Đề tài CƠ CHẾ POLYMER DẪN.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG
 
ĐỀ TÀI THUYẾT TRÌNH
CƠ CHẾ POLYMER DẪN
GVHD : TS Lê Trấn
HVTH : Lê Hà Phương
Lớp : Cao học quang học – K21
TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2011
1
I. POLYMER
1. Polyme là gì?
Polyme là hợp chất cao phân tử được cấu tạo từ rất nhiều nhóm có cấu tạo hóa học giống nhau lặp đi
lặp lại và chúng nối với nhau bằng liên kết đồng hóa trị
Ví dụ : Nếu A là đơn vị phân tử, phản ứng trùng hợp (polymerization) sẽ cho ra một "xích" polymer
có dạng
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
Trong đó hàng nghìn, hàng chục nghìn đơn vị A được nối lại với nhau bằng nối hóa học. Nếu A là
phân tử ethylene thì ta có polyethylene; propylene thì polymer sẽ là polypropylene v.v Ngoài ra, các
nhà hóa học còn có thể tạo ra những phản ứng trùng hợp giữa hai monomer A và B để tổng
hợp copolymer có mạch phân tử chứa A và B. Tùy vào điều kiện phản ứng, A và B có thể liên kết một
cách hỗn loạn (random),
AAABABBABABBBAABABBBBAABBBAB
hoặc theo một thứ tự nhất định,
ABABABABABABABABABABABAB
hoặc theo từng mảng,
AAAAAAAABBBBBBBBBBAAAAAAAAAABBBBBB
hoặc AAAAAAAAAAAA là thân polymer và BBBBBB là nhánh, như thân cây và nhánh cây. Đương
nhiên, những cấu trúc phân tử nầy đưa đến những tính chất vật lý (physical properties) và cơ
tính (mechanical properties) khác nhau. Các nhà hóa tổng hợp có thể thiết kế các copolymer với nhiều

cấu trúc khác nhau đáp ứng với những đòi hỏi cho từng ứng dụng.
Polyethylene (PE) là một polymer đơn giản nhất, nguyên liệu chính làm những túi nhựa gia dụng và
là một vật liệu thường thấy trong cuộc sống hằng ngày.

Cấu trúc polyethylene
2. Giới thiệu Polymer dẫn
Polymer với các nối đôi liên hợp có những tính chất khác với các polymer thông thường là khả
năng dẫn điện, được gọi là polymer dẫn (Conducting polymer). Với tính chất đặc biệt này, lĩnh vực
nghiên cứu về polymer dẫn điện đã thu hút nhiều nhà nghiên cứu ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Khả năng
ứng dụng của loại vật liệu mới này luôn là thách thức với các nhà khoa học nói chung và các nhà hoá
học nói riêng. Năm 2000, giải Nobel hoá học đã được trao cho ba nhà khoa học Heeger, MacDiarmid
và Shirikawa với sự phát hiện tăng độ dẫn điện của polyaxetilen khi được pha tạp iốt. Kết quả này đã
mở đầu cho một bước nhảy vọt của lĩnh vực nghiên cứu, khả năng ứng dụng của vật liệu polymer dẫn
điện.
2
Cấu trúc Polyacetylen
3. Phân lo i m t s polyme d n i nạ ộ ố ẫ đ ệ
Các nghiên cứu chia ra làm ba loại polyme dẫn chính là:
+ Các polyme oxy hoá khử (Redox polymer) : Là các vật dẫn có chứa các nhóm hạt 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. quá trình này được gọi là chuyển electron theo bước nhảy
+ Các polyme dẫn điện tử (Electronically conducting polymer) hay còn gọi là kim loại hữu cơ (Organic
metals) : Polyme d n i n t t n t i m ch cácbon có các n i ôi liên h p n m ẫ đ ệ ử ồ ạ ạ ố đ ợ ằ d c theo chu i ọ ỗ
polyme và quá trình d n i n ây là i n t có th chuy n ẫ đệ ở đ đ ệ ử ể ể ng d c theo chu i polyme nh tính linh độ ọ ỗ ờ
ng c a i n t độ ủ đ ệ ử π, ho c i n t có th chuy n t chu i polyme này sang chu i polyme khác theo c ặ đệ ử ể ể ừ ỗ ỗ ơ
ch electron ế hopping. M t s polyme lo i này nhộ ố ạ ư
3
Fe
III

