi khám phá ra hiện tượng điện phát quang từ màng PPV. Polymer dẫn điện biết đến như vật liệu phát quang điện thế. Nó được sử dụng để thay thế cho vật liệu phát quang vô cơ, cho phép sử dụng trên bề mặt rộng và nó cũng có đặc tính là rất nhẹ và dẻo…Ưu điểm chính của vật liệu này là hiệu ứng ngầm và bước sóng bị giới hạn bởi sự thay đổi hoá học, điện thế vận hành thấp, dễ gia công, chi phí thấp và có thể tạo ra các thiết bị có diện tích lớn màu sắc phát ra trong vùng trông thấy. Do đặc
- 15. 15 điểm của polymer dẫn đã được tổng hợp phát ra ánh sáng ngang qua phổ phát xạ vùng quan sát đựơc và có hệ số lượng tử cao. Cách tính đơn giản nhất để tạo ra PLED (polymer light emitting diode) là một cấu trúc gồm có nền thuỷ tinh phủ ITO như anôt dẫn điện trong suốt, lớp polymer ở ngoài và ca tốt kim loại, những lỗ trống điện tử được thêm vào bởi cation và anion tương ứng trên lớp polymer phát quang. IV.6. Sensor. Sensor cung cấp thông tin trực tiếp về thành phần hoá học và môi trường. Nó gồm những thay đổi vật lý và lớp có khả năng chọn lọc. Trong một vài sensor quá trình thay đổi được chia thành hai phần: chọn lọc và nhận dạng, khuếch đại nó và làm tăng tín hiệu của năng lượng tới mức mà tại đó có thể thuận tiện để phát ra tín hiệu dòng. Khả năng chọn lọc chính là trái tim của sensor nó cung cấp các tương tác chọn lọc của các dạng thay thế và kết quả là dẫn đến thay đổi thông số của dòng, độ dẫn, cường độ sáng, khối lượng, nhiệt độ… sensor dựa trên polymer dẫn đã được chứng minh là có thể áp dụng thành công. Polypyrrole và polythiopheno chỉ ra sự thay đổi độ dẫn khi tiếp xúc với cả khí oxy hóa và khí khử.
- 16. 16 IV.7. Thiết bị đổi màu điện tử. Thiết bị đổi màu điện tử sử dụng polymer dẫn đã và đang là vấn đề nghiên cứu cho nhiều ứng dụng thực tế. Trong quá trình nghiên cứu về polymer dẫn các nhà khoa học thấy rằng có một số polymer có sự thay đổi màu sắc khi chuyển từ dạng oxy hoá này sang dạng oxy hóa khác hoặc dạng khử. Do đó bằng cách thay đổi điện áp vào màng ta có thể thay đổi trạng thái của màng polymer và từ đó thay đổi màu sắc của màng…Ngoài ra polymer dẫn còn có những tính chất rất đặc biệt như tính từ, tính siêu dẫn và rất nhiều đặc tính khác cần nghiên cứu và khảo sát thêm… V. NHẬN XÉT Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, nhằm đáp ứng cho nhu cầu ngày đa dạng về mọi mặt con người đã tạo ra được các loại vật liệu tiên tiến, thông minh. Trong đó vật liệu polymer dẫn điện là một sản phẩm điển hình. So với các loại vật liệu dẫn điện truyền thống polymer dẫn điện có nhiều tính chất
- 17. 17 ưu việt hơn đặc biệt là tính thân thiện với môi trường. Tuy nhiên trong thực tế thì polymer dẫn điện chỉ được sử dụng cho một số ứng dụng chứ không được sử dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày. Sở dĩ tồn tại nghịch lý này là bởi vì vật polymer dẫn điện là vật liệu mới được khám phá, thứ hai là do quá trình tổng hợp khá phức tạp. Chính vì điều này yêu cầu đặt ra là phải tìm ra các phương pháp tổng hợp các loại hợp chất dẫn điện đơn giản nhất. Hy vọng trong tương lai không xa polymer dẫn sẽ là vật liệu dẫn điện chính thay thế cho các kim loại dẫn diện truyền thống đang ngày càng cạn kiệt do sự khai thác quá mức của con người. VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. TS. Trương Văn Tân. Chuyên gia cao cấp Viện nghiên cứu công nghệ và Quốc phòng Úc. Điện tử ᴫ và và polymer dẫn điện.
- 18. 18 2. TS. Trương Văn Tân. Chuyên gia cao cấp Viện nghiên cứu công nghệ và Quốc phòng Úc. Polymer dẫn điện và những áp dụng thực tiễn. 3. TS. Lê Minh Đức. Đại học Bách khoa Đà Nẵng. Tổng hợp vật liệu nano composite dạng vỏ - lõi trên cơ sở polymer dẫn điện – polypyrrole. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008. 4.http://phanminhchanh.info/home/modules.php?name= News&op=viewst&sid=1941 5.http://www.nsl.hcmus.edu.vn/greenstone/collect/tiensi fu/archives/HASH96d3.dir/5.pdf 6.http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S097 796X00000292&usg=__8