Chế tạo, tổng hợp và nghiên cứu tình hình thái cấu trúc bề mặt và đặc trưng của hệ vi điện cực cấu trúc bởi dây nanopolymer dẫn điện biến tính polypyrol

- TRẦN THỊ TRANG VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ CHẾ TẠO, TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU HÌNH THÁI CẤU TRÚC BỀ MẶT VÀ ĐĂC TRƯNG CỦA HỆ VI ĐIỆN CỰC CẤU TRÚC BỞI DÂY NANOPOLYMER DẪN ĐIỆN BIẾN TÍNH POLYPYROL LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ 2009 Hà Nội – Năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- TRẦN THỊ TRANG CHẾ TẠO, TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU HÌNH THÁI CẤU TRÚC BỀ MẶT VÀ ĐĂC TRƯNG CỦA HỆ VI ĐIỆN CỰC CẤU TRÚC BỞI DÂY NANOPOLYMER DẪN ĐIỆN BIẾN TÍNH POLYPYROL Chuyên ngành : Vật liệu điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS Trần Trung Hà Nội – Năm 2011 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc.
- Chế tạo, tổng hợp và nghiên cứu hình thái cấu trúc bề mặt và đặc trưng của hệ vi điện cực cấu trúc bởi dây nanopolymer dẫn điện biến tính Polypyrol.
- Tôi xin cam đoan các kết quả tôi trình bày trong luận văn là do tôi nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Trung.
- Hưng Yên , ngày 24 tháng 9 năm 2011 Người viết  LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và nghiên cứu với sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp cùng sự nỗ lực cố gắng của bản thân, luận văn tốt nghiệp cao học của tôi đã được hoàn thành.
- Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Mai Anh Tuấn cùng các thầy cô giáo thuộc Viện đào tạo khoa học vật liệu quốc tế ITIMS đã tận tình dạy dỗ trau dồi cho tôi những kiến thức bổ ích cho quá trình thực hiện luận văn.
- Tôi xin chân thành cảm ơn thạc sĩ Chu Tuấn, kỹ sư Bùi Đại Nhân cùng tất cả các đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
- Do thời gian làm luận văn có hạn, điều kiện nghiên cứu còn thiếu thốn và là lần đầu tiên tôi thực sự bắt tay vào thực hiện một một đề tài nghiên cứu khoa học nên không tránh khỏi có những thiếu sót và hạn chế.
- Dòng ổn định của các mẫu ở thế tổng hợp khác nhau (không có gelatin) 55 7 Bảng 3.4.2.
- Dòng ổn định của các mẫu tổng hợp với hàm lượng pyrol khác nhau (không có gelatin) 55 8 Bảng 3.4.3.
- Dòng ổn định của các mẫu tổng hợp ở thời gian tổng hợp khác nhau (không có gelatin) 56 9 Bảng 3.4.4.
- Dòng ổn định của các mẫu ở thế tổng hợp khác nhau (có gelatin) 57 10 Bảng 3.4.5.
- Dòng ổn định của các mẫu có hàm lượng gelatin khác nhau trong dung dịch điện hóa 58 11 Bảng 3.4.6.
- Dòng ổn định của các mẫu có hàm lượng pyrol khác nhau trong dung dịch điện hóa (có mặt gelatin) 58 12 Bảng 3.4.7.
- Dòng ổn định của các mẫu thay đổi thời gian quét trong quá trình tổng hợp (có mặt gelatin) 59  DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ STT Hình Trang 1 Hình 1.1.
- Polyme dẫn điện tử 6 4 Hình 1.4.
- Cơ chế dẫn điện Roth của polyme dẫn 8 6 Hình 1.6.
- Một số dạng khuyết tật radical có thể có trong hệ thống electron  của polypyrol9 8 Hình 1.8 .Cơ chế polyme hóa điện hóa của pyrol 14 9 Hình 1.9.
- Polyme hóa điện hóa của pyrol 15 10 Hình 1.10: Cấu trúc aromatic và quinoid của polypyrrole 15 11 Hình 1.11.
- Sơ đồ minh họa các cấu trúc liên quan đến sự tạo thành các dạng hạt mang điện polaron và bipolaron 16 12 Hình 1.12.
- Cấu trúc vùng năng lượng của pyrol trước và sau pha tạp 17 13 Hình 1.13.
