Đang tải... (xem toàn văn)
NGHIÊN CỨU CHUYỂN TIẾP DỊ CHẤT NANO ỨNG DỤNG TRONG CÁC LINH KIỆN QUANG HÓA ĐIỆN TỬ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU CHUYỂN TIẾP DỊ CHẤT NANO ỨNG DỤNG TRONG CÁC LINH KIỆN QUANG-HÓA-ĐIỆN TỬ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU CHUYỂN TIẾP DỊ CHẤT NANO ỨNG DỤNG TRONG CÁC LINH KIỆN QUANG-HÓA-ĐIỆN TỬ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật Cán bộ hướng dẫn: GS.TS. Nguyễn Năng Định Lời cảm ơn Khóa luận tốt nghiệp này được hoàn thành dưới sự giảng dạy và hướng dẫn trực tiếp của GS.TS Nguyễn Năng Định. Với sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn giáo sư về sự hướng dẫn tận tình trong thời gian thực hiên khóa luận. Hơn nữa, trong suốt nhiều năm học tại khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, thầy đã luôn giảng giải, truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích, dạy cho chúng em cách tư duy khoa học công nghệ một cách có hệ thống, hiệu quả và thực tế. Tiếp theo, em xin cảm ơn chị Nguyễn Minh Quyên, học viên cao học, cán bộ nghiên cứu của Bộ môn Vật liệu bán dẫn cấu trúc nanô về hướng dẫn quá trình thực nghiệm. Em xin cảm ơn tới các thày cô giáo và các cán bộ của trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã giảng dạy, chỉ bảo tận tình và chu đáo, giúp em có những bài học rất bổ ích và tích lũy những kiến thức quý báu trong quá trình học tập để hoàn thành khóa luận, đồng thời hoàn thiện những kiến thức khoa học cho công việc học tập và công tác sau này. Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ban chủ nhiệm, các thày cô giáo, các cán bộ của khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nanô, Phòng thí nghiệm công nghệ Nanô đã nhiệt tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu và hỗ trợ đắc lực em trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận. Cuối cùng, em xin được cảm ơn tới gia đình thương yêu, những người bạn cùng lớp đã luôn bên cạnh em, quan tâm và động viên em trong cuộc sống cũng như trong việc hoàn thành tốt khoá luận này. Tóm tắt nội dung Khóa luận tốt nghiệp trình bày kết quả nghiên cứu về công nghệ chế tạo và một số tính chất của vật liệu chứa các chuyển tiếp dị chất nanô. Vật liệu màng đa lớp vô cơ WO 3 /TiO 2 /SnO 2 với các chuyển tiếp dị chất vô cơ - vô cơ TiO 2 /SnO 2 , WO 3 /TiO 2 và vật liệu tổ hợp polymer nano TiO 2 chứa các chuyển tiếp dị chất vô cơ - hữu cơ MEH-PPV/nc-TiO 2 đã được chế tạo. Khảo sát tính chất điện sắc của hệ màng đa lớp WO 3 /TiO 2 /SnO 2 bao gồm phổ quét vòng (CV), đồ thị mật độ dòng thay đổi theo thời gian (I-t), phổ truyền qua in-situ và phổ hiệu suất điện sắc cho thấy, linh kiện điện sắc chế