Nghiên cứu, chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của điện cực cấu trúc nano lên hiệu suất lượng tử nội của các linh kiện quang điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Nghiên cứu sinh: Hoàng Thị Thu

Tên đề tài:

Nghiên cứu, chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của điện cực
cấu trúc nano lên hiệu suất lượng tử nội của các
linh kiện quang điện

Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn
Mã số: 62 44 07 01

Cán bộ hướng dẫn:

PGS. TS. Trần Quang Trung
PGS.TS. Trương Quang Nghĩa

Tp.HCM, tháng 05 năm 2010


TÓM TẮT
Indium tin oxide (ITO) và oxit tin flo (FTO) đã được sử dụng rộng rãi như cửa sổ điện
cực (TCO) trong các thiết bị quang điện tử. Tuy nhiên những ôxít kim loại này ngày càng
cạn kiệt do sự hạn chế của nguyên tố Indi trên Trái Đất và độ truyền qua bị giới hạn trong
vùng hồng ngoại gần, các khuyết tật trong cấu trúc FTO đã gây ra các dòng rò rỉ không mong
muốn của các thiết bị FTO. ITO là vật liệu rất dòn và dễ gãy, không thể ứng dụng cho các
linh kiện quang điện cần tính mềm dẻo. Thêm vào đó việc sản xuất ITO đòi hỏi công nghệ
cao và rất tốn kém kéo theo giá thành của ITO lên rất cao. Việc tìm kiếm các vật liệu điện
cực mới với sự ổn định, độ truyền qua cao và độ dẫn điện xuất sắc đặc biệt là giá thành
rẻ là một mục tiêu cực kì quan trọng trong lĩnh vực quang điện tử.

Trong một vài năm gần đây, Graphene - loại vật liệu cacbon cấu trúc nano hai chiều với
cấu trúc phân tử phẳng, chỉ dày bằng một nguyên tử và rất bền vững - được khám phá ra và
ngay lập tức đã thu hút được sự chú ý lớn của giới khoa học cả trong lĩnh vực thực nghiệm
và lý thuyết, và đã có một số lượng khá lớn những nghiên cứu về nó trong thời gian gần đây.
Graphene có cấu trúc sắp xếp theo hình lục giác của các nguyên tử cacbon tạo nên dạng
tấm phẳng bề dày một nguyên tử, dưới kính hiển vi điện tử, graphene có hình dáng của một
màng lưới tổ ong. Graphene là khối kết cấu cơ bản của nhiều cấu trúc nano khác làm bằng
cacbon như cacbon nanotube, buckyball, graphite. Cấu trúc nano đặc biệt này hứa hẹn tiềm
năng ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật bởi những tính chất đặc biệt ưu
việt của nó. Các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết để phát triển các linh kiện vi điện tử
cấu trúc nano dựa trên Graphene thực sự đã làm cho nó trở thành một ứng cử viên đầy hứu
hẹn cho ngành điện tử trong tương lai. Các ứng dụng của Graphene trong các lĩnh vực khoa
học kỹ thuật khác nhau như : chế tạo các sensor, các hợp phức nano, siêu tụ điện, làm màng
dẫn điện trong suốt, pin mặt trời, vật liệu tích trữ khí, transistor càng làm cho nó trở thành
chủ đề nghiên cứu hấp dẫn trong những năm gần đây. Graphene dễ thay đổi hình dạng, vì thế
có thể sử dụng nhiều trong việc chế tạo các linh kiện hay thiết bị có đặc tính dễ dàng uốn
cong hay trải rộng.
Màng Graphene mỏng mà độ dẫn rất cao, chỉ cần vài đơn lớp thì độ dẫn của nó đã bằng
với độ dẫn của màng ITO dày 100 nm. Graphene là vật liệu siêu cứng, nó có khả năng chống
ăn mòn hóa học và chống va chạm cao. Hơn nữa, Graphene làm cửa sổ quang học rất tốt. Do
đó, Graphene là màng dẫn điện trong suốt có khả năng bảo vệ các lớp bên trong tốt nhất. Với


những tính chất tuyệt vời như vậy, Graphene là ứng cử viên tốt hơn hẳn ITO, là sự thay thế
ITO hoàn hảo nhất hiện nay. Tuy nhiên cho đến nay công nghệ sản xuất graphene bằng
phương pháp CVD, tuy cho màng Graphene có độ dẫn điện tốt nhưng công nghệ này vẫn còn
khá đắt tiền, chưa thể hạ giá thành của vật liệu graphene.
Vì vậy định hướng trên dây nano kim loại đã và đang được các nhà khoa học quan tâm
nghiên cứu vì giá thành rẻ và phương pháp chế tạo đơn giản. Ag nanowires xuất hiện với độ
dẫn điện cực kì tốt độ truyền qua cao, công nghệ chế tạo đơn giản hoàn toàn có thể thay thế

