Polymer dẫn một vật liệu nền cho chế tạo sensor - Phiên bản có thể in

+- SINHVIENHOAHOC.NET | DIỄN DÀN SVHH - CNTP (https://dd.sinhvienhoahoc.net)
+-- Diễn đàn: ..:: Các Ngành Công Nghệ Hóa Học ::.. (https://dd.sinhvienhoahoc.net/forum-4.html)
+--- Diễn đàn: Công Nghệ Hóa Nhựa - Polymer (https://dd.sinhvienhoahoc.net/forum-22.html)
+--- Chủ đề: Polymer dẫn một vật liệu nền cho chế tạo sensor (/thread-517.html)

---

Polymer dẫn một vật liệu nền cho chế tạo sensor - longdaubac - 29-11-2009

Trong công nghệ vật liệu điện tử, vật liệu polyme dẫn từ lâu đã là đối tượng nghiên cứu chuyên sâu của các nhà khoa học. Đã có những bước đột phá trong quá trình tổng hợp, nghiên cứu các đặc tính điện hoá, hóa học và vật lý...của vật liệu này và đã thu được các kết quả ngày càng hoàn thiện.
Đặc trưng quan trọng nhất của polyme dẫn ứng dụng trong điện hoá đó là khả năng làm thay đổi tính chất vật lý, hoá học của chúng khi pha tạp các ion thích hợp (các polyme thuần và các dạng pha tạp (doping) của nó). Chính nhờ khả năng này mà các polyme dẫn đã được sử dụng rộng rãi không chỉ với vai trò dẫn điện, hay sử dụng chúng như một vật liệu catot trong hệ acqui – polyme, mà nó đã mở ra một hướng nghiên cứu khả năng làm thay đổi tính chất của các điện cực thông thường. Chế tạo ra các điện cực chọn lọc ion tạo ra các sensor hoá học và sinh học trong phân tích, giúp cho việc phân tích được dễ dàng thuận lợi hơn trong một số trường hợp mà các phương pháp phân tích khác gặp nhiều khó khăn như phân tích môi trường, phân tích enzim, phân tích ADN...
Trên thế giới người ta đã nghiên cứu polyme dẫn từ những năm 70 khi phát hiện ra tính dẫn điện của polyanilin, sau đó là một số polyme khác như polypyrrol, polyaxetylen....các nghiên cứu chia ra làm ba loại polyme dẫn chính là:
+ Các polyme oxy hoá khử (Redox polymer)
+ Các polyme dẫn điện tử (Electronically conducting polymer) hay còn gọi là kim loại hữu cơ (Organic metals)
+ Các polyme trao đổi ion (Loaded ion nomer hay ion exchange polymer)
Ở nước ta việc nghiên cứu tính chất, ứng dụng của polyme dẫn tuy chưa nhiều nhưng đã có và đã chế tạo ra các loại polyme dẫn có tính ứng dụng cao như làm chất bán dẫn, làm điện cực trong pin (nguồn điện). Đặc biệt là vấn đề chế tạo sensor cho phân tích hoá học và biosensor cho phân tích sinh học.
Ở vật dẫn cổ điển, hạt dẫn (hạt tải) có thể là ion, điện tử hay lỗ trống. Trong vật liệu polyme dẫn xuất hiện dạng tải mới đó là pelaron có điện tích +1, spin = 1/2 và pipolaron có điện tích +2 , spin = 0.
Ví dụ: Cấu trúc Polyanilin


Trong polypyrrole cùng tồn tại hai dạng cấu trúc trung hoà điện Aromatic và quinoid (dạng quinoid có năng lượng cao hơn). sự thay đổi kiểu nối đôi liên hợp từ aromatic sang quinoid sing ra một e lẻ tại mắt xích chuyển tiếp hai pha, tuy nhiên hệ vẫn trung hoà về điện. Nói khác đi đã tạo ra một trạng thái năng lượng mới định xứ trong vùng cấm gọi là soliton trung hoà hay đơn giản hơn là soliton


Khi e lẻ này chuyển sang một “chất nhận” hoặc soliton bị oxy hoá điện hoá sẽ trở thành sonliton mang điện dương. Còn ở trạng thái mới với 2 electron cặp đôi gây bởi “chất cho” hay quá trình khử điện hoá tạo ra sonliton mang điện âm.
Khi một sonliton mang điện dương và một soliton trung hoà điện tồn tại trên chuỗi polyme cặp đôi sẽ tạo thành một trạng thái mới gọi là polaron hay cation radical. Nếu hai soliton mang điện dương tồn tại trên một chuỗi polyme mà cặp đôi tạo thành trạng thái bipolaron
[URL="http://i321.photobucket.com/albums/nn378/tuxedomask_photo/Chemistry/PoL3.jpg"]