Fe
II
+e
-e
Cấu trúc của những polymer dẫn điện quan trọng. Trong dấu ngoặc là đơn vị phân tử (monomer), n là
số đơn vị monomer có giá trị hàng nghìn, hàng chục nghìn.
+ Các polyme trao đổi ion (Loaded ion nomer hay ion exchange polymer) : Polyme trao i ion làđổ
polyme ch a các c u t có ho t tính oxy hoá kh liên k t v i màng polyme d n ion, trongứ ấ ử ạ ử ế ớ ẫ
tr ng h p này c u t có ho t tính có i n tích trái d u v i màng ườ ợ ấ ử ạ đ ệ ấ ớ polymer
t ng thêm tính n ng c a các polyme ta k t h p các polyme v i nhau t o polyme có ho t Để ă ă ủ ế ợ ớ để ạ ạ
tính cao h n.ơ
II. CƠ CHẾ DẪN ĐIỆN CỦA POLYMER DẪN
1. Cơ chế của Roth
Roth và c ng s cho r ng quá trình chuy n i n tích v mô trong các ộ ự ằ ể đệ ĩ m ng polyme d n là s ạ ẫ ự
t p h p các c ch v n chuy n c c b . ó là s v n chuy n các d ng mang i n trên các ậ ợ ơ ế ậ ể ụ ộ Đ ự ậ ể ạ đ ệ
m ch s i có liên k t liên h p và t s i này sang s i khác. N u coi polyme là t p h p ạ ợ ế ợ ừ ợ ợ ế ậ ợ
các bó s i thì còn có s v n chuy n các d ng mang i n t t bó s i này sang bó s i khác. ợ ự ậ ể ạ đ ệ ử ừ ợ ợ
Các quá trình v n chuy n này c minh h a hìnhậ ể đượ ọ ở
C ch d n i n Roth c a polyme d nơ ế ẫ đ ệ ủ ẫ
[AB] d n trong m t chu i [BC] d n gi a các chu iẫ ộ ỗ ẫ ữ ỗ
[CD] d n gi a các s i [AD] quá trình chuy n i n tích v môẫ ữ ợ ể đ ệ ĩ
Khi i n t chuy n t i m A n i m B trên cùng m t chu i polyme,ng i ta nói i n t đệ ử ể ừđể đế đ ể ộ ỗ ườ đệ ử
c d n trong m t chu i. Trong tr ng h p i n t d ch chuy n t i m B sang i m C trong đượ ẫ ộ ỗ ườ ợ đ ệ ử ị ể ừđ ể đ ể
ó B và C thu c hai chu i polyme khác nhau ta nói i n t di chuy n gi a các chu i. đ ộ ỗ đ ệ ử ể ữ ỗ Khi i n đ ệ
t chuy n t A, B ử ể ừ →D ta nói i n t chuy n gi a các s i. Rolh đ ệ ử ể ữ ợ ã gi i thích c ch d n i n nh sau:đ ả ơ ế ẫ đ ệ ư
i n t chuy n ng trong m t chu i là do các liên k t Đ ệ ử ể độ ộ ỗ ế π linh ng ch y độ ạ d c theo chu i. Do ọ ỗ
ó i n t có tính linh ng và có th di chuy n d c theo đ đ ệ ử độ ể ể ọ chu i. i n t chuy n ng qua l i gi aỗ Đ ệ ử ể độ ạ ữ
các chu i là do các s i polyme t o thành do các chu i xo n l i v i nhau, khi ó nguyên t 2 ỗ ợ ạ ỗ ắ ạ ớ đ ửở
chu i r t g n nhau thì các obital c a chúng có th lai hoá v i nhau và do ó i n t có th ỗ ấ ầ ủ ể ớ đ đ ệ ử ể
chuy n ng chu i polyme nay sang chu i polyme khác thông qua obital lai hoá. Tr ng h p ể độ ỗ ỗ ườ ợ