ITO. Vấn đề cần khắc phục ở đây là khả năng bền với môi trường của Ag nanowires và điều
này cũng đã mở ra một hướng nghiên cứu mới trên vật liệu nano.
-

Hiện nay chúng tôi đã chế tạo được màng dẫn điện trong suốt Ag nano wires có điện

trở 17Ω/ với độ truyền qua 94%, 10Ω/ với độ truyền qua 82% (phép đo 4 mũi dò, Máy đo
phổ hấp thụ UV - Vis V530. Tiêu chí của màng dẫn điện trong suốt là điện trở phải thấp
đồng thời độ truyền qua càng cao càng tốt). Kết quả ban đầu rất đáng khích lệ so với các
kết quả của các tác giả đã công bố trên các tạp chí uy tín:

Kết quả của chúng tôi

Resistance

Transmitt

(Ω / )
10

ance (%)
82

100

80

17

92

13

85

Hoang Thi Thu, Tran Quang Trung. Preparation of the
transparent silver nanowires electrode on flexible substrate. Hội
Nghị Quang Học Quang Phổ Toàn Quốc lần thứ 7. Tp. Hồ Chí
Minh; 26-29, tháng 11 năm 2012

Hybrid transparent electrodes of silver nanowires
and carbon nanotubes: a low-temperature solution
process.
Tokuno et al. Nanoscale Research Letters 2012, 7:281
/>
Improved Thermal Oxidation Stability of SolutionProcessable Silver Nanowire Transparent Electrode
by Reduced Graphene Oxide (2012)
dx.doi.org/10.1021/am301913w | ACS Appl. Mater.

Silver Nanowire Networks as Flexible Transparent,
Conducting Films: Extremely High DC to Optical
Conductivity Ratios.
Published online June 24, 2009.


Ảnh SEM của các sợi Ag được chúng tôi điều chế bằng phương
pháp hóa học là phương pháp rất rẻ tiền và dễ thực hiện.

Chế tạo điện cực dẫn điện trong suốt dựa trên tổ hợp lai AgNWS-Graphene trên đế dẻo.

Màng dẫn điện trong suốt với điện trở bằng điện trở của màng ITO (màng được đánh giá
tốt nhất hiện nay)


Để khắc phục nhược điểm kém bền của Ag nanowires đối với môi trường, một định
hướng mới mà chúng tôi đang tiến hành là composit Agnanowires và graphene, lợi dụng tính
bền của Graphene bảo vệ cho lớp Ag ở bên dưới. Hybrid dạng này cũng cho độ truyền qua và
độ dẫn điện tốt. Bước đầu chúng tôi đã chế tạo được màng có điện trở 14.4Ω/ truyền qua
81%. So với số liệu mới nhất công bố trên bài báo của nhóm tác giả Yang Liu, Quanhong
Chang and Lei Huang năm 2013 là 32.5 Ω/
Conducting Graphene

Hybrid

Films

truyền qua 81.5%. (Transparent, Flexible

with

a Subpercolating Network of Silver

Nanowires. Published on 06 March 2013 on | doi:10.1039/C3TC30178H).
Hiện nay chúng tôi đã chế tạo được 3 loại điện cực dẫn điện trong suốt trên đế dẻo, có
cấu trúc nano với độ dẫn điện cao và độ truyền qua tốt. Hiện nay chúng tôi đã bước đầu ứng
dụng sợi Ag trong việc tạo ra hiệu ứng Plasmonic làm tăng công suất quang trong LED
InGaN/GaN và đã đạt được những kết quả rất khả quan (bài báo Enhanced optical output
power by the silver localized surface plasmon coupling through side facets of micro-hole
patterned InGaN/GaN light-emitting diodes, Manuscript ID: 208649, OPTICS INFORBASE).
Trong thời gian tới chúng tôi sẽ ứng dụng sợi nano Ag, màng Graphene, Graphene quan tum

dot hoặc tổ hợp lai của chúng làm điện cực trong các linh kiện quang điện nhằm thay thế các
điện cực TCO cổ điển, tăng hiệu suất lượng tử nội của các linh kiện quang điện.

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

Trần Quang Trung