tạo từ các lớp chuyển tiếp dị chất cho hiệu suất nhuộm màu và độ đáp ứng cao hơn hẳn so với linh kiện thông thường. Đối với vật liệu tổ hợp chứa vô cơ-hữu cơ với các chuyển tiếp dị chất (MEH- PPV/nc-TiO 2 ) đã nhận được hiệu ứng dập tắt huỳnh quang khi kích thích bằng chùm tia photon có bước sóng 470 nm. Cơ chế của hiệu ứng dập tắt huỳnh quang được giải thích do quá trình phân li hạt tải: điện tử chuyển động về phía điện cực trong suốt SnO 2 qua chuyển tiếp MEH-PPV/nc-TiO 2 , còn lỗ trống - về điện cực kim loại. Do đó vật liệu tổ hợp MEH-PPV/nc-TiO 2 có thể ứng dụng làm chất quang dẫn hay vật liệu cho pin mặt trời hữu cơ (OSC). LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Khóa luận không có sự sao chép tài liệu, công trình nghiên cứu của người khác mà không chỉ rõ trong mục tài liệu tham khảo. Những kết quả và các số liệu thực nghiệm trong khóa luận chưa được ai công bố dưới bất kỳ hình thức nào. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan này. MỤC LỤC MỤC LỤC 6 MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẬT LIỆU QUANG ĐIỆN TỬ VÔ CƠ VÀ HỮU CƠ CHỨA CÁC CHUYỂN TIẾP KHÁC NHAU 3 1.1. CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG CỦA MỘT SỐ CHUYỂN TIẾP 3 3 (B) 3 4 4 1.2. Vật liệu và linh kiện điện sắc 5 1.3. Cấu trúc và tích chất quang của TiO2 6 1.4. Polymer dẫn 8 1.4.1. Cấu trúc vùng năng lượng của polymer dẫn 9 1.4.2. Cơ chế truyền năng lượng 11 1.4.3. Pin mặt trời hữu cơ (OSC) 12 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU 13 !"#$%&'()*+,-#./0./12340356 6 !"#$%&'()*+,-#7/0./189::!0356 4;<*=/>*<*>?%@+A>B :CD>E B 2.2.2. Phổ quang huỳnh quang 17 2.2.3. Phương pháp đo đặc trưng điện hoá 18 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21 22 HÌNH 3.1. ẢNH FE-SEM CHỤP TRÊN BỀ MẶT MẪU TIO2/SNO2 22 SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN THẾ KHÔNG ĐỔI, MÀNG WO3 ĐƯỢC PHỦ TRÊN ĐIỆN CỰC LÀM VIỆC (WE) NC-TIO2/SNO2. CHỈ SAU 50 GIÂY MẬT ĐỘ DÒNG ĐÃ ĐẠT GIÁ TRỊ BÃO HOÀ (HÌNH 3.2). SAU ĐÓ MÀNG VẪN TIẾP TỤC DÀY LÊN, NHƯNG TỐC ĐỘ PHỦ GIẢM DẦN CHO ĐẾN KHI ĐẠT GIÁ TRỊ 500 NM THÌ KHÔNG DÀY THÊM NỮA. TRONG 10 GIÂY ĐẦU TIÊN, TỐC ĐỘ PHỦ ĐẠT GIÁ TRỊ CAO, KHOẢNG 10 NM/S 22 23 HÌNH 3.2. MẬT ĐỘ DÒNG PHỤ THUỘC THỜI GIAN TRONG KHI PHỦ ĐIỆN HOÁ VỚI ĐIỆN THẾ KHÔNG ĐỔI - 2,5 V/SCE 23 BẰNG VIỆC KHỐNG CHẾ THỜI GIAN PHỦ CÓ THỂ NHẬN CHIỀU DÀY CỦA MÀNG TỪ 50 NM ĐẾN 500 NM. TRONG THỰC NGHIỆM CHÚNG TÔI PHỦ MÀNG WO3 DÀY KHOẢNG 300 NM, THỜI GIAN 120S. NHƯ VẬY TỐC ĐỘ PHỦ TRUNG BÌNH LÀ 2,5 NM/S 23 ĐỂ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TRUYỀN HẠT TẢI QUA BIÊN TIẾP XÚC (CHUYỂN TIẾP DỊ CHẤT) TỪ CHẤT NÀY SANG CHẤT KHÁC CHÚNG TÔI SỬ DỤNG CÁC PHÉP ĐO ĐIỆN HOÁ NHƯ ĐƯỜNG CONG TIÊM THOÁT ION I-T VÀ PHỔ QUÉT VÒNG CV (CYCLIC VOTAMMETRY) 23 HÌNH 3.3 TRÌNH BÀY ĐỒ THỊ MÔ TẢ QUÁ TRÌNH TIÊM / THOÁT ION LI+ VÀO / RA ĐIỆN CỰC ĐA LỚP WO3/TIO2/SNO2 23 24 HÌNH 3.3. ĐỒ THỊ TIÊM THOÁT ION LI+ TRONG QUÁ TRÌNH ECD: 5 CHU KÌ NHUỘM VÀ TẢY MÀU ỨNG VỚI ĐIỆN THẾ - 2,5 V/SCE VÀ + 0,5 V/SCE;THỜI GIAN NHUỘM 5S VÀ THỜI GIAN TẢI 20S 24 HƠN NỮA PHỔ CV CỦA HỆ MÀNG WO3/TIO2/SNO2 QUÉT TRONG DUNG DỊCH LICLO4+PC THỂ HIỆN KHÔNG NHƯ MỘT PHỔ TỔNG THÔNG THƯỜNG TỪ HAI PHỔ CV CỦA TỪNG CHUYỂN TIẾP RIÊNG RẼ WO3/SNO2 VÀ TIO2/SNO2 MÀ LÀ PHỔ CV CỦA MỘT TỔ HỢP. ĐIỀU NÀY LÀ DO TRONG QUÁ TRÌNH LẮNG ĐỌNG NHIỀU ION W3+ ĐÃ XÂM NHẬP VÀO TRONG MẠNG TIO2, THAY THẾ TI TẠO RA CẤU TRÚC PHA TẠP TIO2: W HAY TI(1-Y)WYO2. NGAY TRONG KHI LẮNG ĐỌNG HIỆN TƯỢNG ĐIỆN SẮC TRÊN MÀNG TIO2 CŨNG ĐÃ ĐƯỢC QUAN SÁT THẤY RẤT RÕ. HIỆN TƯỢNG NHUỘM MÀU ĐIỆN SẮC NÀY CÓ THỂ GIẢI THÍCH THÔNG QUA PHƯƠNG TRÌNH PHẢN ỨNG TRÊN HAI ĐIỆN CỰC LÀ: 25 TIO2 (TRONG SUỐT) + XW3+ +XE- ↔ WXTIO2 (XANH) (3.2) 25 TRONG ĐÓ TIO2 TRONG SUỐT CÒN WXTIO2 HẤP THỤ MẠNH ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN, ĐỂ LẠI MÀU XANH XẪM 25 DO ĐÓ HIỆU ỨNG ĐIỆN SẮC (ECD) TRÊN HỆ MÀNG ĐA LỚP WO3/TIO2/SNO2 QUÉT TRONG CHẤT ĐIỆN LI CHỨA ION LI+ (LICLO4+PC) ĐƯỢC MÔ TẢ BỞI CÁC PHƯƠNG TRÌNH: 25 TIO2 (TRONG SUỐT) + XLI+ +XE- ↔ LIX TIO2 (XANH) (3.3) 25 WO3 (TRONG SUỐT) + XLI+ +XE- ↔ LIX WO3 (XANH) (3.4) 26 VÀ 26 TI(1-Y)WYO2 (TRONG SUỐT) + XLI+ +XE- ↔ LIXTI(1-Y)WYO2 (XANH) (3.5) 26 HIỆU ỨNG ECD TRÊN TỪNG LỚP CHUYỂN TIẾP RIÊNG RẼ WO3/SNO2 VÀ TIO2/SNO2 ĐÃ ĐƯỢC NGHIÊN CỨU, TRONG ĐÓ LINH KIỆN ĐIỆN SẮC CƠ SỞ WO3/SNO2 CHO ĐẾN NAY ĐÃ ĐƯỢC ĐƯA VÀO ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP XE HƠI VÀ CỬA SỔ THÔNG MINH. LINH KIỆN ĐIỆN SẮC ĐA LỚP WO3/TIO2/SNO2 ĐƯỢC CHẾ TẠO CÓ CẤU TRÚC NHƯ SAU: 26 SNO2 │LICLO4+PC│ WO3/TIO2/SNO2 26 27 3.2. CHUYỂN TIẾP DỊ CHẤT VÔ CƠ / HỮU CƠ 29 CHUYỂN TIẾP DỊ CHẤT VÔ CƠ/HỮU CƠ ĐƯỢC CHẾ TẠO BẰNG CÁCH TẨM PHỦ TRONG CHÂN KHÔNG LỚP MỎNG POLYMER KẾT HỢP MEH- PPV LÊN TRÊN ĐIỆN CỰC XỐP TIO2/SNO2. HÌNH 3.8 LÀ ẢNH FE-SEM CHỤP BỀ MẶT MẪU SAU KHI TẨM PHỦ VỚI CHIỀU DÀY KHÁC NHAU.29 29 29 29 HÌNH 3.9. ẢNH FE-SEM CHỤP TRÊN BỀ MẶT MÀNG PHỦ MEH-PPV/NC- TIO2 VỚI CHIỀU DÀY LỚP MEH-PPV ~ 50 NM (A), 100 NM (B) VÀ 200 NM (C) 29 HÌNH 3.10. PHỔ HẤP THỤ CỦA MÀNG POLYMER THUẦN KHIẾT MEH- PPV (A) VÀ CÁC MÀNG TỔ HỢP CÓ CHIỀU DÀY KHÁC NHAU: “B”: 50 NM, “C”: 100 NM VÀ “D”: 200 NM 30 HÌNH 3.11. PHỔ HUỲNH QUANG CỦA MEH-PPV TINH KHIẾT (A) VÀ CỦA CÁC MẪU TỔ HỢP CÓ CHIỀU DÀY 200 NM (B), 100 NM (C) VÀ 50 NM (D); BƯỚC SÓNG KÍCH THÍCH 470 NM 31 HÌNH 3.12. SƠ ĐỒ MÔ TẢ TIẾP XÚC GIỮA TIO2 VỚI MEH-PPV TRƯỚC KÍCH THÍCH ( A) 32 VÀ SAU KÍCH THÍCH PHOTON ( B) [2] 32 KẾT LUẬN 33 