Đột phá trong chế tạo polyme truyền tải điện tích siêu nhanh  


Hình 1. Polyme bán dẫn với các mạch phân tử được sắp thẳng đứng (Nguồn: Umea University)

Vào ngày 28/1/2016, trang tin tức khoa học Science Daily đã đăng thông tin phát minh mới về các polyme bán dẫn (semiconducting polymer) siêu truyền tải điện tích (ultra-fast transport of electrical charge) bằng cách điều khiển các mạch và định hướng các mầm tinh thể (crystallite) [1]. Polyme bán dẫn mới do các nhà khoa học Thụy Điển công bố có thể truyền tải các hạt mang điện nhanh gấp 1000 lần so với các polyme hiện nay. Phát minh của họ đã được công bố trên tạp chí khoa học danh giá Advanced Materials [2].

Polyme dẫn điện (electrically conducting polymer) được phát hiện ra vào năm 1977 bởi ba nhà khoa học Alan J. Heeger, Alan MacDiarmid và Hideki Shirakawa [3]. Đến năm 2000, họ được trao tặng giải Nobel Hóa học cho sự khám phá đó. Kể từ khi polyme dẫn điện được tìm ra, chúng trở thành một đề tài nghiên cứu rất hấp dẫn cho các nhà nghiên cứu vật lý, hoá học, vật liệu học, điện học và cả sinh học. Các ứng dụng nổi bật có thể kể đến như các tấm pin năng lượng mặt trời (photovoltaic solar cell-OPV), đèn điốt phát quang hữu cơ (organic light emitting diode - OLED), siêu tụ điện (supercapacitor), transitor hiệu ứng trường (field-effect transitor), các bộ chuyển tín hiệu trong các thiết bị điện tử, cảm biến hóa học (chemical sensor), cảm biến sinh học (biosensor)… [4-6].

 

Hình 2. Pin năng lượng mặt trời hữu cơ (Organic solar cell) (Nguồn: oled-display.net)

Có nhiều loại polyme dẫn điện khác nhau như polyme có chứa vòng thơm (aromatic cycle), polyme có chứa các liên kết đôi (double bonds), hay vừa chứa vòng thơm vừa chứa liên kết đôi. Trong số đó, các polyme polythiophene (thuộc nhóm chứa vòng thơm) như poly(3-hexylthiophene) (P3HT) được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất vì có độ hấp thu quang học cao và dễ dàng gia công thành các màng mỏng (thin film) từ dung dịch. Tuy nhiên, một vấn đề đối với hầu hết các polyme này là khả năng di chuyển của các hạt mang điện bên trong vật liệu còn rất thấp so với silicon hay các vật liệu vô cơ khác [7]. Điều này hạn chế tiềm năng ứng dụng của chúng trong các linh kiện điện tử.

Thông thường, sự truyền tải điện tích trong polyme dẫn điện thông qua 2 hướng: hướng  các liên kết π-π liên hợp qua sự chồng lấn các obitan điện tử giữa các mạch (inter chain electronic orbital overlap); hay dọc theo mạch chính (chain backbone). Do bị ảnh hưởng của khuyết tật (defect), lệch lạc cấu trúc (structural disorder) và liên kết mạch kém (poor connectivity) nên thường độ linh động (mobility) (khả năng di chuyển tự do và dễ dàng của các hạt mang điện trong các polyme dẫn) không cao.

Với các ứng dụng làm pin năng lượng mặt trời và các điốt phát quang hữu cơ, các điện tích phải được truyền tải theo hướng không cùng mặt phẳng (out of plane) hay thẳng đứng (vertical) bên trong màng polyme. Điều này sẽ giúp làm giảm sự tái kết hợp (recombination) và đạt được hiệu suất cao (trong OPV) hay độ sáng hơn (trong OLED).  Trong nghiên cứu của mình, các giáo sư ở Đại học Umea đã tìm ra một phương pháp mới để kết nối (align) các mạch polyme P3HT theo hướng thẳng đứng (vertically) và tạo ra một sự truyền tải điện tích hiệu quả hơn khắp mạch chính. Bằng cách kiểm soát sự định hướng các mầm tinh thể và các chuỗi mà không cần dùng thêm bất cứ các chất pha tạp (doping) nào, độ linh động mobility có thể đạt tới 3.1 cm2/V.s. Để so sánh, trước nghiên cứu này độ linh động lớn nhất của P3HT được ghi nhận là 6 x 10-3 cm2/V.s [8].

Các kết quả này mở ra một triển vọng đầy hứa hẹn trong việc chế tạo các linh kiện điện tử hữu cơ (đặc biệt là OPV, OLED, laser…) bằng một phương pháp đơn giản, kinh tế và không đòi hỏi công đoạn biến tính hóa học (chemical modification) phức tạp. Các linh kiện điện tử này sẽ được thiết kế lại để đạt hiệu quả hơn, sáng hơn, đáp ứng các đòi hỏi ngày một cao của thị trường.                    

Tác giả: Nguyễn Văn Tâm (Viện Công nghệ Kyoto, Nhật Bản)

Tài liệu tham khảo

1.          Umea University, Breakthrough enables ultra-fast transport of electrical charges in polymers , ScienceDaily, 28 January 2016,  http://www.sciencedaily.com/releases/2016/01/160128113819.htm
2.         Vasyl, S., et al., Ultrahigh mobility in an organic semiconductor by vertical chain alignment, Adv. Mater., 2016. DOI: 10.1002/adma.201503422.
3.         Shirakawa, Hideki; Louis, Edwin J.; MacDiarmid, Alan G.; Chiang, Chwan K.; Heeger, Alan J., Synthesis of electrically conducting organic polymers: Halogen derivatives of polyacetylene, (CH) x. Journal of the Chemical Society, Chemical Communications, 1977, 578 (16). DOI:10.1039/C39770000578.
4.         Lange, U.;  Roznyatovskaya, N.V.; Mirsky, V.M. Conducting polymers in chemical sensors and arrays. Analytica Chimica Acta, 2008, 614(1): 1-26. DOI:10.1016/j.aca.2008.02.068
5.         Sekitani, T.; Zschieschang, U.; Klauk, H.; Someya, T. Flexible organic transistors and circuits with extreme bending stability. Nat. Mater. 2010, 1015-1022 (9).
6.         Schwartz, G., et al., Flexible polymer transistors with high pressure sensitivity for application in electronic skin and health monitoring. Nat. Commun. 2013, 1859 (4).
7.          Holliday, S.; Donaghey, J. E.; McCulloch, I., Advances in Charge Carrier Mobilities of Semiconducting Polymers Used in Organic Transistors. Chem. Mater. 2014, 647 (26).
8.          Coakley, K. M., et al., Enhanced Hole Mobility in Regioregular Polythiophene Infiltrated in Straight Nanopores. Adv. Funct. Mater. 2005, 1927 (15).

--------

Đăng ngày: 02/08/2016

Category: 

Add new comment

CAPTCHA
This question is for testing whether or not you are a human visitor and to prevent automated spam submissions.
Image CAPTCHA
Enter the characters shown in the image.