i n t chuy n ng gi a các chu i c gi i thích gi ng nh trên.đ ệ ử ể độ ữ ỗ đượ ả ố ư
4
2. Cơ chế lan chuyền pha của Kaoki
Theo Kaoki trong pha của polyme có những chuỗi có khả năng dẫn điện và những chuỗi không có khả
năng dẫn điện hay nó tạo ra vùng dẫn và vùng không dẫn.
Khi chuỗi polyme ở trạng thái oxy hoá, khi đó thì nó dư các obital trống do đó nó có thể nhận hoặc
cho điện tử. Thông thường nó được phân bố ngẫu nhiên trong màng polyme. Dưới tác dụng của điện
trường áp đặt thì các chuỗi này có xu hướng duỗi ra theo chiều nhất định. Khi áp đặt điện thể đủ lớn
thì xảy ra hiện tượng lan truyền pha có nghĩa là các pha không dẫn trở nên dẫn điện
S c ch lan truy n pha K.AoKiơ đồ ơ ế ề
Trong giai o n u thì ch nh ng o n polyme tr ng thái oxy hóa đ ạ đầ ỉ ữ đ ạ ở ạ ti p c n g n v i b m t i n ế ậ ầ ớ ề ặ đ ệ
c c s nh v l i và tr thành vùng d n c c b (a-b). Sau ó thì vùng d n này óng vai trò nh m t i n c c ự ẽđị ị ạ ở ẫ ụ ộ đ ẫ đ ư ộ đệ ự
m i oxy hóa ớ để ti p vùng không d n ngay phía trên nó. Nh ó thì vùng này l i tr thành vùng d n. ế ẫ ở ờ đ ạ ở ẫ
Và c nh th theo th i gian thì vùng d n lan truy n n m t ngoàicùng c a màng polyme. C ch nàyứ ư ế ờ ẫ ề đế ặ ủ ơ ế
c p n ph n ng chuy n i n tích t i b m t phân chia pha gi a vùng d n và vùng không d n. Các đề ậ đế ả ứ ể đệ ạ ề ặ ữ ẫ ẫ
i m b oxy hóa và b kh (xem hình) trong màng polyme sinh ra t quá trình t o các khuy t t t đ ể ị ị ử ừ ạ ế ậ
radical m t cách ng u nhiên, s c s p x p l i d i tác d ng c a i n th áp t.ộ ẫ ẽđượ ắ ế ạ ướ ụ ủ đ ệ ế đặ
T s chúng ta th y r ng các i m d n t p trung ch y u trong không gian g n b m t i n c c ừ ơđồ ấ ằ đ ể ẫ ậ ủ ế ầ ề ặ đ ệ ự
n n, và tr nên loãng d n vùng xa i n c c n n. H n n a nh ng i m d n phía ngoài b bao b c ề ở ẫ ở đ ệ ự ề ơ ữ ữ đ ể ẫ ở ị ọ
b i vùng cách i n không ti p xúc i n v i n n. S phát tri n c a vùng d n ph thu c vào ở đ ệ ế đ ệ ớ ề ự ể ủ ẫ ụ ộ s ti p n i ự ế ố
các i m d n và ti p xúc i n v i i n c c n n. ti p n i ngay đ ể ẫ ế đ ệ ớ đ ệ ự ề Để ế ố l p t c các i m d n polyme c n có c uậ ứ đ ể ẫ ầ ấ
trúc t ng thích. Do v y s lanươ ậ ự
truy n vùng d n liên quan n tính d n i n t , s nh h ng ng u nhiên các s i d n, và s xu t phát ề ẫ đế ẫ đệ ử ự đị ướ ẫ ợ ẫ ự ấ
ng u nhiên c a m i s i d n t m t i m trên b m t i n c c n n. Ban u các s i d n này lan truy n ẫ ủ ỗ ợ ẫ ừ ộ đ ể ề ặ đ ệ ự ề đầ ợ ẫ ề
theo h ng pháp tuy n i v i b m t i n c c do s nh h ng theo tr ng t nh i n c c b t i u ướ ế đố ớ ề ặ đ ệ ự ựđị ướ ườ ĩ đ ệ ụ ộ ạ đầ
mút c a m i s i d n. Khi các s i d n trong màng phát tri n thành bó s i thì quá trình v n chuy n i n ủ ỗ ợ ẫ ợ ẫ ể ợ ậ ể đ ệ
tích s do bó s i d n m nhi m.ẽ ợ ẫ đả ệ
III. PHƯƠNG PHÁP TẠO POLYMER DẪN ĐIỆN
1. Dải năng lượng điện tử
Điện tính của tất cả mọi vật liệu được quyết định bởi cấu trúc điện tử của vật liệu đó.

5
Và cấu trúc điện tử có thể được giải thích theo quan điểm “ dải năng lượng điện tử”.
Khi hai nguyên tử kết hợp với nhau, các điện tử của hai nguyên tử trở thành điện tử của phân tử và các
điện tử này chỉ được phép ở những mức năng lượng nhất định. Chất rắn được tạo thành do sự chồng
chập của các tập hợp nguyên tử. Người ta phỏng tính 1cm
3
chất rắn được 10
22
nguyên tử tạo thành.
Trong quá trình này , những mức năng lượng điện tử sẽ được hình thành và các điện tử sẽ chiếm cứ các
mức năng lượng này. Các mức năng lượng này chồng chập lên nhau theo thứ tự trị số của chúng, trở
thành dải được gọi là “dải năng lượng điện tử”
Dải ở năng lượng thấp gọi là dải hóa trị (valence band) và dải ở năng lượng cao hơn gọi là dải dẫn điện
(conduction band)
Dải năng lượng điện tử: (a) Kim loại, (b) chất bán dẫn, (c) Chất cách điện. Dải đen tượng trưng cho
dải hóa trị và dải trắng cho dải dẫn điện. Khe dải là khoảng cách giữa dải đen và dải trắng
Sự hình thành dải năng lượng của chất rắn có thể không liên tục, khi đó có một “khoảng trống” xuất
hiện, khoảng trống đó gọi là khe dải năng lượng. Khe dải quyết định sử dẫn điện hay không dẫn điện
của chất rắn. Trị số khe dải được tính bằng electron volt (eV). Nếu điện tử của chất rắn không thể nhảy
từ miền năng lượng thấp lên miền năng lượng cao, ta có vật cách điện
2. . Khái ni m v quá trình dopingệ ề
Quá trìng doping là quá trình a thêm m t s t p ch t hay t o ra m t s sai h ng làm thay i đư ộ ố ạ ấ ạ ộ ố ỏ đổ
c tính d n i n c a các polyme và t o ra bán d n lo i N ho c P tu thu c vào lo i ph gia ta đặ ẫ đệ ủ ạ ẫ ạ ặ ỳ ộ ạ ụ
a vàođư
Ví d : Emeraldine base ụ
Doping v i Bonsted axitớ
V y quá trình doping ây có tác d ng bù i n tích cho chu i polymer ậ ởđ ụ đ ệ ỗ và duy trì polyme ở
tr ng thái cân b ng và tr ng thái oxy hoá cân b ng nàyạ ằ ở ạ ằ nó d n i n t t ẫ đ ệ ố
6
Doping v i Lewis axitớ