Danh mục các từ viết tắt CV Cyclic votammetry ( điện thế quét vòng ) ECD Electrochromic Device (linh kiện điện sắc) LUMO Lowest Unoccupied Molecular Orbital HOMO Highest Occupied Molecular Orbital HTL Hole Transport Layer (lớp truyền lỗ trống) ITO Iridium – Tin – Oxide LED Light Emitting Diode (điôt phát quang) PPV Polypara-phenylene vinylene MEH- PPV Poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene] nc-TiO 2 Nanocrystalline titanium dioxide OLED Organic Light Emitting Diode (điôt phát quang hữu cơ) PL Photoluminescence WE Working electrode SCE Saturate colomel electrode CE Counter electrode OSC Organic solar cell [...]... cao hơn Mục đích nghiên cứu: - Tạo màng chuyển tiếp dị chất cấu trúc nanô - Nghiên cứu tính chất của các vật liệu chứa chuyển tiếp dị chất nanô 1 - Qua khảo sát tính chất của linh kiện chế tạo từ chuyển tiếp dị chất trên đưa ra khả năng ứng dụng trong linh kiện hiển thị điện sắc (ECD) và pin mặt trời hữu cơ (OSC) Phương pháp nghiên cứu: - Phân tích hình thái bề mặt sử dụng hiển vi điện tử phát xạ trường... Sử dụng các cấu trúc dị chất hỗn hợp hoặc các lớp màng được chế tạo từ các chất hữu cơ khác nhau có ái lực điện tử khác nhau là một cách có thể nâng cao hiệu suất các linh kiện quang điện tử hữu cơ Các tiếp xúc dị thể của các polymer với các chất truyền điện tích (như các ôxit kim loại, các polymer kết hợp…) đã được nghiên cứu rộng rãi với mục đích làm tăng hiệu suất chuyển đổi công suất của các linh. .. tận dụng được nguồn năng lượng dồi dào của mặt trời là hướng đi được ưu tiên hang đầu Đề tài: “ Nghiên cứu chuyển tiếp dị chất nano ứng dụng trong các linh kiện quang hóa- điện tử ” là một dòng chảy đóng góp vào biển lớn của khoa học công nghệ thế kỷ XXI Với mục đích nghiên cứu, tìm kiếm một số tính chất mới của vật liệu chứa các chuyển tiếp dị chất cấu trúc nano chúng tôi chế tạo hai loại chuyển tiếp. ..Mở đầu Các linh kiện vi điện tử, quang điện tử và quang tử càng ngày càng được giảm thiểu về kích thước và nâng cao hiệu suất Đó là nhờ có sự phát triển rất nhanh của công nghệ micro và nano Với việc chế tạo các lớp chuyển tiếp khác nhau chúng ta có thể tạo ra các loại linh kiện quang điện tử khác nhau Ví dụ, các chuyển tiếp p-n, p-n-p, n-p-n,… trong chất bán dẫn (Si hay Ge) tạo ra linh kiện bán... cơ chứa các chuyển tiếp khác nhau 1.1 Cấu trúc vùng năng lượng của một số chuyển tiếp Chuyển tiếp dị chất được gọi là biên tiếp xúc của hai chất khác nhau về cấu trúc tinh thể và thành phần cấu tạo tồn tại trong chất rắn Đối với chuyển tiếp dị chất của các chất bán dẫn thì hai chất đó thường là khác nhau về bề rộng vùng năng lượng cấm và các tính chất khác nhau như: ái lực hóa