Nghiên cứu tổng hợp vật liệu điện, điện tử thế hệ mới từ nguyên liệu thân thiện môi trường

BỘ CƠNG THƯƠNG
ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
THẾ HỆ MỚI TỪ NGUYÊN LIỆU THÂN THIỆN MÔI
TRƯỜNG
Mã số đề tài: 192.Đ02
Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Hoài Thương
Đơn vị thực hiện: Khoa Cơng Nghệ Điện

Tp. Hồ Chí Minh, ........…


LỜI CÁM ƠN
Chủ nhiệm đề tài xin chân thành cảm ơn sự quan tâm của Ban giám hiệu, hội đồng xét
duyệt, lãnh đạo Khoa Cơng nghệ điện và các phịng ban của Trường Đại học Cơng Nghiệp
Tp. Hồ Chí Minh đã hỗ trợ trong suốt quá trình xét duyệt, thực hiện và nghiệm thu đề tài.
Chủ nhiệm đề tài cũng xin chân thành cảm ơn đến quý đồng nghiệp, các nhà làm chun
mơn đã đóng góp những ý kiến q báo trong quá trình đo đạc, tổng hợp và phân tích kết
quả thực nghiệm, giúp cho đề tài được thực hiện đúng tiến độ và hoàn thành các mục tiêu đề
ra.
Chủ nhiệm đề tài rất mong tiếp tục nhận được sự quan tâm giúp đỡ của Nhà trường, quý
đồng nghiệp trong thời gian tới để tiếp tục mở rộng phát triển đề tài. Có như vậy đề tài mới
có thể triển khai ứng dụng thực tế.
Xin chân thành cảm ơn.

1

PHẦN I. THƠNG TIN CHUNG

I. Thơng tin tổng qt
1.1. Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu điện-điện tử thế hệ mới từ nguyên liệu
thân thiện môi trường
1.2. Mã số: 192. Đ02
1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài
TT
1

Họ và tên
(học hàm, học vị)
TS. Nguyễn Hồi Thương

Đơn vị cơng tác

Vai trị thực hiện đề tài

Khoa Công Nghệ Điện

Chủ nhiệm đề tài

1.4. Đơn vị chủ trì:
1.5. Thời gian thực hiện:
1.5.1. Theo hợp đồng: tháng 01 năm 2019 đến tháng 01 năm 2020 (theo hợp đồng số
15/HĐ-ĐHCN ký ngày 18/01/2019)
1.5.2. Gia hạn (nếu có): khơng
1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 01 năm 2019 đến tháng 08 năm 2019

1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): khơng có
1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 50 triệu đồng.

II. Kết quả nghiên cứu
1. Đặt vấn đề
Hiện nay, một số lượng lớn các thiết bị điện-điện tử chứa nhiều chất độc hại sau khi sử
dụng được thải trực tiếp ra môi trường tự nhiên, gây ra các vấn đề lớn đối với mơi trường và
sức khỏe của con người. Chính vì vậy, việc sử dụng các loại vật liệu thế hệ mới thân thiện
môi trường để chế tạo các thiết bị điện-điện tử tương lai là một hướng đi đầy triển vọng. Ý
tưởng đưa các vật liệu thân thiện môi trường vào nghiên cứu chế tạo các thiết bị điện-điện
tử không quá mới. Năm 2010, tạp chí Nature đã cơng bố một cơng trình nghiên cứu [1]
được thực hiện bởi một nhóm các nhà khoa học đã chế tạo thành công các transistor hữu cơ,
tạo ra một hướng đột phá trong lĩnh vực điện-điện tử. Một nhóm tác giả khác vào năm 2014
[2] đã thành công trong việc sử dụng giấy làm nền cho transistors và phát triển các linh kiện
bộ nhớ. Những cơng trình mang tính bước ngoặc này đã cho ra đời một lĩnh vực điện tử mới
gọi là: điện tử xanh “green electronics”. Cho đến nay, có thêm nhiều vật liệu liên quan được
tổng hợp thành công, như vật liệu nanocomposite sắt điện từ tinh thể xenlulo [3]. Tuy nhiên,
số lượng cơng trình hiện nay vẫn cịn rất hạn chế so với tiềm năng phát triển của nó.
Xenlulo ln có sẵn trong tự nhiên (trong thực vật, tảo và vi khuẩn), khơng tốn kém và
thân thiện mơi trường (Hình 1). Ý tưởng về việc sử dụng xenlulo trong điện – điện tử có thể
tạo nên sự đột phá mới vì cùng một lúc có thể giải quyết rất nhiều vấn đề trong giai đoạn
hiện nay. Trong các cơng trình đã được công bố trước đây, xenlulo chủ yếu được dùng dưới
dạng ống nano. Nhược điểm của loại vật liệu là rất khó kiểm sốt được hàm lượng chất sắt
2