3. Điều kiện dẫn điện của polymer
Đặc điểm của polymer dẫn điện là những nối carbon liên hợp (conjugation bond), - C = C – C = C - ;
đây là sự nối tiếp của nối đơn C – C và nối đôi C = C. PA, PAn, PPy và PT đều có đặc điểm chung này
trong cấu trúc cao phân tử
Đặc điểm thứ hai là sự hiện diện của dopant. Iodine là một thí dụ điển hình trong PA.
Hai đặc điểm này làm polymers trở nên dẫn điện.
Trị số khe dải của các polymer dẫn điện tiêu biểu
Polymer Khe dải (eV)
Polyacetylen (PA) 1,4
Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) 1,5
Polythiophene (PT) 2,0
Poly(phenylene vinylene) (PPV) 2,5
Polyaniline (P An) 3,2
Poly(para-phenylene) (PPP) 3,5
Polypyrrole (PPy) 3,6
Nếu không có dopant, khe dải của các polymer tiêu biểu có nối liên hợp có giá trị từ 1,4 đến 3,6 Ev
4. Nguyên nhân gây ra dòng điện trong polymer dẫn điện
Phương pháp doping của MacDiarmid, Heeger và Shirakawa khi cho PA tiếp xúc với khí iodine làm
tăng độ dẫn điện hơn 1 tỷ lần là một bước đột phá mang tính lịch sử và cũng là nền tảng trong việc
nghiên cứu cơ bản và áp dụng thực tế của polymer dẫn điện.
Khi PA được tiếp xúc với một chất oxit hóa ( oxidizing agent) A, PA và A sẽ kết hợp theo một phản
ứng hóa học đơn giản
PA + A (PA)
+
A
-
PA trung tính không dẫn điện. (PA)
+
A
-

là polymer dẫn điện. Phản ứng thuận nghịch cho biết ta có thể
điều chỉnh độ dẫn điện của một vật liệu, biến một vật cách điện thành dẫn điện và ngược lại. Phản ứng
từ trái sang phải là quá trình doping trong đo polymer cách điện kết hợp với dopant cho ra chất dẫn
điện polymer/dopant, phản ứng từ phải sang trái là quá trình dedoping trong đó pplymer/dopant bị tách
rời trả lại polymer cách điện
Ngoài PA, nhiều loại polymer dẫn điện khác trong đó có Pan, PPy, PT, đặc biệt là PEDOT đã được
khảo sát
Dopant có thể là những nguyên tố nhỏ như iodine (I), chlorine (Cl), những hợp chất vô cơ hoặc hữu
cơ miễn là những chất nầy có thể nhận điện tử (electron acceptor) cho ra những ion âm (anion) để kết
hợp với mạch carbon cuả polymer. Dopant cũng có thể là ion dương (cation).
Các loại dopant A, nhận điện tử cho ra anion A
-

7
Họ halogen Br
2
, I
2
, Cl
2
Acid Lewis BF
3
, PF
5 ,
AsF
5
, SO
3
Acid proton (acid chứa H) HNO
3

, H
2
SO
4
, HClO
4
, HF , HCl , FSO
3
, FSO
3
H
Halide của kim loại chuyển tiếp FeCl
3
, MoCl
5
, WCl
5
, SnCl
4
, MoF
5
Họ amino, các loại acid sinh học Glutamic acid, uridylic acid, protein, enzyme
Các chất hoạt tính bề mặt Dodecylsulfate , dodecylbenzensulfonate
Polymer Poly (styrenesulfonic acid)
Ta hãy khảo sát sự liên hệ giữa quá trình doping và sự biến đổi của dải năng lượng của polypyrrole
(PPy). Trước quá trình doping, PPy có khe dải là 3,2 - 3,6 eV. Trị số nầy cho ta biết đây là một chất cách
điện tiêu biểu Khi PPy được tiếp cận với A, PPy sẽ mất một điện tử π, e
-
, cho A. Kết quả là trên mạch
phân tử của PPy, ta có một lỗ trống mang điện tích dương (+) do sự mất đi của một điện tử và một điện tử

π đơn lẻ còn lại được ký hiệu là một chấm (.); A nhận e
-
trở thành A
-
. Cặp (+ .) được gọi là polaron
trong vật lý học. Cặp nầy thường cách nhau 3 hoặc 4 đơn vị pyrrole. Sự thành hình của polaron làm thay
đổi vị trí của các nối π còn lại làm thay đổi cấu trúc của vòng pyrrole và đồng thời tạo ra hai bậc năng
lượng mới trong khe dải