- 18 14 Hình 1.14 .
- Hình dạng của gelatin 22 15 Hình 1.15.
- Cấu trúc của Gelatine 22 16 Hình 2.1.
- Vi điện cực dùng trong quá trình tổng hợp dây polypyrol bằng phương pháp điện hóa 26 17 Hình 2.2.
- Mẫu sau khi tổng hợp 30 21 Hình 2.6.
- Sơ đồ đo của phương pháp biến thiên từng bậc điện thế 32 23 Hình 2.8.
- Biến thiên dòng điện và điện thế theo thời gian 34 25 Hình 2.10.
- Dải làm việc của các kỹ thuật hiển vi điện tử và quang học 35 26 Hình 2.11.
- Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy SEM 35 27 Hình 2.12.
- Mô hình mô tả tán xạ Raman của phân tử CH4 38 28 Hình 2.13.
- Tổng hợp Ppy trong LiClO4 (PBS pH = 7) (CV1) 42 30 Hình 3.1.2.
- Tổng hợp Ppy trong LiClO4 (PBS pH = 7) (CV5) 42 31 Hình 3.1.3.
- Tổng hợp Ppy trong LiClO4 (PBS pH = 7) (CV10) 43 32 Hình 3.1.4.
- Tổng hợp Ppy trong LiClO4 (PBS pH = 7) (CV1 – CV10) 43 33 Hình 3.2.1 Ảnh SEM mẫu ở thế tổng hợp khác nhau (không có gelatin) 45 34 Hình 3.2.2.
- Ảnh SEM các mẫu tổng hợp khi thay đổi hàm lượng pyrol (không có gelatin) 46 35 Hình 3.2.3.
- Ảnh SEM mẫu tổng hợp ở thời gian tổng hợp khác nhau (không có gelatin 47 36 Hình 3.3.1.
- Ảnh SEM mẫu tổng hợp ở thế áp đạt khác nhau (có gelatin) 49 37 Hình 3.3.2.
- Ảnh SEM mẫu thay đổi hàm lượng gelatin trong dung dịch điện hóa 50 38 Hình 3.3.3.
- Thay đổi hàm lượng pyrol trong dung dịch điện hóa (có mặt gelatin) 52 39 Hình 3.3.4.
- Ảnh SEM các mẫu tổng hợp với thời gian quét khác nhau (có gelatin) 53 40 Hình 3.3.5.
- Dạng đường quét thế tĩnh trong quá trình tổng hợp 55 42 Hình 3.4.1.Dòng ổn định của các mẫu ở thế tổng hợp khác nhau (không có gelatin) 56 43 Hình 3.4.2.
- Dòng ổn định của các mẫu tổng hợp với hàm lượng pyrol khác nhau (không có gelatin) 57 44 Hình 3.4.3.
- Dòng ổn định của các mẫu tổng hợp ở thời gian tổng hợp khác nhau (không có gelatin) 58 45 Hình 3.4.4.
- Dòng ổn định của các mẫu ở thế tổng hợp khác nhau (có gelatin) 58 46 Hình 3.4.5.
- Dòng ổn định của các mẫu có hàm lượng gelatin khác nhau trong dung dịch điện hóa 58 47 Hình 3.4.6.
- Dòng ổn định của các mẫu có hàm lượng pyrol khác nhau trong dung dịch điện hóa (có mặt gelatin) 59 48 Hình 3.4.7.
- Dòng ổn định của các mẫu thay đổi thời gian quét trong quá trình tổng hợp (có mặt gelatin).
- Phổ Raman tăng cường bề mặt của mẫu tối ưu 62 CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT PPy Polypyrol FT – IR Phổ hồng ngoại truyền qua SEM Kính hiển vi điện tử quét CV Cyclic voltammetry (quét thế vòng) PBS Dung dịch đệm photphat (phosphate buffer solution) 1 MỞ ĐẦU Gần đây, dây nano và ống nano của polyme dẫn là một trong những vẫn liệu mơ ước trong sự phát triển của lĩnh vực điện, quang và cảm biến.
- Bởi vậy các nhà nghiên cứu đã nỗ lực tập trung vào cấu trúc nano một chiều của polyme dẫn.