[/URL]

Khái niệm “thẩm điện tích” (charge percolation) trong polyme hoạt động điện là sự lan truyền điện tích từ vùng dẫn điện (trong pha polyme) sang vùng không dẫn điện (trong pha polyme) khi polyme được tiếp xúc điện.
Khái niệm pha tạp ở đây bao gồm: tạp doping không thay thế mà chèn vào mạng polyme: hàm lượng tạp cao có thể lên đến vài chục %, chúng có thể là anion, cation, các vi hạt...được chèn vào mạng polyme để tạo composit.
Cùng với các khái niệm chung chúng ta polyme dẫn với ba loại có tính chất khác nhau:
+ Polyme oxi hoá khử: 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 điẹn 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 (electron doping).
+ Polyme dẫn điện tử: mạch polyme đã có các liên kết đôi liên hợp mở rộng, kết quả là không có sự tích tụ cục bộ điện tích một cách đáng kể. quá trình chuyển điện tích dọc theo chuỗi polyme qua các polaron và bipolaron, còn quá trình chuyển điện tích qua các chuỗi bị hạn chế.
+ Poly trao đổi ion: các cấu tử hoạt tính oxy hoá/khử liên kết tĩnh điện với mạng polyme dẫn ion. trong trường hợp này cấu tử hoạtyính oxy hoá khử là các ion trái dấu với chuỗi polyme tích điện. Khi đó sự vận chuyển electron có thể do sự nhảy cách điện tử giữa các vị trí oxy hoá khử cố định hoặc do sự khuếch tán một phần các dạng oxy hoá khử kèm theo sự chuyển electron. các polyme trao đổi ion có thể được điều chế bằng cách đặt cực tĩnh có màng polyme trao đổi ion vào trong dung dịch chứa các ion hoạt tính oxy hoá khử, khi đó các polyme trao đổi ion có thể tách ion từ trong dung dịch và liên kết với chúng nhờ các tương tác tĩnh điện.
Tóm lại trong tất cả các trường hợp trên thì các polyme dẫn (hoạt động điện) là các vật dẫn tổ hợp, chúng biểu hiện cả tính dẫn điện tử và ion. Nhờ các tính chất đặc biệt quan trọng này mà nó được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu điện hoá, nguồn điện, chất bán dẫn....Đặc biệt quan trọng hơn là các sensor phân tích, được dùng trong cả phân tích hoá học, phân tích sinh học và môi trường.

Hiện nay có 2 thuyết dẫn điện được nhiều người công nhận: cơ chế dẫn điện của Rolh và cơ chế dẫn điện của Kaoki.
1. Cơ chế của Roth
Theo ông các sợi polyme tạo thành do các chuỗi polyme xoắn lại với nhau. Khi điện tử chuyển điện tử từ điểm A đến điểm B trên cùng một chuỗi polyme, khi đó ta nói điện tử được dẫn trong một chuỗi. Trong trường hợp điện tử dịch chuyển từ điểm B sang điểm C trong đó B và C thuộc 2 chuỗi polyme khác nhau ta nói điện tử di chuyển giữa các chuỗi.
Khi điện tử chuyển từ A, B ®D ta nói điện tử chuyển giữa các sợi. Rolh đã giải thích cơ chế dẫn điện như sau:
 Điện tử chuyển động trong một chuỗi là do các liên kết pi linh động chạy dọc theo chuỗi và do đó điện tử có tính linh động và có thể di chuyển dọc theo chuỗi.
 Điện tử chuyển động qua lại giữa các chuỗi là do các sợi polyme tạo thành do các chuỗi xoắn lại với nhau, khi đó nguyên tử ở 2 chuỗi rất gần nhau thì các obital của chúng có thể lai hoá với nhau và do đó điện tử có thể chuyển động chuỗi polyme nay sang chuỗi polyme khác thông qua obital lai hoá.
 Trường hợp điện tử chuyển động giữa các chuỗi được giải thích giống như trên.
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.
Kaoki giải thích cơ chế dẫn điện như sau:
Khi áp đặt một điện thế vào nền thì chỉ có những sợi polyme tại sát bề mặt điện cực được sắp xếp lại và được gắn vào các polyme dẫn điện gần đó và cuối cùng làm cho toàn bộ màng trở lên dẫn điện và quá trình đó được gọi là sự thẩm điện tích pha.

Có gì sơ xót mong các bạn chỉ giáo :y182:

---