Polaron, bipolaron và sự hình thành của các dải năng lượng tương ứng.
CB: Conduction band (dải dẫn điện), VB: Valence band (dải hóa trị)
Khi dopant được sử dụng ở nồng độ cao, "dân số" A gia tăng cho nên A có khả năng nhận thêm
điện tử từ PPy. Polaron (+ .) cũng gia tăng. Khi hai polaron gần nhau (+ .) (+ .), hai điện tử (. .) trở
thành nối π, còn lại cặp điện tích dương (+ +) được gọi là bipolaron. Ở nồng độ cao hơn nữa, mạch PPy
xuất hiện càng nhiều bipolaron, các bậc năng lượng hình thành bởi sự hiện diện của bipolaron sẽ hòa
vào nhau thành hai dải năng lượng bipolaron. Polaron và bipolaron là phần tử tải điện của polymer dẫn
8
điện.Tương tự như điện tử tự do trong kim loại, khi có một điện áp polaron hay bipolaron sẽ di động.
Các bậc năng lượng mới hình thành, tồn tại như bai bậc thang giúp điện tử di chuyển từ dải hóa trị đến
dải dẫn điện ở bậc cao hơn
Cơ chế dẫn điện của polymer dẫn có thể giải thích một cách định tính bằng hình vẽ
Hình vẽ mô tả sự chuyển động của điện tử
π
(.) và lỗ trống (+)
Khi dopant A nhận một điện tử từ polymer, một lỗ trống (+) xuất hiện. Khi một dòng điện được áp
đặt vào polymer, điện tử π của nguyên tố C bên cạnh nhảy vào lỗ trống và cứ tiếp diễn như thế. Sự di
chuyển của điện tử chỉ là sự di chuyển ngắn, nhưng nhờ sự di chuyển này lỗ trống (+) được liên tục di
động dọc theo mạch polymer. Lỗ trống này là một phần polaron hay bipolaron. Sự di động của lỗ trống
xác nhận polaron/bipolaron là một thực thể tải điện và là nguyên nhân của sự dẫn điện giống như điện
tử trong kim loại. Thực nghiệm cho thấy điện tử của polymer này có thể nhảy sang chiếm lỗ trống của

polymer kế cận rồi polymer kế cận khác…, lỗ trống (+) di động lan tràn khắp tất cả vật liệu theo hướng
của điện áp. Như vậy hai yếu tố cho sự dẫn điện trong polymer là : nối liên hợp và dopant.
1. Phương pháp tổng hợp polymer dẫn điện
Phương cách tổng hợp có thể phân ra làm hai loại:
(1) phương pháp điện hóa và
(2) phương pháp hóa học.
Phương pháp (1) cho polymer ở dạng phim và (2) dạng bột. Những polymer dẫn điện thông dụng như
polypyrrole (PPy), polyaniline (PAn) và polythiophene (PT) có thể được tổng hợp bằng cả hai phương
pháp.
Với phương pháp điện hóa, phim polymer được thành hình trong một bình điện giải đơn giản, trong đó
chất điện giải là monomer (thí dụ: pyrrole, aniline hay thiophene) và dopant được hòa tan trong nước
hay một dung môi thích hợp. Tại cực dương monomer bị oxít hóa kết hợp dopant và đồng thời trùng
hợp thành phim. Trong phương pháp hóa học, monomer, dopant và chất oxid hóa (thí dụ: FeCl
3
) được
hòa tan trong nước hoặc dung môi. Phản ứng trùng hợp xảy ra cho polymer ở dạng bột.
9


Hình 1: Phương pháp điện hóa dùng bình điện giải để tổng hợp polypyrrole.
Dopant có một ảnh hưởng cực kỳ quan trọng đến mọi tính chất bao gồm vật tính (physical properties),
hóa tính, cơ tính, quang tính, điện tính và tính bền nhiệt của polymer được hình thành. Vì vậy, sự chọn
lựa dopant phải thích nghi cho mỗi ứng dụng khác nhau.
2. Độ dẫn điện của polymer
Độ dẫn của các loại polymer dẫn điện sẽ tăng khi nhiệt độ tăng và ngược lại. Tính chất này rõ ràng
trái ngược với kim loại, độ dẫn điện giảm khi nhiệt độ tăng và ngược lại. Mối liên hệ này tương tự như
các bán dẫn vô cơ, cho nên trong một số nghiên cứu, có thể áp dụng một số nguyên lý nào đó của bán
dẫn vô cơ cho polymer dẫn điện.
Ở thang vi mô, vật liệu polymer được tạo thành từ những mảng do nhiều polymer tập tích lại. Độ
dẫn điện của vật liệu không những phụ thuộc vào nồng độ của polaron/bipolaron (phần tử tải điện) mà

còn phụ thuộc vào sự di động của điện tử trong mạch polymer, giữa những mạch polymer và giữa
những mảng do nhiều polymer tạo nên (Hình ). Nói một cách định lượng hơn, độ dẫn điện σ được diễn
tả bằng một công thức như sau,
σ
= n µ e (1)
n là nồng độ của hạt tải điện, µ là độ di động, e là điện lượng của điện tử (1,602 x 10
-19
C).


