Đang tải... (xem toàn văn)
Trang 1 HUỲNH QUANG LÂM Trang 2 Tôi xin cam đoan đề tài “ Chế tạo màng dẫn điện trong suốt từ graphene được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học” là công trình nghiên cứu củ
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN HUỲNH QUANG LÂM CHẾ TẠO MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT TỪ GRAPHENE ĐƯỢC TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG HƠI HÓA HỌC Ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: TS TRẦN NĂM TRUNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “ Chế tạo màng dẫn điện trong suốt từ graphene được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi trong thời gian qua Các số liệu, kết quả trình bày trong đề án này là hoàn toàn trung thực và không sao chép hay sử dụng kết quả từ các đề tài khác Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về tính trung thực trong thông tin sử dụng trong công trình nghiên cứu này Học viên Huỳnh Quang Lâm LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của TS Trần Năm Trung, Bộ môn Vật lý – Khoa học Vật liệu, Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn, người đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thiện đề án này Xin trân trọng ghi ơn quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý - Khoa học vật liệu, Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn, đã nhiệt tình truyền dạy kiến thức, phương pháp nghiên cứu căn bản và những công cụ hỗ trợ đắc lực cho quá trình làm việc và nghiên cứu hiện tại cũng như trong tương lai của những người đi sau Xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám hiệu Trường THPT Quang Trung – An Khê, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những người thân yêu đã luôn động viên, quan tâm, hỗ trợ tôi về mọi mặt trong suốt khoá học Do giới hạn về thời gian nghiên cứu nên đề án này không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thực hiện Rất mong được sự góp ý, chỉ bảo của quý Thầy Cô, anh chị, bạn bè để đề án được hoàn thiện tốt hơn Xin chân thành cảm ơn tất cả! Trân trọng Học viên Huỳnh Quang Lâm MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục tiêu nghiên cứu 3 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 4 Phương pháp nghiên cứu 3 5 Cấu trúc đề án 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GRAPHENE 5 1.1 Cấu trúc của vật liệu graphene 5 1.1.1 Sự phát hiện vật liệu graphene 5 1.1.2 Cấu trúc của vật liệu graphene 7 1.1.3 Một số tính chất của vật liệu graphene 8 1.2 Các phương pháp chuyển màng graphene 11 1.2.1 Chuyển ướt (Wet transfer) 12 1.2.2 Chuyển qua trung gian bong bóng điện hoá (Electrochemical bubble transfer) 13 1.2.3 Chuyển khô (Dry transfer) 14 1.2.4 Chuyển cuộn sang cuộn (R2R: Roll-to-roll transfer) 14 1.3 Ứng dụng của graphene 15 1.3.1 Pin Lithium Ion 15 1.3.2 Siêu tụ 16 1.3.3 Graphene transistor hiệu ứng trường 16 1.3.4 Cảm biến điện hóa và cảm biến sinh học 17 1.3.5 Màng dẫn điện trong suốt 17 CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 19 2.1 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm 19 2.1.1 Thiết bị, dụng cụ 19 2.1.2 Hóa chất 21 2.2 Thực nghiệm tách và chuyển màng graphene 22 2.2.1 Quy trình tách và chuyển màng graphene 22 2.2.2 Thực nghiệm tách và chuyển màng graphene 24 2.3 Kết quả và thảo luận 31 2.3.1 Hình thái bề mặt của màng graphene 31 2.3.2 Cấu trúc của màng graphene 34 2.3.3 Tính chất của điện cực trong suốt graphene 36 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 42 KẾT LUẬN 42 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 43 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI (BẢN SAO) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh ITO Oxit thiếc indi Indium tin oxide OLED Diode phát sáng hữu cơ Organic Light Emitting Diode OPV Quang điện hữu cơ Organic Photovoltaics CNTs Ống nano carbon Carbon Nanotubes OM Kính hiển vi quang học Optical Microscopy SEM Kính hiển vi điện tử quét Scanning Electron Microscopy MWCNT Ống nano cacbon đa tường Multi Wall Carbon Nanotube SWCNT Ống nano cacbon đơn tường Single Wall Carbon Nanotube CVD Lắng đọng hơi hóa học Chemical Vapor Deposition DI Nước khử ion Deionized Water FET Transitor hiệu ứng trường Field Effect Transistor Gr Graphene Cu Đồng Copper I-V Đặc trưng dòng