Công nghệ OLED (Organic light-emitting diode) đã và đang thực sự chứng tỏ sức mạnh của mình, nó đang dần dần thay thế công nghệ LCD, mặc dù công nghệ OLED chưa đưa vào ứng dụng phổ biến như cộng nghệ LCD hiện nay. Bằng chứng là các thiết bị điện tử công nghệ cao như laptop và điện thoại di động hay tivi đã ứng dụng thành công công nghệ OLED để cho ra nhưng sản phẩm đẹp mắt và khá ấn tượng. Phần 1 đã nêu lên loại vật liệu chế tạo pin năng lượng là một dẫn xuất của polythiophene gọi là PEDOT, thì trong phần 2 này vật liệu chính để chế tạo OLED là polythiophene không mang bất kì một nhóm thế nào. Trong phần 2 này, tác giả sẽ giới thiệu một phương pháp tổng hợp rất mới mà các nhà khoa học đã phát triển vào cuối năm 2010.
Màn hình laptop làm từ công nghệ OLED
Kể từ khi polythiophene được tổng hợp ra, người ta thấy rằng đây là một loại polymer “cứng” rất khó gia công tạo hình cho sản phẩm vì thế trong những năm thập niên 90 người ta muốn tổng hợp một polythiophene mềm hơn bằng các monomer là dẫn xuất của thiophene như 3-metylalkylthiophene, nhóm alkyl thường là n-octyl. Mặc dù mục đích tạo ra polymer mềm đã thành công nhưng một điều trớ trêu rằng poly(3-metylalkylthiophene) được tạo thành lại ở dạng atactic (bất đều hòa vị trí nhóm alkyl).
Cấu trúc bất đều hòa của poly(3-metylalkylthiophene)
Chính cấu trúc bất đều hòa thế này đã phá vỡ hệ thống liên hợp “phẳng” pi, nên tính dẫn điện của sản phẩm tạo thành bị giảm đáng kể. Vì thế, những năm gần đây các nhà khoa học đã tìm ra các phương pháp tổng hợp polythiophene ở dạng màng hoặc tạo ra các hạt ở kích thước nano qua con đường “bottom up”.
Vào cuối năm 2010 các nhà khoa học đã tổng hợp thành công polythiophene với kích thước các hạt nano bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương trong môi trường nước thông qua việc sử dụng chất hoạt động bề mặt là sodium dodecyl sulfonate (SDS). Phương pháp này sử dụng xúc tác là các muối Cu(II). So với việc sử dụng muối Fe(III) thì khi sử dụng muối Cu(II) các hạt nano được hình thành rất đồng đều. Các muối Cu(II) khác nhau sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất, tính chất và hình thái của polythiophene. Các muối như Cu(NO3)2, CuSO4, CuCl2 đều cho thấy có hiệu quả xúc tác cho quá trình trùng hợp. Các hạt polythiophene được hình thành ở dạng hình cầu đường kính 60-100 nm với hiệu suất 86 – 98%. Khi sử dụng muối CuBr2 thì polythiophene được sinh ra với cấu trúc vô định hình và hiệu suất thấp 39%. Sau phản ứng, người ta tiến hành doping polymer bằng I2 nhằm giúp cho polymer có khả năng dẫn điện.
Trong phương pháp trùng hợp nhũ tương mà các tác giả đã sử dụng, ngoài hệ phân tán là nước, monomer thiophene, chất hoạt động bề mặt, xúc tác là muối Cu2+ thì còn có mặt của H2O2 30%. Vai trò của H2O2 nhằm tái sinh lại Cu2+ theo cơ chế (do đó mà lượng Cu2+ được sử dụng là rất ít):
Cu+ + H2O2 = Cu2+ + H2O + O2
Phản ứng tổng hợp polythiophene
Các nghiên cứu khi sử dụng chất xúc tác là các loại muối đồng II khác cũng được tiến hành. Quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của các loại xúc tác muối Cu (II) khác nhau đến hiệu suất – vận tốc phản ứng được biểu diễn trong hình dưới đây:
Hiệu suất và vận tốc phản ứng của trùng hợp polythiophene khi sử dụng các muối đồng II khác nhau.
Hình trên chỉ rõ muối Cu(NO3)2 là chất xúc tác cho hiệu suất và vận tốc cao nhất, kế đến là CuSO4 và CuCl2. Các kết được tổng kết trong bảng dưới.
Hiệu suất và hình dạng của polythiophene khi dùng các muối đồng II khác nhau.
Hình dạng của polythiophene được xem dưới SEM: (a và b) CuCl2; c) CuBr2; (d và e) CuSO4; (f và g) Cu(NO3)2.
Kết luận:
Trong các nghiên cứu này, trùng hợp nhũ tương oxy hóa của thiophene trong môi trường nước với một loạt các xúc tác là muối đồng (II) với sự hiện diện của SDS là chất hoạt động bề mặt và H
2O2. Kết quả cho thấy muối đồng khác nhau có ảnh hưởng khá rõ ràng về vận tốc trùng hợp cũng như hình thái và tính chất của polythiophene. Việc sử dụng các muối Cu(II) như CuCl2, CuSO4 và Cu(NO3)2 làm chất xúc tác giúp phản ứng có thể đạt được hiệu suất cao và các hạt polythiophene tạo ra có hình cầu với kích thước nano. Ngược lại, khi sử dụng muối CuBr2làm xúc tác thì polythiophene thu được có hình thái bất thường và hiệu suất phản ứng cũng rất thấp. Mặt khác khi doping bằng I2 thì polythiophene với các chất xúc tác CuCl2, CuSO4 và Cu(NO3)2 cũng cho độ dẫn, độ bền nhiệt cao hơn so với khi dùng xúc tác CuBr2 [1].
Ứng dụng của polythiophene vào OLED
Cấu trúc OLED
Tấm nền (substrate) – làm từ nhựa trong, thủy tinh, … Tấm nền có tác dụng chống đỡ cho OLED.
Anode (trong suốt) – anode sẽ lấy đi các electron (hay tạo ra các lỗ trống mang điện dương) khi có một dòng điện chạy qua thiết bị.
Các lớp hữu cơ – các lớp này được tạo thành từ các phân tử hữu cơ hay polymer.
Lớp dẫn (conductive layer) – lớp này được làm từ các phân tử hữu cơ dẻo có nhiệm vụ truyền tải các lỗ trống từ anode. Một polymer dẫn được sử dụng trong các OLED là polyaniline.
Lớp phát sáng (emissive layer) – lớp này được làm từ các phân tử hữu cơ dẻo (nhưng khác loại với lớp dẫn) có nhiệm vụ truyền tải các electron từ cathode. Một loại polymer dùng trong lớp phát sáng là polythiophene.
Cathode (có thể trong suốt hoặc không tùy thuộc vào loại OLED) – cathode sẽ tạo ra các electron khi có dòng điện chạy qua thiết bị. [2]
Nguyễn Cao Thạch (Chỉnh sửa bởi nhóm Ichem)
Nguồn: Cyberchemvn.com
Tham khảo:
[1] Sciencedirect, Facile synthesis of dispersible spherical polythiophene nanoparticles by copper(II) catalyzed oxidative polymerization in aqueous medium Synthetic Metals, Volume 160, Issues 9-10, May 2010, Pages 921-926 Zi Wang, Yanyan Wang, Dong Xu, Eric Siu-Wai Kong, Yafei Zhang.
<
p class=”p6″>[2] http://www.khoahoccongnghe.com
