TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN

Lâu nay khi nói đến vật liệu dẫn điện ta thường nghĩ ngay đến kim loại. Trong đó nhôm và đồng là hai kim loại phổ biến sử dụng trong phân phối và truyền tải điện năng. Còn vật liệu polymer thì đặc trưng về tính chất cách điện. Tính chất cách điện của hầu hết các loại polymer đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên polymer không chỉ là vật liệu cách điện mà chúng còn là những vật liệu dẫn điện rất tốt....
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN LỜI MỞ ĐẦU Lâu nay khi nói đến vật liệu dẫn điện ta thường nghĩ ngay đến kim loại. Trong đónhôm và đồng là hai kim loại phổ biến sử dụng trong phân phối và truyền tải điện năng.Còn vật liệu polymer thì đặc trưng về tính chất cách điện. Tính chất cách điện của hầu hếtcác loại polymer đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên polymerkhông chỉ là vật liệu cách điện mà chúng còn là những vật liệu dẫn điện rất tốt. Quanniệm về tính chất cách điện và dẫn điện của polymer đã thay đổi khi các loại polymer dẫnđiện đã được tìm thấy. Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, con người dần tìm ra đượccác polymer có độ dẫn diện không thua gì kim loại nhưng lại có những tính chất ưu việthơn các loại vật liệu truyền thống. Do tính chất ưu việt của nó về mặt vật lí, hóa học, quang học và đặc biệt thân thiệnvới môi trường. Ngày nay loại vật liệu này ngày càng được sử rộng rãi trong các lĩnh vựccủa cuộc sống như: trong công nghệ điện tử có rất nhiều sản phẩm được chế tạo trên cơsở polymer dẫn như transitor, màn hình hiển thị hữu cơ (OLED-organic light emittingdiode). Trong công nghệ cảm biến sinh học, hóa học như cảm biến glucose trong máutrên cơ sở polypyrrole, cảm biến NH3 trên cơ sở polyaniline. Trong lĩnh vực dự trữ nănglượng bao gồm nguồn điện, siêu tụ điện hóa và trong lĩnh vực ăn mòn bảo vệ kim loại,... Polymer dẫn có thể được tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau như: phươngpháp hóa học, phương pháp vật lý, phương pháp điện hóa. Trong đó tổng hợp bằngphương pháp hóa học có nhược điểm là khó khống chế tốc độ của phản ứng, còn nếu tổnghợp bằng phương pháp vật lý thì đòi hỏi thiết bị tổng hợp tương đối phức tạp mà hiệu quảlại không cao. Do đó, việc tổng hợp polymer dẫn bằng con đường điện hóa là phươngpháp được dùng nhiều nhất. “Tìm hiểu về polymer dẫn diện” là một trong đề tài rất rộng liên quan đến nhiềulĩnh vực như: Công nghệ polymer, công nghệ điện hóa, điện, bán dẫn,... Tuy nhiên trongnội dung giới hạn của tiểu luận ta chỉ tìm hiểu về cơ chế dẫn điện của polymer dẫn vànhững ứng dụng của chúng hiện nay.GVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 1 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN PHẦN 1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Khám phá về polymer dẫn điện quan trọng xảy ra vào năm 1973, khi polymer vôcơ polysulfurnitride (SN)x được biết đến như là một kim loại. Độ dẫn điện riêng của(SN)x tại nhiệt độ phòng có giá trị khoảng 103 S/cm (S = Siemen, là đơn vị của độ dẫn điện,đảo nghịch của Ohm (S = 1/)), dưới nhiệt độ tới hạn khoảng 0,3K, (SN)x trở thành chấtsiêu dẫn. Tuy nhiên, (SN)x rất dễ nổ, vì thế nó không có giá trị về mặt ứng dụng lẫnthương mại. Năm 1975, một phát hiện có tầm mức thời đại xảy ra tại trường Tokyo Institute ofTechnology (Tokyo Kogyo Daigaku, Đại học Đông kinh Công nghiệp, Nhật Bản). Tiếnsĩ Shirakawa Hideki, giảng viên của trường, là một chuyên gia về tổng hợp polyacetylene(PA) theo phương pháp thổi khí acetylene qua một chất xúc tác. Phương pháp dùng thểkhí để tổng hợp cho ra một thể rắn (trong trường hợp này là polymer) là một phươngpháp công nghệ thông dụng để hình thành polyethylene (PE) và polypropylene (PP). Haipolymer này được tổng hợp bằng cách thổi khí ethylene hoặc propylene vào chất xúc tácZiegler – Natta (Ti(OC4H9)4 – (Al(C2H5)3)). Shirakawa cũng dùng phương pháp này để tổnghợp bột PA. Vào năm 1977, người ta thực hiện quá trình dopant polymer polysulfurnitride và tínhdẫn điện của nó tăng lên một cách đáng kể. Đến khoảng cuối năm 1977, Shinakawa,MacDiarmid và Heeger khám phá ra rằng, khi PA được oxy hoá hoặc khử bằng các tácnhân khác nhau thì độ dẫn điện của nó tăng lên từ 4,4.10-5 đến khoảng 106S/cm (so sánhvới Teflon: 10-16S/cm; Silicon: 10-3S/cm; Germanium: 1S/cm; đồng, sắt, bạc: 108S/cm).Sự khám phá này có thể được xem là điểm khởi đầu của các công trình nghiên cứu saunày về polymer dẫn điện. Ở những năm đầu của thập niên 1980, một cuộc chạy đua diễn ra giữa các nhà khoahọc khắp nơi trên thế giới để nâng cao độ dẫn điện của PA đến mức độ dẫn điện của đồng.Đây là cuộc chạy đua mang tính hiếu kỳ hơn là thực dụng. Sự khác biệt giữa độ dẫn điệncủa chất cách điện và chất dẫn điện là một khoảng cách cực kỳ bao la. Những polymercách điện tốt như PE, PVC, polystyrene, nylon có độ dẫn điện trong khoảng 10-18S/cmcon số này quá nhỏ nên xem như là cách điện. Chất dẫn điện tốt như đồng hoặc bạc đạtGVHD: TS. LÊ MINH ĐỨC 2 SVTH: PHAN ĐÌNH THANH Bài tiểu luận – TÌM HIỂU VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆNđến 106S/cm. Khoảng cách giữa hai trị số 10-18 và 106 là 1 triệu tỷ tỷ lần. PA sau khi đượcdopant với ion iodine (I3)- có độ dẫn điện khoảng 105S/cm, là một polymer có độ dẫnđiện cao nhất trong các polymer dẫn điện. Khi được kéo dãn, PA có thể đạt đến 106S/cmgần đến trị số của đồng. Tiếc rằng, PA không có giá trị cho những áp dụng thực tiễn bởivì PA bị oxít hoá trong không khí. Thậm chí trong chân không PA cũng tự suy thoái (selfdegradation). Oxít hoá và sự suy thoái đưa đến việc giảm độ dẫn điện. Một vật liệu khôngcó tính bền đối với môi trường xung quanh (environmental stability) khó có thể trở thànhnhững vật liệu hữu ích mang tính thực dụng. Sau một năm làm việc với MacDiarmid và Heeger, Shirakawa trở lại Nhật Bản giảngdạy và nghiên cứu tại Đại học Tsukuba. Ông tiếp tục nghiên cứu PA cho đến khi về hưu.MacDiarmid và Heeger đặt trọng tâm nghiên cứu vào polyaniline (PAn). Ngoài ra,polypyrrole (PPy) và polythiophene (PT) là hai loại polymer quan trọng khác được khảosát có hệ thống trong 30 năm qua. Thật ra, PPy dẫn điện đã được một nhóm nghiên cứutại Úc (CSIRO) phát hiện vào năm 1963. PPy của nhóm này trộn lẫn ...