Trong thời gian từ năm 2014 đến 2017, nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Công nghệ, Đại học quốc gia Hà Nội do GS. Nguyễn Năng Định làm chủ nhiệm, đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tính chất truyền hạt tải trong màng mỏng tổ hợp nanô sử dụng cho OLED, OSC, OECD và OTFS nhằm nâng cao hiệu suất của linh kiện”.

Đề tài nhằm thực hiện ba mục tiêu: Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nanô chứa các chuyển tiếp dị chất dạng khối, màng mỏng, ống, thanh và chấm lượng tử phù hợp cho các linh kiện OLED, OSC, OECD và OTFS, đồng thời nâng cao hiệu suất của chúng; Thực nghiệm chế tạo mẫu và phân tích các đặc trưng tinh chất của vật liệu và linh kiện chế tạo từ các tổ hợp nano để phát hiện các kết quả mới, đặc thù. Qua đó xuất bản các công trình khoa học chất lượng cao, đăng trên tạp chí thuộc ISI, SCI, SCIE và các tạp chí uy tín trong nước; và Nâng cao trình độ nghiên cứu khoa học cho các thành viên của nhóm, đào tạo thạc sĩ và tiến sĩ trình độ đạt chuẩn quốc tế trong lĩnh vực vật liệu và linh kiện tổ hợp cấu trúc nano.

Một số kết quả nghiên cứu về vật liệu và linh kiện quang điện tử cấu trúc nano của đề tài:

Về công nghệ

1. Bằng kĩ thuật spin-coating, chế tạo thành công các vật liệu cấu trúc nano chứa chuyển tiếp dị chất khối (bulk heterojunction) giữa polymer và các hạt nano ôxit kim loại. Việc pha trộn các hạt nano vô cơ như TiO2, ZnO, YAG:Ce, CNT, chấm lương tử QDs,  graphene QD (GQD) vào các polymer kết hợp như MEH-PPV, PEDOT-PSS, P3HT đã tạo nên vật liệu tổ hợp có tính năng vượt trội so với polymer thuần khiết. Các tính năng đó bao gồm khả năng chịu nhiệt cao hơn, hệ số giãn nở nhiệt thấp, giảm những kênh rạn nứt nano trong polymer nên giảm thiểu tâm bẫy hạt tải trong các linh kiện quang điện tử hữu cơ như điôt phát quang (OLED, WLED), pin măt trời (OSC, P-SC) và cảm biến màng mỏng hữu cơ (OTFS).

2. Bằng kĩ thuật lắng đọng điện hóa, chế tạo thành công vật liệu chứa chuyển tiếp dị chất mặt (planar heterojunction) vô cơ/vô cơ (nc-WO3/nc-TiO2) và hữu cơ/vô cơ (PANI/ nc-TiO2) sử dụng trong các linh kiện hiển thị điện sắc (ECD, OECD). Nhờ các chuyển tiếp dị chất nano quá trình tiêm thoát cation vào trong lớp điện sắc kép xảy ra nhanh hơn và hàm lượng cation (Li+) xâm nhập/thoát ra lớp điện sắc cũng tăng lên.

3. Bằng kĩ thuật phún xạ cao áp cao tần (Rf-sputtering), chế tạo lớp đêm nc-ZnO lêntrên điện cực trong suốt ITO dùng làm lớp cản lỗ trống quay về phái điện cực ITO trong linh kiện pin mặt trời đa lớp ITO/ZnO/PCPM/P3HT/Al. Nhờ lớp đệm nc-ZnO mỏng vài nanomet hiệu ứng tách hạt tải (điện tử - lỗ trống) xảy ra tốt hơn, do đó mật độ điện tử đi đến điện cực ITO tăng lên, trong khi mật dộ lỗ trống đi về điện cực Al cũng tăng.

Về nghiên cứu tính chất

Vật liệu tổ hợp nano chứa chuyển tiếp dị chất được khỏa sát cấu trúc tinh thể (XRD), hình thái học bề mặt (AFM, FE-SEM) các tính chất quang (hấp thụ), quang huỳnh quang (PL), điện huỳnh quang (EL), đặc tuyến I-V, phổ điện thế quét vòng (CV), v.v… Qua đó nhằm làm sáng tỏ cơ chế và tính chất của quá trình truyền năng lượng và hạt tải qua chuyển tiếp dị chất nêu trên. Kết quả khảo sát các đặc trưng trên đã làm sáng tỏ một số tính chất đặc thù của vật liệu nano chứa chuyển tiếp dị chất như:

1. Tính chất dập tắt huỳnh quang (PL-quenching) phụ thuộc vào hàm lượng pha trộn hạt nano vô cơ. Qua các nghiên cứu chi tiết, hiệu suất hay hệ số dập tắt huỳnh quang cao nhất nhận được khi hàm lượng nc-TiO2 trong polymer là 5% khối lượng. Thông qua nghiên cứu này quá trình truyền hạt tải và truyền năng lượng không phát xạ (hiệu ứng Föster) cũng được phát hiện. Hệ số dập tắt huỳnh quang càng cao thì quá trình tách hạt tải (điện tử - lỗ trống) càng hiệu quả, do đó hiệu suất chuyển hóa quang-điện năng linh kiện OSC càng cao.

2. Bột nano-YAG:Ce chế tạo bằng phương pháp sol-gel, tiếp theo làm giàu bằng kĩ thuật phun hơi nano NST (nano steam technique), nhờ đó bột nano đồng nhất kích thước hạt ~ 15 nm đã nhận được và dùng để trôn vào polymer kết hợp (MEH-PPV). Sử dụng nano MEH-PPV+nc-YAG làm lớp phủ phát quang trong LED trắng (WLED) đã làm giãn rộng phổ phát quang và nâng cao chỉ số hoàn màu (CRI).

3. Tính chất nhạy khí của vật liệu tổ hợp nano như chấm lượng tử graphene GQDs +PEDOT:PSS+CNT hay GQDs + PEDOT:PSS+AgNW phụ thuộc không những vào tỉ lệ thành phần GQDs/PEDOT:PSS mà còn vào hàm lượng pha NCT. Độ nhạy ẩm của linh kiện cảm biến điện trở chế tạo từ tổ hợp GQDs + PEDOT:PSS+CNT đạt giá trị ~ 11.0 % khi hàm lượng CNT pha vào 1,2 kl%. Điều này chứng tỏ các biên tiếp xúc dị chất tạo nên bởi CNT và GQD đã làm tăng nồng độ hạt tải trong polymer khi hấp phụ khí, đồng thời quá trình truyền hạt tải qua chuyển tiếp dị chất cũng được cải thiện.

Kết quả nghiên cứu có khả năng được ứng dụng trong thực tiễn như chế tạo nguồn chiếu sáng phẳng (OLED) tích hợp mạch vi lưu và nguồn điện dung lượng cao (pin SSB) ứng dụng trong vi phân tích y-sinh và môi trường; chế tạo pin mặt trời hữu cơ tích hợp pin ion rắn để khai thác nguồn năng lượng mặt trời; chế tạo cảm biến điện trở màng mỏng độ nhạy và chọn lọc khí cao ứng dụng trong quan trắc môi trường và giám sát khí thải độc hại…

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 13528/2017) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

N.T.T (NASATI)