10
Hình : Sự di động của điện tử trong mạch polymer (mũi tên A) , giữa những mạch polymer (mũi tên B)
và giữa những mảng do nhiều polymer tạo nên (mũi tên C).
Người ta có thể tổng hợp các loại polymer dẫn điện có mạch phân tử cùng hướng về một chiều để làm
tăng sự di dộng của điện tử. Để thực hiện điều nầy, các nhà hóa học tổng hợp polymer có nhiều tinh thể
(crystallite), hoặc trên một bề mặt mang một trật tự sẵn có, trong từ trường hay kéo dài phim polymer
Hình so sánh độ dẫn điện của polymer dẫn điện với các vật liệu khác.
Hình thái của PEDOT được quan sát bằng SEM
Các PEDOT hình sợi có tính dẫn điện cao hơn PEDOT vô định hình và độ ổn định độ dẫn trước sự
khắt nghiệt của môi trường theo thời gian cũng khá lý tưởng.
5. Tính bền
Polymer có những đặc tính cố hữu như nhẹ cân, dễ dàng gia công nhưng cũng có những điểm bất lợi
mà ta thường thấy ở các loại polymer (plastic) gia dụng là không chịu nhiệt cao (> 100
o
C), bị lão hóa
hay phân hủy trong ánh sáng mặt trời. Polymer dẫn điện cũng không ngoài những ngoại lệ nầy. Sự suy
thoái hóa học, lão hóa dẫn đến sự suy thoái cơ tính (trở nên giòn) và điện tính (giảm độ dẫn điện). Đã
có nhiều công trình tìm hiểu và duy trình tính bền của polymer dẫn điện. Dopant cũng có ảnh hưởng
trực tiếp đến tính ổn định của polymer; có những loại dopant làm chậm hoặc xúc tiến sự suy thoái. Tuy
nhiên, vì là một đặc tính cố hữu, sự suy giảm độ dẫn điện trong môi trường nóng và ẩm polymer dẫn

điện là một việc không thể tránh khỏi về lâu về dài. Để duy trình tính năng, các trang cụ dùng polymer
dẫn điện người ta phủ một lớp epoxy bảo vệ lên polymer và thường xuyên thay mới vật liệu.
IV. ỨNG DỤNG POLYMER DẪN
11
Các polymer dẫn nói chung đều có tính điện, quang, điện hóa học, tính chất hóa lý rất đặt trưng, chính
vị vậy được sử dụng làm vật liệu trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ kỹ thuật cao như: pin
năng lượng, chế tạo nguồn điện dùng nhiều lần có kích thước mỏng, siêu nhỏ (polymeric rechargeable
battery), chế tạo các cảm biến (sensor), như các loại cảm biến hóa học, cảm biến sinh học, kỹ thuật
thông tin số, màng chọn lọc (selective membrance) vật liệu phủ đặt biệt hấp thụ sóng điện từ, vật liệu
phủ chống ăn mòn hóa học, vật liệu trong ngành điện tử
1. ng d ng c a polyme d n trong d tr n ng l ng Ứ ụ ủ ẫ ự ữ ă ượ
Ta thấy rằng một số polyme dẫn tồn tại ở nhiều dạng khác nhau tuỳ thuộc vào mức độ oxy hoá
của chúng và loại vật liệu dopant và ở điện áp ngoài nhất định. Do đó nó có thể tồn tại ở dạng oxy
cao nhất và nếu nó tồn tại bền vững ở trạng thái này thì ta có thể chọn nó làm vật liệu cho ắc qui. Khi
sử dụng ta có thể sử dụng nó như vật liệu catốt.
Khi phóng điện thì nó chuyển dần từ dạng oxy hoá sang dạng khử và khi nạp đầy thì nó lại chuyển
dần từ dạng khử sang dạng oxy hoá cao nhất. Yêu cầu đối với loại màng này là đặc tính thuận nghịch
phải cao thì nó sẽ cho số chu kỳ phóng nạp lớn và điều này ảnh hưởng đến tuổi thọ của ắc qui.
2. Làm điốt
Ta biết rằng thiết bị chỉnh lưu là thành phần chính và cơ bản của mạch điện tử. Từ khi polyme dẫn
điện được phát hiện ra nó đã được ứng dụng vào làm chất bán dẫn vì có khoảng cấm hẹp đã được
nghiên cứu để có thể ứng dụng nghiên cứu polyme dẫn.
Phương pháp cơ bản để thay đổi độ dẫn điện của bán dẫn là lựa chọn tính chất vượt trội chiếm ưu
thế được khống chế bởi phu gia và nó cho phép tạo ra bán dẫn loại N hoặc loại P và sự phụ thuộc về
không gian, mức năng lượng được giữ cân bằng mặc dù tồn tại trường điện từ cao.
Chiang đã tạo ra những tiếp xúc P-N bởi áp suất tiếp xúc cao của màng polyacetylen loại P với phụ
gia là Na và màng polyacetylen loại N với phụ gia là NaAsF
5
.
Ta thấy khi có hai chất bán dẫn loại P- N tiếp xúc với nhau thì tạo ra một thiết bị chỉ cho dòng đi