điện đưa vào bên trong ống. Đề tài này sẽ giúp giải quyết thêm vấn đề về việc kiểm soát
hàm lượng thành phần trong vật liệu, từ đó có thể điều chỉnh các tham số điện phù hợp với
từng yêu cầu cụ thể của thực tiễn. Hơn thế nữa, xenlulo có chứa liên kết hidro và có thể liên
kết với các vật liệu có chứa liên kết hidro khác. Chính vì vậy, chất sắt điện được sử dụng

trong đề này là muối Rochelle với tính chất sắt điện đặc trưng được hình thành từ các liên
kết hidro. Nếu sự tương tác giữa muối Rochelle và xenlulo hình thành, cấu trúc của liên kết
hydro trong muối Rochelle có thể bị ảnh hưởng, từ đó làm thay đổi tính chất điện của nó và
nảy sinh những bất thường. Làm rõ bản chất tương tác đó khơng chỉ rất có ích đối với các
nghiên cứu cơ bản mà còn cả các ứng dụng thực tiễn.

Hình 1 – Ý tưởng về vật liệu điện – điện tử thân thiện môi trường
2. Mục tiêu
a. Mục tiêu tổng quát.
Phát triển thành công một loại vật liệu điện-điện tử thế hệ mới có thể sử dụng chế tạo các
linh kiện bộ nhớ và nâng cao khả năng tích điện của tụ điện.
b. Mục tiêu cụ thể.
Sử dụng các hạt nanoxenlulo, một nguyên liệu có nguồn gốc tự nhiên, không tốn kém và
thân thiện môi trường làm thành phần phát triển vật liệu điện-điện tử thế hệ mới bằng cách
3


kết hợp với muối Rochelle – một vật liệu sắt điện truyền thống và cũng là vật liệu sắt điện
đầu tiên được phát hiện.
3. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài được nghiên cứu dựa trên các phương pháp thực nghiệm. Vật liệu được tổng hợp
trong phịng thí nghiệm từ 2 thành phần thân thiện mơi trường: các hạt xenlulo ở kích thước
nano được tổng hợp từ rác thải và một vật liệu sắt điện truyền thống (muối Rochelle). Hình
thái, cấu trúc, các tham số điện của vật liệu (sự thay đổi của hằng số điện mơi theo nhiệt độ,
tính chất chuyển pha, hiện tượng tích thốt ở tần số thấp,…) cũng được đo đạt trong phịng
thí nghiệm.
Các tham số điện cụ thể được nghiên cứu là:
-

-

-

-

Sự phụ thuộc của hằng số điện môi và phổ DSC vào nhiệt độ ở tần số cố định. Tham
số này sẽ cho biết được nhiệt độ chuyển pha sắt điện của muối Rochelle trong vật liệu
composite được tổng hợp.
Tính chất bề mặt và kích thước của hạt nanoxenlulo cũng như của vật liệu composite
được tổng hợp: kết quả này cho biết tổng quan về sự phân bố của các thành phần
trong composite. Ngoài ra, cùng với thơng tin về kích thước hạt xenlulo ở cấp độ nano
giúp chúng ta đưa ra các giả định về sự tương tác của các thành phần vật liệu vì kích
thước hạt càng bé thì diện tích về mặt càng cao. Điều này rất quan trọng để giải thích
các tính chất điện thu được.
Phổ XRD và phổ FTIR: làm rõ cấu trúc tinh thể và các nhóm chức của vật liệu.
Trước hết, kết quả này nhằm khẳng định độ tin cậy của vật liệu tổng hợp được nếu
không thấy sự xuất hiện của các pha lạ. Thứ hai, thông tin về cấu trúc cũng rất hữu ích
cho việc giải thích các tính chất điện vật liệu.
Kiểm tra phản ứng các tham số điện của vật liệu vào tần số bằng điều chỉnh tần số
điện áp đặt vào vật liệu. Điều này có thể hữu ích để nghiên cứu sự dịch chuyển vách
domen, sự dịch chuyển điện tích cũng như cung cấp nhiều thông tin quan trọng cho
các ứng dụng thực tiễn của vật liệu.