điện – điện Curent – Voltage Curves thế PET Polyethylene Terephthalate DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Độ dẫn nhiệt của một số vật liệu 9 Bảng 1.2 Độ dẫn điện của một số vật liệu 10 Bảng 2.1 Giá trị dòng điện tại điện thế 2,5 V của các mẫu graphene trên đế thủy tinh và đế PET 41 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc của (a) graphite, (b) kim cương và (c) fullerence 5 Hình 1.2 Ảnh HRTEM của MWCNT được Iijima quan sát năm 1991: (a) 5 tường, (b) 2 tường, (c) 7 tường 6 Hình 1.3 Các liên kết của mỗi nguyên tử carbon trong mạng graphene 7 Hình 1.4 Graphene là vật liệu gốc của các dạng graphite khác 8 Hình 1.5 Kỹ thuật đo tính chất cơ của graphene 9 Hình 1.6 Minh họa sơ đồ quy trình chuyển graphene từ đế Cu lên đế mới bằng phương pháp chuyển ướt 12 Hình 1.7 Quy trình chuyển bong bóng điện hoá 13 Hình 1.8 Quy trình chuyển khô 14 Hình 1.9 Quy trình chuyển cuộn sang cuộn 15 Hình 1.10 Cấu trúc của graphene 17 Hình 1.11 Cấu tạo của OLED sử dụng graphene là lớp điện cực trong suốt 18 Hình 2.1 Một số thiết bị được sử dụng làm thí nghiệm: (a) Cân phân tích, (b) Máy khuấy từ, (c) Máy khuấy từ gia nhiệt, (d) Đồng hồ vạn năng 19 Hình 2.2 Tủ sấy Menmert 20 Hình 2.3 Lò nung dạng ống Nabertherm 20 Hình 2.4 Ảnh chụp của (a) Graphene trên đế Cu, (b) đế thủy tinh và (c) đế PET 21 Hình 2.5 Một số hóa chất sử dụng làm thí nghiệm: (a) FeCl3, (b) (NH4)2S2O8, (c) Acetone 21 Hình 2.6 Sơ đồ quy trình chuyển màng graphene lên đế thủy tinh 22 Hình 2.7 Ảnh chụp quá trình ăn mòn đế Cu bằng dung FeCl3: (a) lúc bắt đầu ăn mòn, (b) sau khi ăn mòn 20 phút, (c) sau khi ăn mòn 30 phút 24 Hình 2.8 (a) Ảnh chụp quá trình làm sạch và loại bỏ dung dịch ăn mòn bằng nước DI (b) Lớp PMMA/graphene sau quá trình làm sạch, được chỉ thị bằng mũi tên 25 Hình 2.9 Ảnh chụp quá trình chuyển màng PMMA/graphene lên đế thủy tinh: (a) vớt nhẹ nhàng màng PMMA/graphene lên đế thủy tinh và (b) màng PMMA/graphene sau khi được chuyển lên đế thủy tinh 26 Hình 2.10 Ảnh chụp màng PMMA/graphene/thủy tinh sau khi được sấy khô 26 Hình 2.11 Ảnh chụp các thiết bị sử dụng trong quá trình hút chân không: (a) Máy hút chân không và (b) hệ đo áp suất 27 Hình 2.12 Quá trình cài đặt nhiệt độ và thời gian nung: (a) thời gian gia nhiệt và (b) thời gian nung 28 Hình 2.13 (a) Hệ thống cung cấp khí Ar, (b) hệ đo áp suất 28 Hình 2.14 Lò nung được cài đặt giảm từ 120 oC xuống nhiệt độ phòng 29 Hình 2.15 Quá trình loại bỏ lớp hỗ trợ PMMA bằng dung dịch acetone 29 Hình 2.16 Màng graphene trên đế thủy tinh sau khi được loại bỏ lớp hỗ trợ PMMA 30 Hình 2.17 Màng graphene trên đế PET sau khi được loại bỏ lớp hỗ trợ PMMA Mẫu có thể được uốn cong dễ dàng 31 Hình 2.18 Ảnh chụp và ảnh hiển vi quang học của các mẫu graphene trên đế thủy tinh khi không xử lý nhiệt (a và d) và xử lý nhiệt tại các nhiệt độ: (b và e) 120 oC và (c và g) 180 oC 32 Hình 2.19 Ảnh chụp và ảnh hiển vi quang học của các mẫu graphene trên đế PET khi không xử lý nhiệt (a và d) và xử lý nhiệt tại các nhiệt độ: (b và e) 120 oC và (c và g) 180 oC 33 Hình 2.20 Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng graphene trên đế thủy tinh khi không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại nhiệt độ 120 oC và 180 oC 35 Hình 2.21 Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng graphene trên đế PET khi không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại nhiệt độ 120 oC và 180 oC 35 Hình 2.22 Phổ truyền qua của các mẫu màng graphene trên đế thủy tinh khi không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại các nhiệt độ 120 oC và 180 oC 37 Hình 2.23 Phổ truyền qua của các mẫu màng graphene trên đế PET khi không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại các nhiệt độ 120 oC và 180 oC 37 Hình 2.24 Giá trị độ truyền qua (%T) tại bước sóng 550 nm của các mẫu màng graphene trên đế thủy tinh và đế PET ứng với các điều kiện xử lý nhiệt khác nhau[35] 38 Hình 2.25 Phổ mật độ dòng điện – điện thế của các mẫu màng graphene trên đế thủy tinh khi không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại các nhiệt độ 120 oC và 180 oC 40 Hình 2.26 Phổ mật độ dòng điện – điện thế của các mẫu màng graphene trên đế PET khi không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại các nhiệt độ 120 oC và 180 oC 40