theo một chiều xác định đó là chiều từ P→ N và thiết bị đó gọi là điốt. Do đó chỉ cần các màng polyme
dẫn điện rất mỏng là ta có thể tạo ra một điốt.
Tính ch t i n c a polypyrrole – kim lo i và polypyrrole c ng c kh o sát và ng i ta nh n th y ấ đ ệ ủ ạ ũ đượ ả ườ ậ ấ
s ti p xúc gi a N-P c t o ra trên b m t polyme.Composite Al-polypyrrole c t o ra b ng ự ế ữ đượ ạ ề ặ đượ ạ ằ
ph ng pháp này c coi là có tính bán d n t t và có th áp d ng vào công nghươ đượ ẫ ố ể ụ ệ
3. Thi t b i u khi n logicế ị đ ề ể
M t s lo i polyme d n có tính ch t i n r t c bi t nó có d n t ng r t nhanh khi áp th vào ộ ố ạ ẫ ấ đ ệ ấ đặ ệ độ ẫ ă ấ ế
do ó nó có th c ng d ng trong i u khi n logic và t o ra tín hi u d ng s … Trong ó tiêu đ ể đượ ứ ụ đ ề ể ạ ệ ở ạ ố đ
bi u là composite PAN- Au ể
Do c tính này mà nó có th ng d ng trong i u khi n logic. đặ ểứ ụ đ ề ể
4. Transitor hi u ng tr ng ệ ứ ườ
12
Thi t b hi u ng tr ng ã c ng d ng c i ti n ho t ng c a thi t b bán d n thông ế ị ệ ứ ườ đ đượ ứ ụ để ả ế ạ độ ủ ế ị ẫ
th ng, hi u ng tr ng trong màng polyme s i u khi n dòng và b ng cách ó nó m ra ho t ngườ ệ ứ ườ ẽ đ ề ể ằ đ ở ạ độ
c a transitor mà không c n các ti p xúc N-P. Hi n t ng này không ch cung c p các c tính c a thi tủ ầ ế ệ ượ ỉ ấ đặ ủ ế
b mà còn cung c p công c nghiên c u ch t bán d n và nó i u khi n dòng gi a ngu n và kênh d n ị ấ ụ để ứ ấ ẫ đ ề ể ữ ồ ẫ
qua c ng.ổ
5. i t phát quangĐ ố
i t phát quang polyme ã c phát tri n r ng rãi t khi khám phá ra hi n t ng i n phát quang Đ ố đ đượ ể ộ ừ ệ ượ đ ệ
t màng PPV. Polyme d n i n bi t n nh v t li u phát quang i n th . Nó c s d ng thay th ừ ẫ đệ ế đế ư ậ ệ đ ệ ế đượ ử ụ để ế
cho v t li u phát quang vô c , cho phép s d ng trên b m t r ng và nó c ng có c tính là r t nh và ậ ệ ơ ử ụ ề ặ ộ ũ đặ ấ ẹ
d o … ẻ
u i m chính c a v t li u này là hi u ng ng m và b c sóng b gi i h n b i s thay i hoá h c, i nƯ để ủ ậ ệ ệ ứ ầ ướ ị ớ ạ ở ự đổ ọ đệ
th v n hành th p, d gia công , chi phí th p và có th t o ra các thi t b có di n tích l n màu s c phát raế ậ ấ ễ ấ ể ạ ế ị ệ ớ ắ
trong vùng trông th y. Do c i m c a polyme d n ã c t ng h p phát ra ánh sáng ngang qua ph ấ đặ đ ể ủ ẫ đ đượ ổ ợ ổ
phát x vùng quan sát c và có h s l ng t cao. Cách tính n gi n nh t t o ra PLED ạ đựơ ệ ố ượ ử đơ ả ấ đểạ (polyme
light emitting diode) là m t c u trúc g m có n n thu tinh ph ITO nh anôt d n i n trong su t, l p ộ ấ ồ ề ỷ ủ ư ẫ đệ ố ớ
polyme ngoài và ca t t kim lo i, nh ng l tr ng i n t c thêm vào b i cation và anion ở ố ạ ữ ỗ ố đ ệ ử đượ ở
t ng ng trên l p polyme phát quang.ươ ứ ớ
6. Sensor