4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu
- Thành phần nano xenlulo được tổng hợp thành công từ cotton phế thải với độ tinh khiết
cao. Kích thước hạt đạt từ 40 – 80 nm. Ở kích thước này, diện tích bề mặt của hạt nano
khá lớn, giúp cho quá trình tương tác với muối Rochelle mạnh hơn. Kết quả phổ XRD và
FTIR không phát hiện pha lạ trong các vật liệu ban đầu dùng để tổng hợp vật liệu.
- Vật liệu nanocomposite sắt điện từ hai thành phần thân thiện môi trường (hạt
nanoxenlulo và muối Rochelle) được tổng hợp thành công với các tỉ lệ khối lượng khác

nhau, và được kiểm chứng bởi phổ XRD và FTIR. Kết quả kiểm tra hình thái cho thấy,
hàm lượng hạt nanoxenlulo càng lớn thì tinh thể Rochelle có kích thước càng nhỏ.
- Theo kết quả kiểm tra sự biến đổi của hằng số điện môi, sự thay đổi phổ DSC và XRD,
điểm chuyển pha sắt điện của muối Rochelle trong vật liệu dịch chuyển lên nhiệt độ cao
hơn so với muối ở trạng thái đơn tinh thể có kích thước thơng thường. Ngồi ra, thành
4


phần khối lượng xenlulo càng lớn thì nhiệt độ chuyển pha càng lớn. Đặc biệt, khi thành
phần khối lượng muối Rochelle chiếm tỉ lệ không đáng kể (khoảng dưới 10%), pha sắt
điện của vật liệu có thể duy trì đến nhiệt độ phân rã của muối Rochelle.
- Kết quả thu được có thể được giải thích giữa trên sự tương tác mạnh giữa hai thành
phần của vật liệu nanocomposite là hạt nanoxenlulo và tinh thể muối Rochelle. Sự tương
tác này có thể giúp duy trì trạng thái phân cực tự phát, từ đó mở rộng pha sắt điện của
muối Rochelle. Nói một cách khác, phạm vi ứng dụng thực tế của muối Rochelle được
mở rộng khi đặt nó trong trạng thái kết hợp với xenlulo trong vật liệu nanocomposite.
- Xenlulo có khả năng hút ẩm cao, từ đó có thể ảnh hưởng đến các tham số điện của vật
liệu khi đặt trong điều kiện mơi trường có độ ẩm cao. Để bảo đảm độ tin cậy số liệu
nghiên cứu, tất cả các thí nghiệm đều được thực hiện trong điều kiện bình thường ở Việt
Nam với độ ẩm tương đối tại thời điểm đo đạc là 85%.
5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận
- Kết quả thu được của đề tài được đã được đăng trên tạp chí “Phase Transitions” thuộc
hệ thống ISI: “Hoai Thuong Nguyen, Bich Dung Mai. Study on structure and phase
transition of an eco-friendly ferroelectric composite prepared from cellulose
nanoparticles mixed with Rochelle salt. Phase Transitions. 92(9):831-838.
/>
- Kết quả thu được có ý nghĩa quan trọng trong việc sử dụng những vật liệu thân thiện
mơi trường để kiểm sốt tính chất điện của các vật liệu điện-điện tử truyền thống.
6. Tóm tắt kết quả
Kết quả thu được

The obtained results

1

Tổng hợp thành công các hạt nanoxenlulo
có kính thước từ 20 – 40 nm

Successful synthesis of nanocellulose
nanoparticles with size ranged from 20
– 40 nm

2

Tổng hợp thành công vật liệu
nanocomposite sắt điện từ hạt nanoxenlulo
và vật liệu sắt điện truyền thống (muối
Rochelle) ở các hàm lượng khác nhau

Successful synthesis of a
nanocomposite from cellulose
nanoparticles and a primitive
ferroelectric of Rochelle salt

3

Kiểm tra chi tiết hình thái, cấu trúc vật
liệu sử dụng SEM, phổ X-ray và FTIR

Morphology and structure of the

synthesized composite were carefully
characterized using SEM, X-ray and
FTIR techniques.