- Bằng phương pháp “khuôn cứng” dùng các khuôn xốp như khuôn nhôm, khuôn polycacbonat, các nhà khoa học đã tạo ra cấu trúc nano một chiều của polyme dẫn một cách hoàn chỉnh.
- Tuy nhiên sau khi tạo ra cấu trúc một chiều, những khuôn này phải được loại bỏ, quá trình loại bỏ này gây nhiều phiền phức và có thể dẫn tới sự hoà tan hoặc phá huỷ sản phẩm cuối.
- Chính vì vậy các nhà khoa học đang tiến tới một phương pháp mới, một phương pháp tránh được sự hoà tan của khuôn - phương pháp “khuôn mềm” (soft template).
- Chúng được thêm vào như một chất dopant có tác dụng như một khuôn để định hướng các polyme dẫn phát triển theo một chiều.
- Thường thì các khuôn mềm là các phân tử thẳng một chiều hoặc chúng tự sắp xếp thành cấu trúc nano một chiều.
- Trong quá trình polyme hóa, các polyme hóa sẽ phát triển theo hướng 1D của khuôn, kết quả là hình thành cấu trúc một chiều của polyme dẫn.
- So với phương pháp khuôn cứng, khuôn mềm tránh được bước hòa tan khuôn, khuôn mềm chỉ có vai trò định hướng cho sự phát triển của polyme theo một chiều và thường thì nó là chất dopant trong quá trình hình thành dây.
- Do đó trong khuôn khổ của đề tài “ Chế tạo, tổng hợp và nghiên cứu hình thái cấu trúc bề mặt và đặc trưng của hệ vi điện cực cấu trúc bởi dây nanopolymer dẫn điện biến tính Polypyrol”, chúng tôi 2 nghiên cứu hình thái cấu trúc của dây polypyrol được tạo thành theo phương pháp điện hóa với gelatin có tác dụng như một khuôn mềm.
- Mục đích nghiên cứu của luận văn là.
- Đưa ra quy trình tổng hợp dây nanopolypyrol + Phân tích hình thái cấu trúc của sản phẩm thu được + Phân tích thành phần dây nano thu được + Đưa ra kết luận và những kiến nghị.
- Đối tượng nghiên cứu: Dây nanopolypyrol.
- Phạm vi nghiên cứu: Trong phòng thí nghiệm.
- Chương 1: Tổng quan + Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu.
- Chương 3: Kết quả và thảo luận + Chương 4: Kết luận Phương pháp nghiên cứu.
- Phương pháp quét thế tĩnh + Phương pháp chụp SEM.
- Phương pháp phổ FT- IR.
- Phương pháp phổ Raman.
- Lịch sử phát triển của polymer dẫn Lịch sử của quá trình điện hóa tổng hợp các chất hữu cơ đã bắt đầu từ hơn 150 năm trước.
- M.Faraday lần đầu tiên phát hiện quá trình oxy hóa muối của Aliphatic tạo thành các ankan tương ứng.
- Cũng ngay từ thời đó H.Letheby đã điều chế được polyaniline bằng phương pháp điện hóa.
- Kể từ đó đến nay thì các màng polyme hoạt động điện hóa đã được chú ý, nhất là trong nhưng năm gần đây do khả năng ứng dụng ngày càng to lớn của các vật liệu trong xúc tác điện hóa, điện hoặc phân tử, các công nghệ sensor hóa học và sensor sinh học, quá trình tàng trữ và biến đổi năng lượng.
- Vào cuối những năm 1970 polyme dẫn đã trở thành chủ đề của các cuộc tranh luận lý thuyết.
- Những năm tiếp theo nhiều thí nghiệm đã được thực hiện nhằm tạo ra loại polyme có độ dẫn điện cao ví dụ như tổng hợp polyaxetylen.
- Thực chất của kỹ thuật “doping” này là cấy chọn lọc các tạp chất vào một chất bán dẫn nhằm tăng mạnh mẽ độ dẫn của nó và từ đó xuất hiện thuật ngữ “polyme dẫn”.
- Sự hợp tác của các nhà khoa học Nhật Bản với nhóm nghiên cứu tại trường tổng hợp Pennsylvania Mỹ đã tạo ra các màng polyme dẫn đầu tiên.