Các loại sensor như sensor đo độ ẩm, bộ cảm biến sinh học (biosensor) đo hàm lượng glucozo trong
máu, đo hàm lượng acid amin, sensor hóa học đo nồng độ các loại khí như nito, hidro, SO2.
Sensor cung c p thông tin tr c ti p v thành ph n hoá h c và môi tr ng. Nó g m nh ng ấ ự ế ề ầ ọ ườ ồ ữ
thay i v t lý và l p có kh n ng ch n l c. Trong m t vài sensor quá trình thay i c chia đổ ậ ớ ả ă ọ ọ ộ đổ đượ
thành hai ph n: (i) ch n l c và nh n d ng; (ii) khu ch i nó và làm t ng tín hi u c a n ng l ng t i ầ ọ ọ ậ ạ ế đạ ă ệ ủ ă ượ ớ
m c mà t i ó có th thu n ti n phát ra tín hi u dòng. Kh n ng ch n l c chính là trái tim c a ứ ạ đ ể ậ ệ để ệ ả ă ọ ọ ủ
sensors nó cung c p các t ng tác ch n l c c a các d ng thay th và k t qu là d n n thay i thông ấ ươ ọ ọ ủ ạ ế ế ả ẫ đế đổ
s c a dòng, d n, c ng sáng, kh i l ng, nhi t … sensor d a trên polyme d n ã c ch ngố ủ độ ẫ ườ độ ố ượ ệ độ ự ẫ đ đượ ứ
minh là có th áp d ng thành công. Polypyrrole và polythiopheno ch ra s thay i d n khi ti p ể ụ ỉ ự đổ độ ẫ ế
xúc v i c khí oxy hóa và khí kh . ớ ả ử
7. Thi t b i màu i n t ế ị đổ đ ệ ử
Thi t b i màu i n t s d ng polyme d n ã và ang là v n nghiên c u cho nhi u ng ế ị đổ đ ệ ử ử ụ ẫ đ đ ấ đề ứ ề ứ
d ng th c t . Trong quá trình nghiên c u v polyme d n các nhà khoa h c th y r ng có m t s ụ ự ế ứ ề ẫ ọ ấ ằ ộ ố
polyme có s thay i màu ự đổ
s c khi chuy n t d ng oxy hoá này sang d ng oxy hóa khác ho c d ng kh . Do ó b ng cách thay i ắ ể ừ ạ ạ ặ ạ ử đ ằ đổ
i n áp vào màng ta có th thay i tr ng thái c a màng polyme và t ó thay i màu s c c a màng …đ ệ ể đổ ạ ủ ừđ đổ ắ ủ
8. Vật liệu phủ đặt biệt:
Vật liệu phủ chống ăn mòn kim loại: PT được sử dụng làm vật phủ chống ăn mòn kim loại. Quá trình
chống ăn mòn kim loại của vật phủ PT thực hiện theo cơ chế sau:
Màng PT đóng vai trò là màng chắn để ngăn cản sự vận chuyển oxy nước vào bề mặt tiếp xúc với kim
loại. Màng PT đống vai như catod bảo vệ kim loại, là nguôn cung cấp các chất ức chế chống ăn mòn
kim loại, ngoài ra nó còn như một màng oxit thụ động bền vững giống như màng Crom bảo vệ kim
loại. Màng phủ chống tĩnh điện bề mặt, hấp thu song điện từ: Màng mỏng PT vải tẩm PT đã được sử
13
dụng trong nhiều lĩnh vực chế tạo vật liệu: Chống tĩnh điện bề mặt (antistatic film, antistatic fibers).
Hấp thụ sóng điện từ; Electromagnetic interference shieding, hấp thụ sóng rada. Nhờ khả năng chống
tĩnh điện người ta đã chế tạo ra áo khoác chống tĩnh điện. Ngày nay các màng hình vi tính hay tivi được
phủ một lớp PEDOT:PSS như một lớp phủ chống tĩnh điện cho các ống tia âm cực (CRT) để tránh thu
hút bụi
Pin năng lượng trong suốt làm từ PEDOT:PSS

9. Các thành phần của OLED: Ứng cử viên sang giá thay thế LCD
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
polyfluorence,polythiophene.
10. Pin mặt trời
Pin mặt trời hữu cơ là linh kiện quang điện tử hữu cơ có cấu tạo giống như OLED, nhưng có nguyên
lý hoạt động ngược lại. Dưới tác dụng của ánh sáng, điện tử và lỗ trống được hình thành trong nền
polymer (lớp hoạt động-active layer), hình thành các exciton với xác suất nhất định. Trong các pin mặt
trời sử dụng màng polymer thuần nhất, các exciton (cặp điện tử- lỗ trống) bị phân ly tại bề mặt tiếp xúc
điện cực/polymer và truyền điện tích vào các điện cực, tạo ra dòng điện ở mạch ngoài.
Một trong những pin mặt trời hữu cơ là pin mặt trời polymer – fullerene (ví dụ C60). Các polymer này mang nối
liên hợp (- C = C – C = C -) như polyacetylene (PA), polypyrrole (PPy), polyaniline (PAn), polythiophene (PT),
poly (phenylene vinylene) (PPV) v.v… và các polymer dẫn xuất. Trong các polyme này, liên kết giữa các
nguyên tử cacbon tạo thành khung cacbon có các liên kết đôi – đơn xen kẽ, hình thành các liên kết π chạy dọc
theo khung cacbon (hình 1). Các điện tử π không định chỗ đó lấp đầy toàn dải nên các polyme liên hợp là các
14
bán dẫn. Dải π bị lấp đầy được gọi là obital phân tử bị chiếm cao nhất (HOMO), và dải π* trống được gọi là
obital phân tử không bị chiếm thấp nhất (LUMO). Hệ thống liên kết π này khi bị kích thích thì một điện tử nhảy
từ HOMO lên mức LUMO
Khi polymer liên hợp kết hợp với dopant sẽ trở thành polymer dẫn điện. Khi đó, điện tử p đóng vai trò quan
trọng trong việc tạo ra dòng điện. Khi có sự kích thích của ánh sáng mặt trời, polymer mang nối liên hợp “phóng
thích” các điện tử p và để lại nhiều lỗ trống (+) trên mạch polymer. Vì vậy, polymer liên hợp được gọi là vật liệu
loại p (p-type, p = positive = dương). Ngược lại, fullerene là vật liệu nhận điện tử rất hiệu quả; sau khi nhận điện
tử fullerene mang điện tích âm nên được gọi là vật liệu loại n (n-type, n = negative = âm)

Quang tử trong ánh sáng mặt trời "đánh bật" và nâng điện tử lên dải dẫn điện để lại lỗ trống (+) ở dải
hóa trị. Cặp (+)(-) (lỗ trống - điện tử) còn gọi là exciton.

Cấu tạo của pin mặt trời BHJ (bulk heterojunction)
Các thành phần của OLED: Ứng cử viên sang
15