4

Nghiên cứu chi tiết tính chất chuyển pha
sắt điện và sự ảnh hưởng của hàm lượng
lên tính chất chuyển pha của vật liệu

Investigated in detail the phase
transition features and the influence of
composition mass ratios on the phase

TT

5


transition temperature.
5

Công bố thành công kết quả nghiên cứu
trên tạp chí ISI “Phase Transitions”

The results are successfully published
in ISI-ranked journal of “Phase
Transitions”

III. Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo

3.1. Kết quả nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3)
Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu
TT

kinh tế - kỹ thuật

Tên sản phẩm
Đăng ký

Đạt được

1

Quy trình cơng nghệ

Quy trình tổng hợp vật
liệu phải được miêu tả
chi tiết trong bài báo
ISI

Quy trình tổng hợp vật
liệu đã được miêu tả chi
tiết trong bài báo ISI
(mục 2)

2

Bài báo

Bài báo ISI

Bài báo đã đăng trên tạp
chí “Phase Transitions”
thuộc danh mục ISI với
tiêu đề: “Study on
structure and phase
transition of an ecofriendly ferroelectric
composite prepared
from cellulose
nanoparticles mixed
with Rochelle salt”,
Volume 92 (9), 2019.

Ghi chú:
- Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo…) chỉ được chấp
nhận nếu có ghi nhận địa chỉ và cảm ơn trường ĐH Cơng Nghiệp Tp. HCM đã cấp kính phí
thực hiện nghiên cứu theo đúng quy định.
- Các ấn phẩm (bản photo) đính kèm trong phần phụ lục minh chứng ở cuối báo cáo.
(đối với ấn phẩm là sách, giáo trình cần có bản photo trang bìa, trang chính và trang cuối
kèm thông tin quyết định và số hiệu xuất bản)
3.2. Kết quả đào tạo
TT

Họ và tên

Thời gian
thực hiện đề tài

Tên đề tài
Tên chuyên đề nếu là NCS

Tên luận văn nếu là Cao học

Đã bảo vệ

Nghiên cứu sinh
6


Học viên cao học
Sinh viên Đại học
Ghi chú:
- Kèm bản photo trang bìa chuyên đề nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận và bằng/giấy
chứng nhận nghiên cứu sinh/thạc sỹ nếu học viên đã bảo vệ thành công luận án/ luận
văn;( thể hiện tại phần cuối trong báo cáo khoa học)

IV. Tình hình sử dụng kinh phí
T
T
A
1
2
3
4
5
6
7
8
B
1
2

Nội dung chi
Chi phí trực tiếp
Th khốn chun mơn,
Ngun, nhiên vật liệu, cây con..
Thiết bị, dụng cụ
Cơng tác phí
Dịch vụ th ngồi
Hội nghị, hội thảo, thù lao nghiệm thu
giữa kỳ
In ấn, Văn phịng phẩm
Chi phí khác
Chi phí gián tiếp
Quản lý phí
Chi phí điện, nước
Tổng số

Kinh phí
được duyệt
(triệu đồng)

Kinh phí
thực hiện
(triệu đồng)

35
10,5
1,5
0
0

0

35
10,5
1,5
0
0
0

0,5
0

0,5
0

2,5
0
50

2,5
0
50

Ghi chú

V. Kiến nghị
- Đề tài hiện tại chỉ dừng ở việc nghiên cứu tính chất chuyển pha của vật liệu ở các hàm
lượng khác nhau, sự ảnh hưởng của tích chất cơ học lên sự chuyển pha của muối Rochelle
hoàn toàn chưa được nghiên cứu, mặc dù muối Rochelle có nhiều ứng dụng thực tế nhờ
khả năng chuyển các tín hiệu cơ học thành tín hiệu điện.

- Tiếp tục sử dụng các hạt nanoxenlulo để tổng hợp các vật liệu điện-điện tử khác.

VI. Phụ lục sản phẩm
1. Sản phẩm 1: Quy trình cơng nghệ

7


Quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu được miêu tả chi tiết trong mục 2 của bài báo ISI:
“Sample preparation and experimental methods”. Mục 2 cắt ra từ bài báo ISI được đính kèm
trong phần III (phụ lục đính kèm) của báo cáo này.
2. Sản phẩm 2: Bài báo ISI
Bảng đầy đủ của bài báo ISI trên tạp chí “Phase Transitions” được đính kèm đính kèm
trong phần III (phụ lục đính kèm) của báo cáo này.

Tp. HCM, ngày
Chủ nhiệm đề tài

Phịng QLKH&HTQT

tháng

năm 2019

KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN
Trưởng Đơn Vị
(Họ, tên, chữ ký)

8