học, hằng số điện môi,... tiếp dị chất: vô cơ /vô cơ (WO3/nc-TiO2) và vô cơ / hữu cơ (MEH-PPV/nc-TiO 2), trong đó nc-TiO2 là kí hiệu của các hạt ôxit titan có kích thước nano (trung bình 20 nm) Nghiên cứu và đánh giá tính chất của các chuyển tiếp dị chất nano này đã cho thấy chúng có khả năng ứng dụng cao cho việc chế tạo các linh kiện với hiệu suất cao hơn, đáp ứng được các nhu cầu thực tiễn Ứng dụng làm lớp truyền hạt tải trong. .. Phổ quang huỳnh quang Phổ huỳnh quang biểu diễn mối quan hệ giữa cường độ huỳnh quang và bước sóng phát quang khi vật liệu nhận ánh sáng kích thích nào đó Phổ huỳnh quang cho biết bước sóng phát quang, các dịch chuyển quang học của điện tử của các tâm phát quang, các quá trình truyền năng lượng giữa các tâm phát quang Với mục đích nghiên cứu của đề tài, chúng tôi sử dụng phổ huỳnh quang để nghiên cứu. .. (điện tử) từ điện cực trong suốt sang lớp điện sắc, đồng thời thực hiện được hiệu ứng ECD của cả TiO2 và WO3 điều này có tác dụng nâng cao hiệu suất điện sắc của linh kiện điện sắc đa lớp so với đơn lớp; chuyển tiếp dị chất MEH-PPV/nc-TiO2 giúp tăng dải ánh sáng hấp thụ của pin mặt trời 3.1 Chuyển tiếp dị chất vô cơ/vô cơ Chuyển tiếp dị chất vô cơ/vô cơ (WO3/TiO2) được chế tạo bằng cách phủ điện hoá... trong khóa luận này, chúng tôi nghiên cứu tính chất của chuyển tiếp dị chất điện sắc trong hệ màng đa lớp WO3/TiO2/SnO2 Cơ chế xảy ra hiệu ứng điện sắc: Quá trình điện sắc xảy ra trong các vật liệu điện sắc vô cơ là kết quả của sự trao đổi ion và điện tử làm thay đổi mức độ oxy hóa của các tâm kim loại Quá trình này xảy ra theo phương trình điện hóa: MeOn + x.e + xM+ → MxMeOn Không màu Nhuộm màu Trong. .. trò là môi trường truyền điện tích Hình 1.11 Các quá trình thuộc điện tử của các phân tử chất cho - chất nhận, trong đó các phân tử chất nhận có thể phát xạ bằng cả trạng thái singlet và triplet [13] Trong qúa trình truyền điện tích, độ rộng vùng cấm của chất nhận sẽ đan xen vào trong vùng cấm của chất cho để tạo điều kiện cho sự truyền các điện tử và lỗ trống từ chất cho sang chất nhận, ở đó chúng sẽ . đích nghiên cứu: - Tạo màng chuyển tiếp dị chất cấu trúc nanô. - Nghiên cứu tính chất của các vật liệu chứa chuyển tiếp dị chất nanô. 1 - Qua khảo sát tính chất của linh kiện chế tạo từ chuyển tiếp. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU CHUYỂN TIẾP DỊ CHẤT NANO ỨNG DỤNG TRONG CÁC LINH KIỆN QUANG- HÓA-ĐIỆN TỬ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành:. Nghiên cứu chuyển tiếp dị chất nano ứng dụng trong các linh kiện quang hóa- điện tử ” là một dòng chảy đóng góp vào biển lớn của khoa học công nghệ thế kỷ XXI. Với mục đích nghiên cứu, tìm kiếm