- Các polyme dẫn 4 khác với các chất bán dẫn vô cơ thông thường là có tính bất đẳng hướng cao và tạo ra cấu trúc gần như một chiều.
- Polyacetylen là vật dẫn hữu cơ điển hình đã được nghiên cứu một cách rộng rãi trong toàn bộ hệ thống polyme dẫn.
- Trong những năm 80 của thể kỉ 20, các nhóm nghiên cứu đã tiến hành tổng hợp polyheterocycle (polyme của các hợp chất dị vòng).
- Bằng cách đó, người ta đã tạo ra các dẫn xuất của polyme, giúp chúng tan trong các loại dung môi khác nhau đồng thời làm thay đổi khả năng phản ứng của chúng.
- Tháng 10 năm 2000, hội đồng khoa học giải thưởng Nobel Thụy Điển đã thừa nhận tầm quan trọng của polyme dẫn bằng việc trao giải Nobel hóa học cho ba giáo sư Alan.J.Heeger, Alan.G.MacDiarmid và Hideki Shirakawa với công trình “Synthesis of Electrically Conduction Organic Polymers: Halogen Derivatives of Polyacetylenen, (CH)x” và đã có nhiều đóng góp trong việc phát triển polyme dẫn.
- Hiện nay, polymer dẫn đang là một trong những loại vật liệu triển vọng được quan tâm, nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ.
- Hình 1.1 so sánh độ dẫn của polymer dẫn so với các loại vật liệu khác.
- Độ dẫn của các loại vật liệu 5 1.1.2.
- Phân loại polyme dẫn Polyme dẫn là loại polyme có thể dẫn điện được.
- Người ta phân polyme dẫn làm ba loại chính.
- Polyme oxi hoá khử (redox polymer): Là các polyme dẫn điện có chứa các nhóm hoạt tính oxi hoá/khử liên kết cộng hoá trị đối với mạch polyme không hoạt động điện hoá.
- Trong các polyme loại này sự vận chuyển điện tử xảy ra thông qua quá trình tự trao đổi electron liên tiếp giữa các nhóm oxi hoá/khử gần kề nhau.
- Các polyme oxy hóa khử thường được tạo thành trước bằng phương pháp oxy hóa khử sau đó chúng kết tủa lên bề mặt điện cực khi nhúng điện cực vào dung dịch.
- Polyme oxy hóa khử + Polyme dẫn điện tử (electronically conducting polymer) hay còn gọi là kim loại hữu cơ (organic metals): mạch polyme đã có các liên kết đôi liên hợp mở rộng, kết quả là không có sự tích tụ cục bộ điện tích một cách đáng kể.
- Các polyme dẫn điện tử như polypyrol thể hiện tính dẫn gần giống kim loại và duy trì tính dẫn trên một vùng điện thế rộng.
- Vùng dẫn này bị khống chế mạnh bởi bản chất hóa học của polyme và hơn thế nữa nó có thể bị khống chế bởi điều kiện tổng hợp.
- Các polyme dẫn điện tử được tạo thành trực tiếp qua con đường kết tủa điện hóa.
- Polyme dẫn điện tử Các polyme oxy hóa khử và polyme dẫn điện tử đều có thể được tổng hợp bằng phương pháp điện hóa hay hóa học.
- Tùy thuộc vào vật liệu và mục đích sử dụng chúng ta có thể áp dụng các phương pháp khác nhau để chế tạo các polyme dẫn điện tử và polyme oxi hóa.
- Polyme trao đổi ion (ion exchange polymer):Polyme trao đổi ion là polyme có các cấu tử hoạt tính oxy hoá/khử liên kết tĩnh điện với mạng polyme dẫn ion.
- Khi đó sự vận chuyển electron có thể do sự nhảy cách điện tử giữa các vị trí oxy hoá khử cố định hoặc do sự khuếch tán một phần các dạng oxy hoá khử kèm theo sự chuyển electron.
- Sự thay đổi trạng thái oxy hóa đi kèm với quá trình ra vào của ion trái dấu bù điện tích.
- Chúng biểu hiện cả tính dẫn điện tử và dẫn ion.
- Cơ chế dẫn của polyme dẫn 1.2.1.
- Quá trình chuyển điện tích vĩ mô trong các mạng polyme dẫn là sự tập hợp các cơ chế vận chuyển cục bộ

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt