Bán dẫn hữu cơ polyme công nghệ chế tạo, tính chất và ứng dụng Phần 3

Phân bố điện tích của Polyacetylen Một điều kiện cần thiết cho chế tạo các hệ thống điện tử mới là tính ổn định của quá trình, độ bền vững của các phân tử cũng như sự hiểu biết chính xác

Phần III ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BÁN DẪN

HỮU CƠ POLYME

Chương 6

ĐIỆN TỬ HỌC PHÂN TỬ

6.1 Những khái niệm điện tử dọc phân tử

6.1.1 Giới thiệu điện tử học phân tử

Hiện nay, để làm giảm kích thước các chi tiết điện tử đến kích thước nanomet có hai hướng khác nhau Một mặt, kích thước của chi tiết các linh kiện điện tử được làm nhỏ đi Mặt khác, nguời ta cố gắng mô phỏng theo các chức năng của hệ thống sinh học với sự trợ giúp của các phân tử hóa học Trong đó cần phải sử dụng các khả năng của hệ thống sinh học như nhận biết thông tin, truyền thông tin và khả năng nhớ thông tin Với hướng thứ nhất, bằng công nghệ nano, người ta có thể chế tạo linh kiện có độ phân giải đến 100nm theo các phương pháp nanolithography, như hình 183 Tuy nhiên, với việc nhỏ hóa linh kiện đến một chừng mực nào đó, ta không thể tiếp tục chia nhỏ tiếp vì những điều kiện vật lý không cho phép, như hiệu ứng nhiệt, hiệu ứng bề mặt Chính vì lẽ đó, để có thể chế tạo được linh kiện phân tử, con đường thứ hai mô phỏng sinh học với sự trợ giúp của hóa học sẽ đưa đến thành công của điện tử học phân tử (Molecular Electronics) và điện tử học sinh học (Bioelectronics) Vật liệu sẽ đóng vai trò quan trọng trong điện

tử học phân tử chính là bán dẫn hữu cơ ICP

Vật liệu phù hợp cho điện tử học phân tử được sử dụng là vật liệu polyme dẫn điện thuần ICP Các vật liệu polyme dẫn thuộc nhóm có polyme cấu trúc liên hợp và trên mạch cacbon có các nối đơn do liên kết σ và nối đôi do liên kết π thay đổi một cách luân phiên Tính chất dẫn điện của ICP là do sự tạo ra trạng thái đan xen vào nhau của các nối đôi Một ví dụ đơn giản nhất cho

polyme dẫn chính là polyacetylen có mạch cacbon thẳng, như hình 184 Giống như các loại vật liệu bán dẫn truyền thống vô

cơ (Si, Ge) độ rộng dải năng lượng của polyme dẫn nằm trong khoảng giữa vật liệu cách điện và kim loại Khác với vật liệu bán dẫn vô cơ truyền thống, khả năng dẫn diện của vật liệu hữu

cơ được tăng lên thông qua sự tạo thành các phức khi có thêm chất doping donor hay chất doping aceptor và làm cho vật liệu trở nên dẫn điện qua cách dẫn p hay n Một cách khác có thể làm tăng độ dẫn điện, ví dụ đối với các lớp polyacetylen, cho oxy hóa một phần bằng các ion, khi đó độ dẫn điện có thể đạt tới 103 S/cm, giá trị tối đa hiện nay vào khoảng 105 S/cm

4~64M DRAM

4G – ? DRAM

64-256M DRAM

256M-1G DRAM

DUV

KrF laser (248nm)

ArF laser (193nm)

latent images

Negative-tone images Positive-tone images

Hình 183 Công nghệ quang khắc tiên tiến phân giải nano chế tạo

linh kiên điện tử

Hình 184 Phân bố điện tích của Polyacetylen

Một điều kiện cần thiết cho chế tạo các hệ thống điện tử mới là tính ổn định của quá trình, độ bền vững của các phân tử cũng như

sự hiểu biết chính xác về sự vận chuyển năng lượng và điện tích trên khía cạnh phân tử và sự thay đổi cấu trúc trong quá trình vận chuyển điện tích trong hệ thống một chiều Từ các nguyên nhân trên, các thành phần cấu tạo hóa học được phân loại theo cấu trúc

và các nguyên lý của quá trình kích thích và truyền điện tích cần được nghiên cứu và chọn lọc Ngoài ra, các dạng oxy hóa, dạng dẫn điện, ảnh hưởng của nhiệt độ, ánh sáng vào sự biến đổi lý hóa học cũng được đề cập đến, trong đó sự thay đổi cấu hình của phân

tử được nêu lên

Cho đến thời điểm hiện nay, khái niệm cơ bản của điện tử học phân tử được thực hiện thông qua 2 linh kiện điện tử: Transitor hữu cơ và diot hữu cơ Các chi tiết khác được chế tạo với sự trợ giúp của quá trình chuyển tiếp không đồng nhất trong vật liệu lai hữu cơ/vô cơ cấu trúc nano

Khả năng tổng hợp được các lớp dẫn điện hữu cơ ICP bằng con đường đơn giản, quá trình doping và khả năng chế tạo các linh kiện điện tử đơn giản đã tạo ra một sự kích thích mạnh mẽ cho sự

phát triển của điện tử học phân tử Những nguyên nhân cơ bản cho

sự cuốn hút này là ở hy vọng không chỉ chế tạo các chi tiết điện tử

rẻ hơn mà còn ở khả năng thay đổi dễ dàng các tính chất của vật liệu polyme và một sự tương hợp cao trong mạch phân tử Để có thể thực hiện nhanh chóng các ý tưởng này, cần có sự phối hợp nghiên cứu của nhiều ngành: hóa học, vật lý, điện tử, vật liệu Nguyên lý vận chuyển điện tích của các linh kiện điện tử trên khác rất nhiều so với các chi tiết điện tử truyền thống Chính vì vậy, không có sự lấn át của các chi tiết điện tử mới so với thế hệ cũ mà

2 loại này tồn tại bên nhau, bổ trợ cho nhau

Với việc sử dụng những thiết bị hiện đại, phân giải nano như Scanning Tunnel Microscope (STM) hay Scanning Electron Microscopy (SEM), việc thay đổi phân tử ở kích thước 0.4 nm và tính liên kết chọn lọc hay phân tách đã được chứng minh Từ đó có thể tạo ra khả năng chế tạo mạch phân tử theo mong muốn Một con đường khác để thay đổi cũng như làm giảm sự không ổn định của hệ thống là sự phối hợp của điện tử học vi cơ và điện tử học phân tử trong đó vi cơ đảm nhiệm chức năng của mạch cơ, nút bấm Sự phối hợp của STM và SEM cho phép tạo ra sự thay đổi điện hóa của từng phân tử theo ý muốn

Tóm lại, vẫn còn nhiều việc cơ bản cần phải làm để có cái nhìn chắc chắn cho các công nghệ trong tương lai nhằm chế tạo các mạch phân tử Lời kết luận này được giải thích trên khía cạnh một

số vấn đề còn tồn tại như chức năng, tác dụng tương hỗ giữa các phân tử hay khối phân tử với nhau và với môi trường xung quanh vẫn còn chưa hiểu hết

6.1.2 Những nguyên lý cơ bản của vật liệu điện tử học phân tử

Điện tử học phân tử đề cập đến các nguyên lý cơ bản để tổng hợp các phân tử hữu cơ hay hệ thống phân tử để sử dụng chế tạo các linh kiện điện tử cho mạch điện tử và với các phương tiện thích hợp để tạo ra mạng điện tử Do đó cần phải tạo ra mật độ tích hợp cao hơn trong mạch điện tử so với công nghệ bán dẫn thông thường Một ví dụ cần được học hỏi cho mật độ bộ nhớ và công suất tiêu tán chính là các hệ thống sinh học Cấu tạo của mạch phân tử được thực hiện sắp xếp 3 chiều và điều này ngược với kỹ thuật phẳng của Si

Để thiết kế các linh kiện điện tử phân tử tương lai có thể thực hiện theo 2 con đường: phương án thứ nhất là phát triển các hệ thống kích thước nhỏ dạng hạt, màng mỏng cỡ nano có các tính chất điện hấp dẫn Phương án thứ 2 là tiếp cận với tính chất dẫn điện của các phân tử riêng biệt hay nhóm phân tử (cluster)

6.1.2.1 Phân tử hay hệ thống phân tử cân bằng kép (ví dụ làm bộ nhớ, phát sáng, đầu dò)

Phân tử hay hệ thống phân tử cân bằng kép đề cập đến các hệ thống có thể tự chuyển mạch qua kích thích bằng quang học, điện hay nhiệt Các phân tử có thể nhớ thông tin bằng cách thay đổi cấu trúc điện tử hay cấu trúc hình học qua sự biến đổi 2 chiều hóa học

ví dụ như vật liệu thay đổi sự sắp xếp cấu hình do tác dụng của quang học

O

O

N N OCH3

OH

OH

N N OCH3

Vis UV

UV Vis

Hình 185: Cấu tạo một hợp chất hữu cơ cân bằng kép

6.1.2.2 Phân tử với tính chất cho và nhận điện tử (diot, transitor)

Phân tử với tính chất cho và nhận điện tử có các nhóm chức bên trong một đơn vị phân tử Các phân tử được nối với nhau qua cầu liên kết hóa trị và khác nhau ở ái lực điện tử cũng như thế ion hóa của chúng Vì vậy các điện tử trên phân tử chuyển động từ nhóm

có thế ion hóa thấp đến nhóm có ái lực điện tử cao

6.1.2.3 Các mạch phân tử liên hợp có các phân tử mang tín hiệu riêng (dây phân tử, chi tiết mạch logic)

Dòng chảy thông tin được thực hiện qua các dây phân tử từ các polyme dẫn như polyacetylen, polydiacetylen hay poly(p-phenylen) Nói chung, các polyme này có cấu tạo từ các chuỗi nguyên tử cacbon liên kết với nhau qua liên kết σ Ngoài ra, mỗi nguyên tử cacbon còn có điện tử π và điện tử này trong một mô hình đơn giản nhất có thể được coi là điện tử tự do như trong kim loại Phân tử mang tín hiệu chuyển động dọc theo dây dẫn và tùy theo sự thay đổi hóa học hay sự cảm ứng của polyme dẫn mà các phân tử mang tín hiệu này ở trạng thái tự nhiên khác nhau Ở dạng đầu tiên, các linh kiện điện tử có cấu tạo giống như trong công nghệ bán dẫn truyền thống được tạo thành từ các lớp có các tính chất điện tử khác nhau Sự tiếp xúc được thực hiện như các mẫu truyền thống (bay hơi của các màng kim loại) Không như dạng đầu tiên, trong dạng thứ 2 từng phân tử hay lớp phân tử đơn đã có chức năng của một linh kiện điện tử như chuyển mạch, khuếch đại hay diot phát quang và qua các dây dẫn phân tử như polyacetylen, spiro-polythiophen được nối với mạch bên ngoài Sự tiếp xúc ở đây đòi hỏi phải có thiết bị trợ giúp có độ phân giải cao trên cơ sở của công nghệ định vị – dò tìm của STM và AFM Sự nối liền với chất mang được thực hiện qua cầu nối Silyl hay qua các cầu nối của các phân tử hữu cơ lớn như cyclodetrin, zeolite Điều kiện cho mật độ tích hợp cao là mạch điện tử này phải có tốc độ truyền điện tử trên mạch phân tử cao (> 1GHz) và các phân tử hay khối phân tử sử dụng phải nhỏ hơn 2 nm.Việc sử dụng từng phân tử và hệ thống phân tử

có kích thước nhỏ để chế tạo mạch phân tử có quan hệ chặt chẽ với các nghiên cứu về năng lượng- vận chuyển điện tích trên bình diện phân tử và cả về sự thay đổi 2 chiều cấu trúc của chất mang trong hệ một chiều Để mô tả năng lượng và vận chuyển điện tích thì cho 2 dạng trên có thể sử dụng cùng chất mang tín hiệu dạng hạt, phân tử riêng như Exiton điện tử và lỗ trống, soliton và antisoliton, polaron

6.2 Polyme cấu trúc liên hợp và các tính chất đặc trưng

6.2.1 Mạch phân tử liên hợp

Những polyme cấu trúc liên hợp dẫn điện ICP tiêu biểu như hình

186 dưới đây:

π-CONJUGATED POLYMERS

N N

N N N Ph

Ph Ph

Hình 186: Một số polyme cấu trúc liên hợp

Các polyme liên hợp có cấu trúc bao gồm các mạch phân tử cacbon có chứa thêm các liên kết đôi liên hợp (hệ thống điện tử π) được coi là chất dẫn điện một chiều Giống như kim loại hóa trị một, một chiều, các phân tử polyme dẫn không bền vững đối với

sự biến dạng mạng tuần hoàn dưới tác động cảm ứng ánh sáng Từ nguyên nhân trên, trong hệ thống π tạo ra sự tách thành các liên kết đôi và đơn Chính vì vậy, tồn tại sự tách biệt của dải điện tử hóa trị

và dải dẫn trống và người ta nhận được cấu trúc dải của chất bán dẫn hay chất cách điện Các nguyên nhân khác dẫn đến sự phân tách của dải dẫn và dải điện tử hóa trị chính là khoảng cách lớn giữa mạch cacbon và chuyển động xoay tròn của mạch phân tử Vì các nguyên nhân trên mà các polyme dẫn ở trạng thái ban đầu có tính chất cách điện hay khả năng dẫn kém

π- bonding

(a) Schematic view of the lowest bonding orbital π electron cloud above and below the plane of

the anthracene molecule The H atoms are not shown (b) electron density section through the

central plains in the anthracene molecule Each contour line represents the increase of electron

density of 0.5 electrons/Α 3 moving toward the carbon atoms

de localize d e le ctron de nsity

aromatic s tablization

highly localize d e le ctron de ns ity

Hình 187 Cấu trúc điện tử của cacbon liên kết π

Bên cạnh trạng thái kích thích điện tử – lỗ trống của chất bán dẫn thông thường, do có sự suy biến mạch phân tử còn có các trạng thái kích thích mới

6.2.2 Cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn hữu cơ

Giống như trong chất bán dẫn vô cơ, trong bán dẫn hữu cơ, người

ta cũng chứng minh có sự tồn tại của vùng cấm năng lượng Khái niệm vùng cấm trong bán dẫn hữu cơ được định nghĩa là sự khác biệt giữa hai mức năng lượng HOMO, tức là mức năng lượng của điện tử ở quỹ đạo phân tử điền đầy cao nhất (the Highest Occupied Molecular Orbital : HOMO) và mức năng lượng LUMO, tức là mức năng lượng của điện tử ở quỹ đạo phân tử chưa điền đầy thấp nhất (the Lowest Unoccupied Molecular Orbital: LUMO) Chúng

có tính chất giống như vùng hóa trị và vùng dẫn trong bán dẫn vô

cơ Các bán dẫn hữu cơ có độ rộng vùng cấm đặc trưng khác nhau

và do đó đỉnh hấp thụ năng lượng photon của chúng cũng khác nhau Như hình 188 dưới đây:

LUMO

HOMO HOMO

4.8 eV

4.2 eV 2.8 eV

ITO

Al Ca

PPV CzEh-PPV OxdEh-PPV

LUMO 3.2 eV

HOMO 5.3 eV

HOMO (π1 ) ψ1

(π2 )*ψ2*

ground state excited state Evolution of a Semiconductor Bandgap with Increasing Chain Length

Bandgap or energy gap (E g ) = the smallest energy gap transition between π and π* bands

ethylene butadiene hexatriene octatetraene

A Comparison of the π Æ π* Energy gap in a Series of Polyenes of Increasing Chain Length

Hình 189 Sơ đồ biểu diễn các mức năng lượng chuyển dich trong

bán dẫn hữu cơ

Trong điều kiện bình thường, chất bán dẫn hữu cơ polyme có cấu trúc vùng năng lượng tương tự như các chất bán dẫn vô cơ Năng lượng để đưa một điện tử từ mức HOMO lên mức chân không gọi là năng lượng ion hóa, với thế tương ứng là thế ion hóa (Ip), của phân tử Năng lượng để đưa một điện tử từ mức chân

không lên mức LUMO được gọi là di lực điện tử của phân tử (Ic hoặc Ea) Quá trình ion hóa là quá trình di chuyển điện tử từ mức HOMO, khi đó phân tử sẽ tích điện dương, tương ứng với quá trình dẫn lỗ trống của mức HOMO Ngược lại, quá trình khử là quá trình thêm một điện tử vào mức LUMO Khi đó phân tử sẽ tích điện âm, tương ứng với quá trình dẫn điện tử ở mức LUMO Như vậy HOMO tương ứng với vùng hóa trị còn LUMO tương ứng với vùng dẫn trong bán dẫn vô cơ Hình 189 là sơ đồ biểu diễn các mức năng lượng chuyển dịch trong bán dẫn hữu cơ

6.3 Cơ sở để phát triển và sản xuất mạch điện tử phân tử

Phát triển và sản xuất mạch điện tử phân tử cần có các mô hình phân

tử cho phép tổng hợp các thành phần phân tử và lắp ghép trên một mạch ngoài Chế tạo mạch điện tử phân tử có thể được thực hiện bằng các con đường tổng hợp vật liệu như đã trình bày ở phần trên Tuy nhiên, để chế tạo linh kiện điện tử, việc nghiên cứu công nghệ tạo màng mỏng đóng vai trò quan trọng Sau đây là một số phương pháp chế tạo màng mỏng được sử dụng trong bán dẫn hữu cơ

6.3.1 Kỹ thuật chế tạo màng mỏng

6.3.1.1 Trùng hợp polyme liên hợp

Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp trùng hợp có thể thực hiện trong dung môi hay pha khí Ngược với quá trình trùng hợp trong pha khí, trùng hợp trong pha lỏng có thể kiểm soát được quá trình tạo hình thái học Với khả năng có thể dễ dàng kết hợp với chất doping thì với công nghệ này có thể được thực hiện rất đa dạng Một ưu điểm quan trọng của chất bán dẫn hữu cơ so với chất bán dẫn vô cơ là nó có thể sản xuất được ở nhiệt độ phòng và do vậy không đòi hỏi nhiều về đầu tư công nghệ

Tùy theo monome và các yếu tố khi tổng hợp có các phương pháp khác nhau để chế tạo màng polyme liên hợp Polyme có sự khác nhau về độ khâu mạch, liên hợp và độ dài của mạch phân tử,

độ kết tinh Sự khác nhau này dẫn đến sự khác nhau trong sự tạo thành hình thái học Mục tiêu của việc phát triển polyme dẫn là đạt được sự linh động cao của các điện tích hay nói cách khác là tăng khả năng dẫn điện của polyme Người ta đạt được độ linh động cao

khi trùng hợp từ các oligome So sánh với quá trình trùng hợp từ monome thì không có sự thay đổi khoảng cách giữa dải dẫn và dải hóa trị Người ta thu được polyme có độ trật tự cao hay là có độ kết tinh cao và mật độ tích điện lớn Ngoài ra, màng mỏng có thể được biến tính chức năng như đối với dạng màng mỏng được chế tạo từ các monome

a Trùng hợp hóa học

Trong phương pháp trùng hợp hóa học, nói chung màng phim ở dạng tự do, tức là không bám vào chất nền Sự lắng đọng lên chất nền về nguyên lý có thể thực hiện được Tuy nhiên độ bám dính nhìn chung không được tốt Các màng mỏng được chế tạo với sự trợ giúp của chất xúc tác, phản ứng kết nối oxy hóa

b Trùng hợp điện hóa

Trong tổng hợp điện hóa, các monome qua quá trình khử hay oxy hóa điện hóa được chuyển sang trạng thái gốc tự do trong thời gian ngắn Gốc tự do được polyme hóa qua việc thế các nucleophin vào mạch phân tử Trong quá trình polyme hóa, các anion được xen kẽ vào màng phim và đóng vai trò là ion đối lập nhằm đảm bảo sự trung hoà điện tích Dạng “tự hợp kim hóa” quyết định đến hình thái học, độ dẫn điện và tính chất cơ lý của màng phim

Ưu điểm của phương pháp điện hóa là trong tất cả các trường hợp, tiếp xúc Ohmic của màng phim với chất nền được đảm bảo Quá trình polyme hóa và mức độ hợp kim hóa được kiểm soát qua thế oxy hóa Độ dầy màng phim được kiểm soát qua lượng điện tích Độ dầy màng phim không được phép nhỏ hơn một giá trị nhất định nếu không sẽ không phủ kín hoàn toàn được chất nền Giá trị giới hạn này phụ thuộc vào các thông số chế tạo và monome được

sử dụng Nói chung, giá trị này vào khoảng 50 nm Nhìn chung, polyme thế có độ dẫn điện nhỏ hơn là polyme không thế Bằng cách này thì polyme liên hợp π và polyme hóa khử có thể chế tạo được Khi các liên kết có nhóm chức được sử dụng là monome thì

có thể tạo ra các phân tử polyme được chức năng hóa đơn hay đa chức năng theo ý muốn

c Trùng hợp điện quang

Ngược với phương pháp tổng hợp điện hóa, cần phải có chất nền có khả năng dẫn điện tốt, người ta có thể tổng hợp polyme liên hợp như polypyrol, trên chất bán dẫn vô cơ (GaAs, CdS, CdSe) với

sự trợ giúp của quá trình oxy hóa điện bằng quang học Trong trường hợp này tạo ra các tiếp xúc cùng hướng của chất bán dẫn/chất điện ly giữa chất nền và dung dịch ion monome dẫn điện

Độ dầy màng phim có thể được điều chỉnh qua thời gian chiếu sáng, trong khi tốc độ phát triển phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng Với kỹ thuật này có thể sản xuất màng phim từ polyalkylpyrol, polymethylthiophen

d Polyme hóa bằng plasma

Phương pháp này dựa trên sự hoạt hóa các phân tử hữu cơ

và sự lắng đọng trên chất nền ở nhiệt độ thấp qua sự phóng điện ở áp suất thấp Cấu tạo màng phim tạo thành như vậy rất phức hợp và có mật độ khâu mạch cao Chính vì vậy, vật liệu

có tính chất đặc biệt như độ cứng cao và không hoà tan trong tất cả dung môi Để tổng hợp, người ta đi từ các monome có chứa nhóm vinyl Chúng được liên kết lại với nhau qua các chất hoạt hóa từ trong vùng plasma và tạo ra oligome Các oligome này có thể được vận chuyển vào vùng plasma và ở đó xảy ra quá trình bẻ gãy hay lắng đọng trên chất nền Trên bề mặt chất nền xảy ra quá trình khâu mạch qua sự va đập của các ion có gia tốc cao từ sự phóng điện Với cách này có thể tạo thành các mạch phân tử polyme lớn Tốc độ lắng đọng trong quá trình polyme hóa bằng plasma xảy ra rất nhanh ưu điểm của phương pháp này là có thể tạo ra màng rất mỏng, có ổn định cao và đồng đều (độ dầy < 10 nm) trên chất nền với hình dạng bất kỳ Cho tới nay các polyme như vinyltrimethylsilan, Si-hữu cơ được chế tạo bằng cách này

6.3.1.2 Lắp ghép phân tử (molecular self –assembling)

Với phương pháp này có thể chế tạo các chi tiết cấu trúc nano Phương pháp tự sắp xếp phân tử dựa trên sự tự tổ hợp các phân

tử có trật tự hay các nhóm phân tử để tạo ra cấu trúc nano (ví

dụ như colloide, micelle) Sự sắp xếp phân tử tạo ra màng phim bền vững về trạng thái nhiệt động học Màng phim này rất bền vững và có khả năng cao chống lại sự xâm nhập của các tạp chất Quá trình thực hiện sự sắp xếp phân tử có thể thực hiện theo các cách sau:

a Kỹ thuật Langmuir-Blodgett

Kỹ thuật Langmuir-Blodgett (Kỹ thuật LB) tạo ra khả năng chế tạo màng phân tử đơn từ bề mặt tiếp xúc giữa nước/không khí trên một nền phẳng Tính chất màng vi phim phụ thuộc vào tính chất của chất nền (thuỷ tinh, Si, thạch anh) và tạo thành trật tự cấu trúc

và vào sự định hướng của phân tử hay các vùng (domanan) bên trong màng phim Màng phim này có độ kết tinh cao và có thể điều chỉnh cấu trúc bên trong như mong muốn và cuối cùng nó có độ nhám bề mặt rất nhỏ Người ta có thế sắp xếp đến 8 lớp chồng lên nhau Do độ dầy của màng phim chưa đủ lớn bằng cách đó, cho nên tính chất dẫn điện của màng phim không được cao Khi xử lý màng phim bằng photon hay điện tử có thể tạo ra sự khâu mạch phân tử và làm ổn định chất nền Bằng con đường này, người ta có thể chế tạo ra các phức CT với các cấu trúc phân tử khác nhau Độ trong suốt và ít nhạy cảm với cường độ từ trường của vật liệu tạo

ra khả năng thiết kế các chi tiết quang học, đóng ngắt mạch quang điện, lưu thông tin như hình 190

chất ưa dầu – ưa nước Do vậy các chi tiết phân tử cần phải được nối với nhau Sự lựa chọn công nghệ phụ thuộc vào chất hữu cơ được gia công Người ta có thể thực hiện bốc bay các phân tử hữu

cơ và chất hoạt kim trong môi trường chân không cao hoặc đồng thời nhưng 2 chất trên vẫn nằm tách biệt hoặc đã tạo thành phức và lắng đọng với cấu trúc định sẵn trên chất nền Người ta có thể tiếp tục hoạt kim màng phim bốc bay Qua sự lựa chọn phù hợp nhiệt

độ và chất nền người ta đã chế tạo được màng phim TTF-I0,7 có cấu tạo chồng lên nhau với độ dầy 0,1-1 nm Độ dẫn điện của màng phim trên có cấu trúc không định hình gần đạt giá trị của tinh thể đơn TTF- I0,7 là 102 -103 Scm-1 Các phức CT có thể được bốc bay tạo màng bền vững và tiếp tục gia công không cần chất nền Với công nghệ này có thể sử dụng nhiều loại nguyên liệu ban đầu khác nhau do đó có thể điều chỉnh được tính chất của màng phim theo mong muốn Ngoài ra, với công nghệ này người ta đã phát minh ra phức CT siêu dẫn (hoạt kim K Fulleren)

kỹ thuật LB, lớp tạo thành sau không cần thiết phải giống lớp ban đầu Mật độ chèn phân tử có thể đạt rất cao, phụ thuộc vào cấu trúc phân tử và điều kiện chế tạo

d Hấp thụ vật lý

Bằng phương pháp này có thể chế tạo đơn lớp hay đa lớp trên

bề mặt chất nền Sự tạo thành lớp phân tử đơn được thực hiện trên

bề mặt tích điện và các phân tử hữu cơ tích điện hay khác dấu, nhóm chức lắng đọng lên bề mặt chất nền Màng phim được hấp thụ vật lý trên chất nền Do quá trình này tạo ra muối cho nên các phân tử được lắng đọng trên bề mặt chất nền sau khi đã phủ kín tạo

ra bề mặt mới không tích điện và qua đó không tạo ra lớp mới Để tạo ra đa lớp với sự tạo muối, người ta sử dụng phân tử lưỡng cực

để tạo ra bề mặt tích điện mới sau khi đã ra lớp đơn Người ta có thể tạo ra màng phim đa lớp có độ dầy lên đến 1nm – 500nm

e Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học nano ( CVD)

CVD có rất nhiều ưu điểm do phương pháp lắng đọng màng mỏng Một trong các ưu điểm chính là các lớp màng CVD thông thường khá tương thích, nghĩa là độ dày lớp màng bên thành của vật thể tương ứng với độ dày lớp màng trên đỉnh Điều này có nghĩa là lớp màng này có thể ứng dụng cho các vật có hình dạng tinh vi, gồm cả mặt trong và mặt ngoài của vật thể và vì vậy các lỗ

tỷ lệ bề ngoài rộng (high-aspect ratio) và các vật thể khác có thể được phủ đầy hoàn toàn Ngược lại, phương pháp lắng đọng bay hơi vật lý (PVD), ví dụ như sputtering hoặc bay hơi thông thường đòi hỏi khoảng cách giữa bề mặt được phủ và nguồn Ưu điểm khác của CVD là bên cạnh nhiều loại vật liệu có thể được lắng đọng, chúng có thể được lắng đọng với độ nguyên chất cao Đó là

do việc giảm tương đối các tạp chất bị loại bỏ khỏi tiền chất khí nhờ ứng dụng phương pháp chưng cất Các ưu điểm khác như tốc

độ lắng đọng tương đối cao và quá trình CVD thường không yêu cầu độ chân không cao như quá trình PVD

f Phương pháp quay phủ (spin-coating)

Trong phương pháp này, dung dịch hoà tan của chất tiền polyme được phủ trên đế bằng phương pháp quay Polyme như PPV được chế tạo thành màng mỏng bằng cách này Độ dầy màng phim có thể dao động từ 100 Ao – 1000 Ao

g Lắp ghép phân tử bằng phương pháp sinh học

Không giống như hóa học hữu cơ truyền thống, trong sinh học

có rất nhiều cấu trúc nano dựa trên nguyên lý tự sắp xếp phân tử sinh học Đặc điểm của tất cả các cấu trúc nano sinh học là sự sắp xếp của các tiền cấu trúc với nhau không bằng liên kết hóa trị để tạo ra các đơn vị vĩ mô (macro) Từ các cơ sở trên, người ta đã đưa

ra các nguyên lý tự sắp xếp phân tử sinh học sau:

Cấu trúc tự sắp sếp bao gồm các liên kết của các tương tác yếu,

2 chiều để tạo ra cấu trúc cuối cùng ở trạng thái nhiệt động học thấp nhất Mọi cấu trúc không phù hợp bị thải loại Quá trình trao đổi năng lượng liên tục cho phép tạo ra sự chính xác cao

Quá trình tự sắp xếp là quá trình lắp ghép modun Sự tập hợp các modun để tạo ra cấu trúc cuối cùng dựa trên các quá trình liên kết hóa trị của các tiền cấu trúc bền vững

Trong quá trình sắp xếp modun, chỉ có một số ít loại phân tử tham gia Do vậy chỉ cần một số lượng nhất định các dạng liên kết

để tạo thành cấu trúc phẳng Nguyên lý này làm giảm lượng thông tin cho các cấu trúc riêng lẻ

Hình dạng phân tử đặt nền móng cho sự kết hợp các thành phần riêng biệt Sự kết hợp cùng nhau phụ thuộc hình dạng dựa trên các tương tác Van der Waals, tương tác kị nước và các tương tác này

có thể được làm mạnh thêm bằng cầu hydro, tĩnh điện

Tự sắp xếp sinh học chỉ đòi hỏi thông tin về hình dạng, tính chất

bề mặt và khả năng biến dạng của một số ít phân tử Sự kết hợp của các phân tử dựa chủ yếu vào các liên kết không hóa trị và tạo

ra cấu trúc ở trạng thái nhiệt động học thấp nhất Các khối cấu trúc liên kết với nhau qua các phân tử bề mặt để tạo ra hình dạng vững chắc Sự bền vững của các tương tác dựa chủ yếu trên một lượng lớn các tương tác yếu hơn là một số ít các liên kết hóa trị

6.3.2 Cấu trúc linh kiện

6.3.2.1 Phương pháp chế tạo linh kiện điện tử

Laser-assisted Direct Imprint (LADI) Process

Hình 191 Phương pháp Imprint Nanolithography

Cấu trúc của các linh kiện điện tử nếu cần thì có thể làm giống như các linh kiện truyền thống (Lithograph), bao gồm các phương pháp sau:

6.3.3.3 Quá trình doping

Tính chất điện của vật liệu được quyết định chủ yếu bởi các phần

tử doping cation hay anion Các phần tử hoạt tính đó được đưa vào vật liệu làm thành phần chuyển động trong vùng liên hợp π Để làm trung hoà của điện tích, cần bổ sung thêm các ion trái dấu được tạo ra từ chất doping trong vật liệu Một vài chất doping như Arsenpentaflorid, Antimonpentaflorid, Brom, Iod có thể tương tác với polyme qua pha khí Nhóm kim loại chuyển tiếp gốc halogen được hoà tan vào dung môi phân cực hay tạo huyền phù trong dung môi không phân cực Phân tích các sản phẩm tạo thành chỉ ra rằng ở các phản ứng oxy hóa mạnh của doping tạo ra các anion lớn, bền vững oxy hóa Các anion nhỏ không tìm thấy Nguyên nhân là do các điểm điện tích có năng lượng Culong lớn và qua đó tạo ra lực hút mạnh với các phân tử polyme tích điện dương Các nguyên tố F, Cl hay Br được liên kết với C qua các liên kết hóa trị Oxy hóa một phần và doping với ion tạo ra các lớp polyacetylen có

độ dẫn điện lên tới 103 – 105 S/cm Sự có mặt của các ion trái dấu cũng cần được lưu ý trong quá trình dopant điện hóa Thay vì qua phản ứng hóa học với chất tương ứng, polyme có thể bị oxy hóa hay bị khử khi áp một điện thế trong quá trình điện hóa Quá trình này còn được gọi là tự doping vì quá trình tổng hợp điện hóa và dopant xảy ra đồng thời trong khi tổng hợp Mức độ doping được

quyết định bởi thế oxy hóa Các ion trái dấu được đưa vào polyme qua các muối điện li

6.4 Linh kiện điện tử – công suất

Nguyên lý vật lý cơ bản để chế tạo linh kiện từ vật liệu hữu cơ khác với các linh kiện thông thường Điểm khác nhau cơ bản phụ thuộc vào khả năng tích điện của vật liệu hữu cơ Khởi đầu của sự tích điện nằm ở trạng thái năng lượng của lỗ trống trong dải điện tích Sự khác nhau này bị ảnh hưởng bởi cấu trúc không định hình

và cấu trúc tinh thể Những lỗi cấu trúc cục bộ của mạch phân tử

có ảnh hưởng đến tương tác của các điện tử π Từ nguyên nhân này, trong polyacetylen, polyanilin, xuất diện sự mỏ rộng của khoảng cách dải dẫn và dải hóa trị và không giống như các chất bán dẫn thông thường là tạo ra các trạng thái cục bộ trong các lỗ trống của dải và làm giảm khả năng dẫn điện của linh kiện

Trên cơ sở các chất bán dẫn hữu cơ cho đến nay người ta đã chế tạo ra diot, transitor cùng với tổ hợp vi mạch khác Với các linh kiện này có thể được dùng chế tạo thiết bị điện tử tin học

6.4.1 Chế tạo diot

Tính chất điện cũng như quang điện của một mạch kim loại/ bán dẫn được ứng dụng để chế tạo một diot có cấu trúc lớp Chất dẫn

có thể là một kim loại trong suốt (chuyển tiếp Schottky) hay

chuyển tiếp p-n cho chất vô cơ hay chất bán dẫn hữu cơ (chuyển

tiếp phức)

6.4.1.1 Linh kiện lai vô cơ-hữu cơ

a Diot ICP lai SC

Hiệu ứng quang điện (photovoltaic) của polyme bán dẫn được

sử dụng để chế tạo Photodiot Các diot có tiếp xúc Schottky, có cấu trúc 2 lớp kim loại là polyme liên hợp như polyacetylen được dopant, polypyrol Tính chất điện và quang điện của linh kiện tiếp xúc Schottky chỉ ra rằng sự biến thiên cùng chiều và điện thế không tải cực đại phụ thuộc vào độ cao của trường điện thế cũng như công thoát Đặc trưng cường độ – hiệu điện thế phụ thuộc vào tiếp xúc Ohmic và tiếp xúc Ohmic này lại phụ thuộc vào điện trỏ

của polyme dẫn Điều này dẫn đến đòi hỏi mức độ dopant cao, nhất là ở vùng gần bề mặt tiếp xúc để có thể tạo ra kênh cơ lượng

tử vượt qua hàng rào tiếp xúc Cũng cần lưu ý là trong vùng tiếp xúc cũng phải có đủ các tâm tái hợp

Các diot thông thường làm từ các chất bán dẫn nhóm III-V có giá thành cao Chính vì vậy, sử dụng tính phát quang ở bước sóng ngắn của vật liệu hữu cơ có ý nghĩa ứng dụng cao Sự phát quang điện của polyme đã được quan sát thấy Polyme dẫn như PPV đã được sử dụng để chế tạo diot phát quang

Hình 192 Sơ đồ diot được chế tạo từ ICP và ICP lai Semiconductor

Lớp PPV được nằm giữa lớp Al oxy hóa, vàng hay Indium oxit

là cực dương và điện cực âm từ Al hay hỗn hợp Mg- Ag Lớp polyme phát quang có độ dầy khoảng 10 nm và được chế tạo theo phương pháp quay phủ ( spin-coating) Điện thế làm việc nhỏ hơn 14V Điện thế này tương ứng với điện thế làm việc cho các diot thông thường Diot phát quang phát ánh sáng trong vùng xanh –vàng So với các diot thông thường, các diot hữu cơ có hiệu suất lượng tử thấp hơn vào khoảng 0,05% và thời gian sử dụng còn thấp Garnier đã chỉ ra rằng, có mối liên quan đến hiệu suất lượng

tử là sự tồn tại các khuyết tật trên bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu vô

cơ và hữu cơ Chính vì vậy, cấu trúc bề mặt tiếp xúc cần được quan tâm nghiên cứu Phần OLED sẽ được sẽ được thảo luận ở

chương 7: Quang tử học phân tử

Burroughs đã chế tạo một Schottky diot bao gồm lớp Au dầy 20 nm, lớp chuyển dời điện tích polyacetylen 1μm và một lớp Al 20 nm Ở

đây, Au tạo ra một tiếp xúc Ohmic với dạng dẫn - p polyacetylen,

trong khi Al tạo tiếp xúc Schottky với polyme Tại điện thế chạy qua thấp ở hướng tiến lên, diot biến thiên một cách lý tưởng Khi điện thế sử dụng tăng lên, thì dòng điện bị giới hạn bởi điện trở khối Khi áp một điện thế sử dụng theo hướng ngược lại thì dường như không thấy sự xuất hiện của dòng điện cản bão hoà Có thể đã xảy ra sự tạo thành lớp đôi giữa màng polyacetylen và điểm tiếp xúc và dẫn đến hiện tượng trên Trên đồ thị điện thế và điện dung trong vùng tuyến tính, tính chất điện biến thiên giống như trong các diot thông thường Với các linh kiện này có thể đạt hệ số khuếch đại lên 5.105

6.4.1.2 Linh kiện toàn hữu cơ

Trên cơ sở polyme dẫn và polyme cách điện người ta có thể chế tạo được diot hoàn toàn từ polyme Ý tưởng này được thực hiện trên cơ chế dẫn của phân tử liên hợp và phân tử có tính chất cho – nhận

a Ứng dụng của polyme liên kết đôi liên hợp

Diot phát quang được chế tạo hoàn toàn từ vật liệu hữu cơ có

cấu trúc lớp, bao gồm lớp dẫn n và p, có độ phát sáng mạnh đã được nghiên cứu và phát triển Cho lớp dẫn p, người ta đã sử dụng chất hữu cơ gốc diamin và lớp dẫn n cũng là lớp phát sáng được

làm từ phức kim loại – chelat như Aluminium -8-hydroxychinolin

và màng phủ của phức này được chế tạo bằng phương pháp bốc bay chân không Diot này có tính chất đẳng hướng ở điện thế 2.5V thì xuất hiện ánh sáng trong vùng phổ xanh Ở điện thế làm việc là 7V thì hiệu suất lượng tử là 1% Khi so sánh phổ quang điện và phổ quang hóa của lớp phát sáng mỏng thì cho thấy quá trình tái

hợp của các hạt tải mang điện tích ở vùng chuyển tiếp p-n dẫn đến

sự phát quang Độ ổn định của diot phát sáng là tương đối thấp Trong môi trường khí Ar, thì cường độ phát sáng giảm 30% trong

10 giờ

Cấu trúc kim loại/điện môi/ chất bán dẫn hay còn gọi là MIS –diot trên cơ sở Au (20nm)/PMMA (150 nm)/Polyacetylen (20-120 nm) đã được chế tạo Vật liệu polyacetylen được tiếp xúc với 20nm Cr/10nm Au Sự tạo thành lớp chuyển tiếp giữa bề mặt tiếp xúc chất bán dẫn/điện môi được biểu diễn qua mối quan hệ giữa điện dung của diot và điện thế thuận Điện dung đạt mức giá trị

bão hoà ở điện thế thuận dương cao (10V) khi độ dầy của lớp cách điện phù hợp với độ dầy của polyacetylen trong diot

b Ứng dụng của phân tử với tính chất cho - nhận Acceptor)

(Donor-Kuhn và cộng sự chỉ ra rằng với sự trợ giúp của kỹ thuật

Langmuir-Blodgett (LB) p-n hay DA diot đẳng hướng ở cấu trúc

lớp với cấu tạo sau: AL(CA-D)d(CA)r(CA-A)sAl Hệ thống cho

điện tử bao gồm q lớp đơn LB Cadmiumarachidat (CA) được

doping với chất hữu cơ cho thích hợp và hệ thống chất nhận điện

tử từ s lớp đơn LB CA được doping với chất hữu cơ nhận thích hợp và từ r lớp đơn CA không dopant Công trình nghiên cứu này

đã được khẳng định bởi Sugi và cộng sự Tính chất đẳng hướng chỉ

đạt được khi số lớp q >3, r >1, s > 3 Dưới các giá trị này, các kết

quả thu được không có tính lặp lại

Self-Assembled Monolayer Transistors

Hình 193 Cấu tạo một SAM-FET theo nguyên lý cho – nhận

6.4.2 Transitor

Cấu tạo linh kiện điện tử này phù hợp với nguyên lý chức năng và bản mạch của một transitor hiệu ứng trường thông dụng kim loại/điện môi/chất bán dẫn (MISFET) Sự khác nhau là ở nguồn và tiếp xúc

kênh được làm từ vàng chứ không dùng chất bán dẫn n-Si hay p-Si

Cấu tạo này dẫn đến, khi áp một điện thế âm vào cổng trong chất bán dẫn vô cơ hay hữu cơ thì tạo ra kênh lắng đọng Từ đó, vật liệu hữu

cơ không được ngăn cách với kênh và dẫn đến sự tạo thành dòng điện Ohmic giữa nguồn và kênh Ngược với Si-transitor thông dụng, ở điện thế dương không xảy ra sự lắng đọng

Dòng điện tổng Ig chạy qua tiếp xúc kênh – nguồn khi áp điện thế cổng và kênh được tạo thành từ dòng kênh Id và dòng Ohmic

Io: Ig = Id + Io Dòng Id chạy qua kênh dẫn đến bề mặt tiếp xúc chất bán dẫn/điện môi Dòng Ohmic Io chạy bên trong chất bán dẫn và

nó phụ thuộc vào độ dẫn điện của chất bán dẫn và độ dầy h của lớp bán dẫn Ở trạng thái bão hoà (Vd = Vg-Vt), dòng điện tổng được tính theo phương trình:

Ig(bão hoà) = Id + Io = ( ZvCi/2L)V2g + (σZh/L)Vd

Trong đó: Z là độ dài kênh, L bề ngang kênh

Garnier và cộng sự cho rằng tính chất của transitor hữu cơ phụ thuộc vào bản chất tự nhiên của bề mặt tiếp xúc chất bán dẫn/chất cách điện Từ độ dốc của đồ thị Id- Vg, người ta tách ra phần tuyến tính và từ đó có thể xác định được độ linh động của chất mang điện tích trong chất bán dẫn hữu cơ Chất lượng của transitor hữu cơ được khảo sát chủ yếu qua dòng điện tổng bão hoà Ig và tỷ số Id/Io Giá trị điện thế dao động Pseodo Vt phụ thuộc vào cách chế tạo linh kiện

6.4.2.1 Linh kiện lai hữu cơ-vô cơ

a Ứng dụng của phân tử liên hợp

Trong các transitor hữu cơ trước đây, chất bán dẫn hữu cơ được tiếp nối với chất ngăn cách vô cơ SiO2 Trong dạng MISFET như trong hình 194, ta có thể sử dụng điện cực bằng vàng hay điện cực

đa tinh thể Si (400 nm) Trong cấu trúc này, bề rộng kênh là 7,5nm

và độ dài 0,1mm

300 µm Si wafer

Poly-n-Si (10 19 cm -3 )

4000 A o

2000 A o

4000 A o

n-Si (10 19 cm -3 ) SiO 2

Conducting polymer

Gate

Aluminium Drain

Source

Hình 194 Cấu tạo của ICP/ MISFET

Điều biến của kênh ở khoảng +4V và -30V cho dạng tiếp xúc với vàng (Au) đạt đến hệ số 2.103 Khi áp một điện thế dương vào

cổng thì xảy ra quá trình tạo thành lớp xâm nhập dạng n Trong

cấu trúc MISFET với tiếp xúc đa tinh thể Si thì độ dẫn điện của kênh đạt mức thấp nhất ở +10V và tăng lên khi điện thế dương tăng lên hay giảm xuống điện thế âm Khi Vg= -40V đến 10V thì

hệ số điều biến có thể đạt tới 1.105

Một dạng cấu trúc khác của FET, như hình 195 chất bán dẫn hữu cơ ở đây được sử dụng là polyacetylen hoặc polythiophen và

oligomere có độ dầy 200 nm Sử dụng chất nền n- Si (0.01 Ωcm,

200 μm) và đồng thời là cổng và tiếp xúc cổng ở mặt sau Trên đó,

có lớp cách SiO2 (300 nm) và cuối cùng là tiếp xúc nguồn – máng – tiếp xúc kim loại (Cr 15 nm/ Au 150 nm)

Hình 195 Cấu trúc cơ bản của FET hữu cơ

Hình 196 dưới đây là đồ thị các tính chất cơ bản của các transitor trên Từ tính chất Id-Vd cho thấy, mật độ điện tích trong chất bán dẫn hữu cơ có thể được điều chỉnh qua điện thế cổng Như trong hình có thể nhận thấy, khi Vg=0 thì Id = 20nA ở điện thế -28V Sự biến thiên này gắn với mật độ lỗ trống vào khoảng

1015 cm-3 có trong vật liệu Khi áp điện thế Vg từ 0 đến +10V, thì lớp ổn nhiệt bị mở rộng ra Sự biến thiên không tuyến tính của Id-

Vg lúc bắt đầu là do chất bán dẫn hữu cơ gây ra Cấu trúc kim loại/chất cách điện/ điện môi hữu cơ chưa thể cạnh tranh được với Si-transitor hiệu ứng trường

Hình 196 Đặc tính cơ bản của transtor thuần hữu cơ

b Ứng dụng của phân tử có tính chất Cho – Nhận

Theo cùng nguyên lý như trong cấu trúc MISFET, MISFET với phức chuyển điện tích CT cũng được chế tạo (hình 197)

Hình 197: Cấu tạo của MI SFET với phức

Chất bán dẫn được sử dụng là Pc2Lu hay Pc2Tm (10-40nm) và điện cực bằng vàng (nguồn và máng tiếp xúc có khoảng cách 50nm) Chế tạo linh kiện này được thực hiện bằng công nghệ chất bán dẫn thông thường Tính chất dòng điện- điện thế của linh kiện được nghiên cứu trong môi trường chân không Ta nhận thấy, điện trở Ohmic phụ thuộc vào độ dầy của chất bán dẫn hữu cơ Điện thế

sử dụng không phụ thuộc vào nhiệt độ và do vậy cũng không bị

Source Drain

xác định bởi mật độ chất mang điện tích tự do ban đầu Mật độ chất mang điện tích (ion) được điều khiển bởi thế Redox Khi áp điện thế vào cổng, thì tạo ra các điện tích trái dấu trong chất bán dẫn So sánh với độ dầy của Pc2Lu hay Pc2Tm thì bề ngang của cực máng (20nm) tạo ra trên bề mặt tiếp xúc Si3N4/chất bán dẫn là rất nhỏ Sau khi trừ đi độ dẫn điện ban đầu được xác định ở Vds <

0, ta nhận được đường biểu diễn đặc trưng của tính chất dòng điện- điện thế của FET

Hình 198 Đặc trưng tính chất dòng (Ids) và thế (Vds)

của FET hữu cơ

Độ ổn định của linh kiện trong chân không rất tốt Khi ủ nhiệt ở

150oC trong nhiều giờ thì có sự thay đổi đáng kể trong tính chất FET Độ dẫn điện tăng ở hệ số 4 và có liên quan đến quá trình chuyển đổi trạng thái của phức CT từ không định hình sang tinh thể FET bền vững có thể được chế tạo khi nó được ủ nhiệt ở

150oC trong ít nhất 2 ngày trong không khí Guillaud chỉ ra rằng khi tiếp tục xử lý với oxy thì sẽ làm tăng khả năng chuyển động trong phức CT Dopant bằng oxy tạo ra các các lỗi trên bề mặt tiếp xúc chất bán dẫn/chất cách điện

6.4.2.2 Linh kiện hoàn toàn bằng hữu cơ

Ứng dụng của phân tử liên hợp

Khi chế tạo transitor hữu cơ hiệu ứng trường, người ta sử dụng chất nền polyme trên chất nền, một cấu trúc cổng kim loại được chế tạo, sau đó là gắn bên trong lớp cách điện polyme (IP) Bước

tiếp theo là cho lớp bán dẫn hữu cơ (Sc) và được làm tiếp xúc với nguồn và máng Tiếp xúc mặt sau với cổng Si (G) được chế tạo với

sự trợ giúp của chất kết dính bạc Sự tiếp xúc này khác với tiếp xúc trình bày trước đây ở chỗ tiếp xúc nguồn – máng ở dạng đầu tiên được làm trên chất bán dẫn hữu cơ còn trong dạng này nó được gắn bên trong chất bán dẫn hữu cơ Ứng dụng của chất bán dẫn oligome α - sexthienylen với polyme cách điện cyanoethylpulan có thể chế tạo transitor màng mỏng Khi thay thế chất cách điện tiêu chuẩn SiO2 bằng cyanoethylpullulan người ta có thể đạt tới độ linh động của điện tích lên tới 0.43 cm2V-1, gần bằng với Si So sánh tỷ

số độ dẫn điện/độ chuyển động của Si vô định hình là 10-8, thì α - sexthienylen đạt được tỷ lệ tương đối cao 10-6

Transitor hữu cơ có tính chất mà trong transitor vô cơ không đạt được Đó là độ mềm dẻo, có thể cuộn lại, bẻ cong hay làm xoắn

mà không ảnh hưởng tới tính chất của nó Hình 199, một FET nhận được từ phương pháp tự lắp ghép phân tử

Field-Effect Modulation of the Conductance of Single Molecules

Hình 199 Cấu tạo một linh kiện SAM-FET hữu cơ

6.4.3 Diot điện hóa

Một dạng diot và transitor khác là diot, transitor điện hóa, hay còn gọi là linh kiện điện tử điện hóa Trong linh kiện này, người ta sử dụng redox polyme và được tráng lên điện cực vàng với khoảng

cách đặc trưng là 0.2-1 nm Chất nền được sử dụng là Si3N4 Trong

đó có 2 dạng: diot 2 cực với redox polyme có thế điện hóa khác nhau được xếp luân phiên bên nhau Trên các redox polyme là chất điện ly Redox polyme bao bọc các điện cực vàng và tạo ra liên kết kim loại/polyme A/Polyme B/kim loại Trong hình 200 là cấu trúc

cơ bản của linh kiện 2 cực và được sử dụng làm diot

Hình 200 Cấu tạo diot điện hóa hữu cơ

Trong dạng thứ 2, mỗi điện cực được phủ lên bằng một màng redox polyme, Redox polyme thứ 2 có trong chất điện ly Nguyên

lý hoạt động như sau: các điện tích chỉ có thể chạy qua redoxpolyme theo một chiều, trong đó hướng dòng điện phụ thuộc vào vị trí của thế điện hóa của hệ redox và điện thế xuyên thủng phụ thuộc vào hiệu của thế hóa khử

6.4.4 Transitor sinh học

Trong transitor sinh học, các nơron có chức năng là cổng và được

đặt vào một cổng mở (16nm) của một kênh p FET Hệ thống này

được đặt trong chất điện ly (dung dịch Ringer, pH=7,4) Điện thế của linh kiện được điều chỉnh qua vi điện cực như trong hình 201

Sự tương tác giữa Si và nơron tạo ra điều biến của dòng điện dọc theo lớp xâm nhập (kênh p) và lớp xâm nhập được điều khiển bằng điện thế nguồn – máng Sự chuyển tiếp thay đổi giống như trong FET Điều biến thực hiện qua thế hoạt động của tế bào thần kinh Điều này đã làm giảm khả năng chuyển động của các lỗ trống trong vùng lắng đọng và qua đó làm giảm dòng nguồn-máng Trong việc chế tạo linh kiện này có một số vấn đề sau:

Hình 201 Cấu tạo một linh kiện Transtor sinh học

- Khi gắn nơron với cấu trúc cơ bản của FET thì làm thay đổi hoạt tính của nó và làm cho sự tiếp xúc không được bền vững

- Khi làm nơron tiếp xúc với vi điện cực và đặt lên FET cách điện dễ bị hư hỏng

- Để cho bio FET hoạt động tốt cần có điện trở cao của chất cách điện để có thể sử dụng thế hoạt động (40-60mV) cho điều khiển có hiệu quả

6.4.5 Chuyển mạch quang học

Trên cơ sở các màng phức Cu hay Ag đa tinh thể với các chất nhận điện tử (TCNE, TCNQ) người ta đã chế tạo mạch điện Trên nền saphia, Cu hay Ag được làm bốc bay và sử dụng làm tiếp xúc kim loại Trên các chỗ tiếp xúc, chất nhận điện tử đa tinh thể và không tích điện như TCNQ được làm cho thăng hoa Quá trình thăng hoa dẫn đến sự tạo thành phức kim loại CT Ở bề mặt trên cùng là điểm tiếp xúc Al Khi áp một điện thế dao động thì trở kháng của các lớp giảm rõ rệt Sự biến thiên này đặc trưng cho mạch trở âm 2 cực được điều khiển bằng dòng điện Thời gian chuyển mạch phụ thuộc vào độ dầy lớp

Trên cơ sở vật liệu cơ kim như Cu-TCNQ hay Ag-TCNQ, người ta có thể chế tạo chuyển mạch điện nhạy sáng nhanh Sự truyền ánh sáng quang học được điều khiển qua tần số của Nd:YAG Vùng truyền qua phụ thuộc vào phức kim loại

6.4.6 Các loại linh kiện khác

6.4.6.1 Chuyển mạch điện

a Chuyển mạch quang học

Các hệ thống quang học có thể được sử dụng cho linh kiện lưu trữ hình ảnh, dữ liệu hay chuyển mạch quang học cho các dòng điện tử và soliton Điều kiện cần thiết cho quá trình sử dụng trong điện tử học phân tử là sự thay đổi cấu trúc phải là quá trình 2 chiều tuyệt đối Điều kiện này được đáp ứng bởi các hệ quang màu Một

ví dụ cho sự thay đổi 2 chiều của cấu trúc là sự chuyển màu quang học của salicylideanilin bằng ánh sáng có bước sóng ngắn hv1 và phản ứng quang ngược lại bằng ánh sáng có bước sóng dài và năng lượng hv2 (hình 202)

hv2

hv1

C O

N H

H C

O

H N H

Hình 202 Cấu tạo một phân tử thay đổi chiều cấu trúc theo ánh sáng

Khi chiếu ánh sáng bước sóng ngắn thì nó chuyển từ trạng thái không màu sang trạng thái bền vững có màu Khi chiếu ánh sáng

có bước sóng dài thì vật liệu chuyển lại trạng thái ban đầu Bằng cách này, ngươi ta có thể chiếu sáng với các bước sóng khác nhau làm cho phân tử chuyển mạch bằng quang hóa Phản ứng ngược toả nhiệt ở điều kiện nhiệt độ phòng có thể kéo dài trong 1 giờ Quá trình này có thể bị triệt tiêu khi giảm nhiệt độ xuống 250K

b Chuyển mạch soliton

Chuyển mạch soliton được thể hiện trong hình 203

Hình 203 Cơ chế chuyển mạch soliton phân tử

Trạng thái E1 và E2 khác nhau qua sự sắp đặt của các nối đôi và nối đơn Cả 2 trạng thái này cho phép soliton chạy qua các mạch polyacetylen Khi kích thích bằng quang hóa thì xảy ra sự dịch chuyển của các nối đôi và đơn trong vùng phân tử polyacetylen có gắn nhóm nitro Trong trạng thái này, các nối đôi không ở cùng pha với các mạch phân tử và sự chuyển qua của soliton không xảy

ra Mặt khác, trong các hệ thống này, có khả năng sau khi các soliton đi qua (chuyển trạng thái từ E1 sang E2) các chất phát màu không bị kích thích bằng quang được nữa Đó có thể coi là sự tắt mạch

c Chuyển mạch lưỡng mốt (Dual –Mode)

Một dạng khác của phân tử chuyển mạch được thể hiện trong hình 204

2-(4-methoxy-phenylazo)-Antrachion có thể được xếp vào hệ quang màu cũng như hệ điện tử màu và do vậy được gọi là chuyển mạch lưỡng mốt (dual –mode) Hệ chinoi QA trans cũng như QS (cis) có thể được chuyển sang hệ hydrochinon HQ (trans) cũng như

HQ (cis) bằng điện hóa với sự trợ giúp phản ứng oxy hóa hay khử Ngoài ra, các hệ chinoide và hydrochinon chuyển đổi 2 chiều quang hóa từ dạng trans sang dạng cis và ngược lại Do vậy hệ này

có 4 trạng thái khác nhau, tùy theo dạng kích thích mà có thể đạt được

Vis UV

UV Vis

Hình 204 Cơ chế chuyển mạch phân tử của bán dẫn hữu cơ

6.4.6.2 Bộ nắn dòng điện

Một dạng phân tử thay thế khác đối với các phân tử chuyển mạch điện hay quang màu là các phân tử với tính chất cho- nhận được sử dụng cho chuyển mạch dòng điện Hình 205 là sơ đồ một phân tử giống với diot hay của một bộ nắn dòng điện

S

S

CN NC

Hình 205 Sơ đồ phân tử nắn dòng kiểu diot

Theo đề nghị của Aviarm và Ratner, tác động của bộ nắn dòng trong các hệ như vậy là do các điện tử chỉ có thể đi từ cực âm (cho) sang điện cực dương (nhận) và không di chuyển theo chiều ngược lại Do vậy, để cho tính chất cho- nhận của phân tử TTF và TCNQ được giữ nguyên và không bị mất đi do quá trình tạo phức cho-nhận thì 2 phân tử phải được ngăn cách ra khỏi nhau một cách hiệu

quả Như vậy, người ta nhận được một bộ nắn dòng phân tử hữu cơ dạng liên kết D-σ-A

6.4.6.3 Phác hoạ một mạch vi điện tử phân tử

Qua sự phối hợp của các dây phân tử và các phân tử chuyển mạch người ta có thể chế tạo linh kiện điện tử trên cơ sở các phân tử Mặc dù các chi tiết thành phần đã được nghiên cứu tỉ mỷ về tính chất hóa, lý, nhưng cho đến nay vẫn chưa tồn tại một mạch vi điện

tử phân tử Ở những ví dụ dưới đây, một số ý tưởng cơ bản về mạch vi điện tử phân tử được trình bày Hình 206 là phác hoạ một linh kiện điện tử phân tử qua sự phối hợp của polyme dẫn soliton Polyacetylen, chuyển mạch soliton salicylideanilin

C

OH N

H

N C OH

H

C O

N H

B

Hình 206: Sơ đồ linh kiện điện tử phân tử cấu trúc ghép từ

polyacetylen/ salicylideanilin

Điểm mấu chốt của mạch vi điện tử là:

- Các phân tử ở trong một môi trường không đồng nhất có phổ hấp thụ và phát sáng khác nhau và được kích thích hay cảm biến một cách riêng biệt

- Các soliton chỉ có thể đi qua mạch phân tử polyme khi các liên kết nối đôi - đơn không bị ngắt quãng bởi phân tử salicylideanilin

Các trạng thái E1 và E2 khác nhau ở sự sắp xếp của nối đôi và đơn trong phân tử polyacetylen Trong sự chuyển tiếp từ E1 sang

QC1 thì sự sắp xếp các liên kết bị ngắt quãng Cấu trúc QC1 tạo ra

cấu trúc E2 ngược với E1 có và có hàng rào không vượt qua được của soliton chuyển động dọc theo trục phân tử polyacetylen Trong

sự chuyển tiếp của E2 sang QC2, tạo ra hình dạng phân tử không bền vững với các điện tử gốc có dạng soliton Cấu trúc này khi bị phát xạ bởi các điện tử gốc qua các phân tử polyacetylen thì bị phân huỷ về dạng QC1 Trong đó, các nối đôi và đơn của phân tử polyacetylen bị hoán đổi cho nhau Sự chuyển tiếp từ E1 sang QC1được coi là chuyển mạch soliton, sự chuyển tiếp từ E2 sang QC1 là phát soliton

6.5 Tiềm năng phát triển

So với các vật liệu vô cơ truyền thống, vật liệu hữu cơ có tiềm năng lớn do khả năng tổng hợp và thay đổi tính chất đa dạng Khả năng thay đổi dễ dàng độ dầy, độ dẫn điện, độ linh hoạt cơ học cũng như sự bền vững của vật liệu hữu cơ cũng là những ưu điểm của loại vật liệu này tiếp tục cuốn hút sự quan tâm nghiên cứu, nhất là sự vận chuyển điện tích phụ thuộc vào cấu trúc

Những kết quả nghiên cứu cho đến nay đã chỉ ra rằng, sự thay đổi cấu trúc trong vật liệu được sử dụng để điều khiển quá trình vận chuyển điện tích Tuy nhiên cho đến nay các kiến thức trên vẫn chưa được ứng dụng cho chế tạo mạch vi điện tử Các kích thước của diot, transitor, chuyển mạch được chế tạo trong phòng thí nghiệm vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu về kích thước trong lĩnh vực vi điện tử và do vậy cũng chưa chế tạo được mạch điện tử với các linh kiện này

6.5.1 Các nhân tố thúc đẩy phát triển

6.5.1.1 Chế tạo

Về nguyên lý, chế tạo cơ kim, chất bán dẫn, chất cách điện và chế tạo các linh kiện không cần đến kỹ thuật phức tạp mà chỉ cần một vài giai đoạn công nghệ là được thực hiện Vì vậy trong tương lai

có thể chế tạo linh kiện với năng suất lớn

6.5.1.2 Tính chất cơ học

Khác với các chất vô cơ, các polyme dẫn được sử dụng trong LED

hay transitor có thể gia công thành các cấu trúc thô ứng dụng được Các chi tiết được làm hoàn toàn từ chất hữu có có những đặc tính

mà các chất vô cơ không đạt được Các linh kiện này có độ mềm dẻo, có thể cuộn lại được hay bẻ cong, xoắn mà không làm ảnh hưởng tới tính chất của nó Tiềm năng ứng dụng của các LED và transitor mới này là trong kỹ thuật màn hình

6.5.1.3 Tính chất vật lý

Ưu điểm lớn của chất bán dẫn hữu cơ so với chất bán dẫn vô cơ là

có thể thay đổi dễ dàng từng bước tính chất điện tử Tính chất điện

tử phụ thuộc vào vật liệu và cấu trúc Trong đó người ta có thể chế tạo ra màng mỏng với cấu trúc mong muốn bao gồm chất cách điện, chất bán dẫn, và chất dẫn điện Điều biến của tính chất điện

tử của màng phim và sự phối hợp của nó tạo ra rất nhiều khả năng cho chế tạo các linh kiện trên cơ sở các chất dẫn điện hữu cơ Ngoài ra còn có khả năng qua sự lựa chọn các polyme như mong muốn thì có thể điều chỉnh được công suất làm việc của linh kiện theo giá trị nhất định và qua đó tạo ra quá trình chuyển tiếp với tính chất điện tử xác định Các chất dẫn điện hữu cơ mới như polyme, metallocence hay phức CT có thể ứng dụng trong các lĩnh vực mà chất bán dẫn vô cơ không đáp ứng được Sự đa dạng của vật liệu hữu cơ chứa chất nhạy quang mà vật liệu này dưới tác dụng của ánh sáng với bước sóng nhất định mà bị đóng và ngắt mạch, tạo tiền đề cho chế tạo mạch điện tử quang học trên cơ sở các vật liệu hữu cơ Người ta hy vọng thời gian chuyển mạch của

hệ quang học có thể nhanh đến hàng nghìn lần so với thời gian chuyển mạch của các hệ thống điện tử thông thường

6.5.1.4 Chế tạo hệ thống mạng

Trong hệ phân tử, quá trình vận chuyển điện tích cũng như thông tin từ mạch nối tiếp sang mạch song song của các linh kiện có thể tăng lên hệ số 1010 khi so sánh với các linh kiện thông thường

6.5.1.5 Vật liệu sinh học

Việc ứng dụng vật liệu sinh học trong các cảm biến chỉ ra rằng các vật liệu này có một tiềm năng phát triển to lớn Với cấu trúc 3

chiều nó có thể ứng dụng trong các mạch phân tử 3 chiều với tốc

độ chuyển mạch nhanh và khả năng tích hợp lớn Tuy nhiên cho đến nay quá trình chế tạo vật liệu sinh học vẫn chưa đạt độ ổn định cao và vì vậy hạn chế khả năng ứng dụng thực tế Đã có đề xuất sử dụng các chi tiết sinh học theo dạng khối với sự trợ giúp của kỹ thuật phân tử tự sắp xếp Trong chế tạo linh kiện điện tử với vật liệu sinh học cần phải chú ý đến một số vấn đề về chuyển tiếp điện tích

Trong chế tạo các cấu trúc sinh học trên nền polyme dẫn thì tạo

ra quá trình chuyển đổi trực tiếp các tín hiệu ion-điện tử Tuy nhiên, trong quá trình này xuất hiện sự phân cực hóa học không mong muốn trên pha chuyển tiếp dẫn ion/dẫn điện và dẫn đến sự mất ổn định của hệ thống Do vậy cần phải khống chế quá trình phân cực bằng hóa học hay điện tử Cơ chế trên được thực hiện với

sự vận chuyển ion Na trong Phospholipid/lớp polypyrol, trong đó quá trình chuyển tiếp điện tích được điều khiển bằng hóa học

HO OH

1) self-assembly 2) photopolymerization

N O

B OH HO

PCDA- B(OH) 2

Hình 207 Cấu tạo một Sensor sinh học

Trong chế tạo các cấu trúc sinh học trên chất bán dẫn vô cơ có thể xảy ra sự kết hợp ion- điện tử với sự trợ giúp của lớp giữa làm

từ vật liệu vô cơ như Ag/AgCl

Khi sử dụng vật liệu mà khối lượng thông tin của nó phụ thuộc vào bản chất tự nhiên của vật liệu và không thể tự vận chuyển các điện tích trong dạng ion hay điện tử, thì có thể được sử dụng làm trung tâm cho-nhận (FAD, Ferrocen, Rutheniumpentamin) và có tác dụng như dây dẫn phân tử Khi sử dụng các trung tâm cho-nhận được đặt bên trong cấu trúc vi mô sinh học thì tạo ra khả năng các thông tin với sự trợ giúp chất trung gian điện hóa phụ (Ferroxen) được truyền đi trên các mạch phân tử polyme Trong đó chất trung gian điện hóa phải có thế cho-nhận dương lớn hơn so với trung tâm cho-nhận sinh học Cơ chế này được ứng dụng thành công cho chế tạo cảm biến gluco

6.5.2 Các yếu tố cản trở

6.5.2.1 Độ ổn định công suất ngoài, ảnh hưởng của điện trường ngoài

Một giá trị vật lý quan trọng cho chế tạo linh kiện là công suất ngoài Công suất ngoài ở linh kiện chế tạo từ vật liệu vô cơ rất ổn định và bền vững đối với hóa chất Ngược lại, các vật liệu hữu cơ

bị tác động bởi các chất oxy hóa của môi trường xung quanh và làm thay đổi trạng thái điện tử của nó Quá trình chuyển tiếp từ chất cách điện sang chất bán dẫn và dẫn điện xảy ra liên tục Vì vậy, các linh kiện được làm hoàn toàn từ vật liệu hữu cơ sau khi được chế tạo phải được bảo vệ trước các chất dopant (như lắp trong zeolit hay cluster) để làm giảm sự thay đổi hóa học của công suất ngoài Vấn đề quyết định đối với linh kiện phân tử chính là ảnh hưởng của điện trường của môi trường đến các tương tác trong phân tử Khi điện trường bên ngoài vượt quá điện trường bên trong của phân tử thì tạo ra dòng điện đánh thủng trong hệ thống Một phép tính đơn giản cho thấy, nếu điện trường ngoài vào khoảng 106 V/cm thì nhóm phân tử có đường kính 10Ao và hằng số điện môi là

10 chỉ có thể nhận 5.10-2 điện tử mà không tạo ra dòng đánh thủng

Số lượng điện tích nhỏ bé này rất khó bị điều khiển từ bên ngoài bởi điện trường ngoài Trong tự nhiên, để vượt qua vấn đề này thì phải dùng đến sự trợ giúp của các tương tác ion, cầu nối hydro hay tương tác Van der Waals

6.5.2.2 Độ ổn định của cấu trúc

Cấu trúc hình học đối xứng của các phân tử hữu cơ có thể tạo ra

cấu trúc tinh thể lớn, xốp khi lắng đọng hay có thể bị tái kết tinh sau khi lắng đọng bởi tác động của nhiệt khi linh kiện hoạt động Việc này dẫn đến sự lão hóa của vật liệu hữu cơ và làm phá huỷ linh kiện Ngoài ra có một số vật liệu như metallocen, polyacetylen rất nhạy cảm với oxy Vì vậy khi hoạt động phải sử dụng môi trường khí trơ hay nitơ và ở nhiệt độ thấp

6.5.2.3 Giới hạn quang học

Các linh kiện phân tử được ứng dụng quang học bị giới hạn bởi bước sóng nhỏ nhất có thể sử dụng (> 300 nm) Vì vậy, kích thước của các linh kiện phân tử không nhỏ hơn so với các linh kiện thông thường

6.5.3 Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo

Công nghệ của polyme dẫn vẫn còn đang ở thời kỳ phát triển Các tính chất lý hóa của vật liệu vẫn còn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ Các sản phẩm đầu tiên chế tạo từ công nghệ này vẫn còn rất nhạy cảm với tác động của môi trường xung quanh và vẫn còn chưa bền vững với thời gian dài Vì vậy một số điểm dưới đây cần được giải thích trước khi có thể chế tạo được linh kiện thế thệ mới:

6.5.3.1 Cơ chế dẫn điện

Trong chế tạo các linh kiện điện tử, có khả năng công suất của linh kiện được cải thiện tốt hơn qua sự nâng cao khả năng chuyển động của các điện tích cũng như làm tăng mật độ khuyết tật Trong mối quan hệ này cần được giải thích sự phụ thuộc của các yếu tố này vào cấu trúc của polyme Có dấu hiệu cho thấy các oligome phù hợp hơn so với polyme Tuy nhiên đây mới chỉ là các kết quả riêng biệt, các nghiên cứu chính xác cần phải được tiến hành Tiếp theo

là ảnh hưởng của độ lớn phân tử của oligome, điều kiện sản xuất cũng cần được quan tâm Các hiệu ứng như quang điện cho đến nay vẫn chưa được giải thích

6.5.3.2 Pha tiếp xúc giữa các vật liệu có độ dẫn điện khác nhau

Trong nghiên cứu quá trình vận chuyển điện tích trong vật liệu hữu

cơ và phát triển linh kiện điện tử phân tử cần phải chú ý đến sự biến đổi động học trên pha tiếp xúc giữa 2 pha dẫn khác nhau Pha

tiếp xúc ngăn cách điện tích trong hệ thống thay đổi giống như một

tụ điện không tuyến tính lắp song song với một điện trở

6.5.3.3 Cách biệt linh kiện và ảnh hưởng của môi trường vào sự biến thiên của phân tử

Các ảnh hưởng môi trường đến sự ngăn cách hóa học và điện của các linh kiện phân tử vẫn còn chưa được đánh giá đầy đủ

6.5.3.4 Liên kết các linh kiện

Các dây nối có bề ngang 1μm đã được ứng dụng công nghệ IC Tuy nhiên nó vẫn chưa đáp ứng được trong mạch phân tử để làm tăng mật độ linh kiện Liên kết các phân tử vẫn chưa thực hiện

được

6.5.3.5 Vật liệu sinh học

Người ta đề xuất các linh kiện sinh học được chế tạo dưới dạng khối qua sự tự sắp xếp phân tử Trong đó cần phải đề cập đến vấn

đề sự chuyển tiếp pha dẫn ion/dẫn điện

6.5.3.6 Nâng cao độ ổn định trong thời gian dài

Các kết quả nghiên cứu đến nay cho thấy cần còn phải tiếp tục nghiên cứu để có thể nâng cao sự ổn định linh kiện trong điều kiện thực tế ở thời gian dài Ở đây có khả năng thông qua sự phối hợp các kỹ thuật chế tạo cho hệ thống phẳng với kỹ thuật tự lắp ghép

để tạo ra hệ thống có tổ chức tốt hơn và ở trạng thái động học nhỏ nhất Việc này sẽ nâng cao độ bền vững của linh kiện

6.5.3.7 Kỹ thuật chế tạo polyme

Có nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo polyme dẫn điện như tổng hợp điện hóa, mở vòng metathese Tuy nhiên, các công nghệ này cần được tiếp tục nghiên cứu để giải quyết tính chất không hoà tan, không nóng chảy của polyme dẫn Phần này được trình bày rõ

ở phần II “Các phương pháp chế tạo bán dẫn hữu cơ''

Chương 7

VẬT LIỆU QUANG TỬ HỌC PHÂN TỬ

7.1 Quang và phân tử

7.1.1 Năng lượng quang

Khi bức xạ ánh sáng vào phân tử có tính chất nhạy quang, phân tử đó hấp thụ năng lượng quang, phản ứng quang hóa xảy ra Phản ứng quang hóa này được tiến hành theo các hình thức: oxy hóa, khử, phân hủy, cộng hợp, trùng hợp, hoặc dime hóa Nhưng năng lượng của ánh sáng phụ thuộc vào bước sóng của nó Vì vậy khi chiếu xạ ánh sáng, phản ứng quang hóa chỉ xảy ra khi năng lượng quang đủ lớn Ánh sáng có bước sóng ngắn như tia tử ngoại có năng lượng lớn hơn Ngược lại ánh sáng có bước sóng dài, như ánh sáng vùng khả kiến có năng lượng thấp hơn, như hình

209 Cho nên, phản ứng quang hóa dễ xảy ra khi chiếu xạ ánh sáng ngắn Khi chiếu xạ quang, mỗi nguyên tử hay phân tử chỉ hấp thụ 1 photon, vì vậy, nếu chiếu ánh sáng

có bước sóng dài, năng lượng thấp, thì mặc dù ta có chiếu với cường độ lớn bao nhiêu đi nữa thì phản ứng quang hóa cũng không xảy ra Chính vì vậy, các loại đèn có bức xạ sóng ngắn như đèn Halozen, đèn siêu cao áp thủy ngân, đèn hồ quang, đèn xenon và đặc biệt là chiếu xạ mặt trời thường được sử dụng làm nguồn cho các phản ứng quang hóa