Bài giảng Công nghệ chế tạo các vật liệu từ cấu trúc Nano

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:68

Thêm vào BST

Báo xấu

147
lượt xem 16
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Công nghệ chế tạo các vật liệu từ cấu trúc Nano giới thiệu tới các bạn những nội dung về kỹ thuật mạ điện, phương pháp bay bốc nhiệt, Epitaxy chùm phân tử, ứng dụng, phún xạ catốt (sputtering), bản chất quá trình phún xạ,... Mời các bạn tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Công nghệ chế tạo các vật liệu từ cấu trúc Nano

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANO
Kỹ thuật mạ điện quá trình điện hóa phủ lớp kim loại lên một vật. Kim loại mạ thường là vàng, bạc, đồng, niken và được dùng trong việc sản xuất đồ trang sức, linh kiện điện tử, tế bào nhiên liệu, đồ gia dụng không gỉ,
Phương pháp bay bốc nhiệt (Thermal evaporation) Bay bốc nhiệt hoặc bay bốc nhiệt trong chân không là kỹ thuật tạo màng mỏng bằng cách bay hơi các vật liệu cần tạo trong môi trường chân không cao và ngưng tụ trên đế (được đốt nóng hoặc không đốt nóng). Kỹ thuật này đôi khi còn được gọi là bay hơi trong chân không. Sơ đồ nguyên lý hệ bay bốc nhiệt
Epitaxy chùm phân tử • Epitaxy chùm phân tử (tiếng Anh: Molecular beam epitaxy, viết tắt là MBE) Một kỹ thuật chế tạo màng mỏng bằng cách sử dụng các chùm phân tử lắng đọng trên đế đơn tinh thể trong chân không siêu cao, để thu được các màng mỏng đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể gần với cấu trúc của lớp đế. Kỹ thuật này được phát minh vào những năm 60 của thế kỷ 20 tại Phòng thí nghiệm Bell (Bell Telephone Laboratories) bởi J.R. Arthur và Alfred Y. Cho.
Ứng dụng • Kỹ thuật MBE được sử dụng nhiều trong vật lý chất rắn, khoa học và công nghệ vật liệu, đặc biệt trong công nghệ bán dẫn để chế tạo các màng đơn tinh thể với chất lượng rất cao, với độ dày có thể thay đổi từ vài lớp nguyên tử đến vài chục nanomet. Với sự phát triển của công nghệ nano hiện nay, MBE là một trong những kỹ thuật chủ đạo của công nghệ nano để chế tạo các vật liệu nano
Phún xạ catốt (sputtering) Phún xạ (Sputtering) hay Phún xạ catốt (Cathode Sputtering) là kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa trên nguyên lý truyền động năng bằng cách dùng các iôn khí hiếm được tăng tốc dưới điện trường bắn phá bề mặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động năng cho các nguyên tử này bay về phía đế và lắng đọng trên đế.
Nguyên lý của quá trình phún xạ
Bản chất quá trình phún xạ Khác với phương pháp bay bốc nhiệt, phún xạ không làm cho vật liệu bị bay hơi do đốt nóng mà thực chất quá trình phún xạ là quá trình truyền động năng. Vật liệu nguồn được tạo thành dạng các tấm bia (target) và được đặt tại điện cực (thường là catốt), trong buồng được hút chân không cao và nạp khí hiếm với áp suất thấp (cỡ 10-2 mbar). Dưới tác dụng của điện trường, các nguyên tử khí hiếm bị iôn hóa, tăng tốc và chuyển động về phía bia với tốc độ lớn và bắn phá bề mặt bia, truyền động năng cho các nguyên tử vật liệu tại bề mặt bia. Các nguyên tử được truyền động năng sẽ bay về phía đế và lắng đọng trên đế. Các nguyên tử này được gọi là các nguyên tử bị phún xạ. Như vậy, cơ chế của quá trình phún xạ là va chạm và trao đổi xung lượng, hoàn toàn khác với cơ chế của phương pháp bay bốc nhiệt trong chân không.
Kỹ thuật phún xạ phóng điện phát sáng Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ catốt xoay chiều
Là kỹ thuật phún xạ sử dụng hiệu điện thế một chiều để gia tốc cho các iôn khí hiếm. Bia vật liệu được đặt trên điện cực âm (catốt) trong chuông chân không được hút chân không cao, sau đó nạp đầy bởi khí hiếm (thường là Ar hoặc He...) với áp suất thấp (cỡ 10-2 mbar). Người ta sử dụng một hiệu điện thế một chiều cao thế đặt giữa bia (điện cực âm) và đế mẫu (điện cực dương). Quá trình này là quá trình phóng điện có kèm theo phát sáng (sự phát quang do iôn hóa). Vì dòng điện là dòng điện một chiều nên các điện cực phải dẫn điện để duy trì dòng điện, do đó kỹ thuật này thường chỉ dùng cho các bia dẫn điện (bia kim loại, hợp kim...).
Phún xạ phóng điện phát sáng xoay chiều (RF discharge sputtering) Ảnh chụp thiết bị sputtering Univex 450 tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
Là kỹ thuật sử dụng hiệu điện thế xoay chiều để gia tốc cho iôn khí hiếm. Nó vẫn có cấu tạo chung của các hệ phún xạ, tuy nhiên máy phát là một máy phát cao tần sử dụng dòng điện tần số sóng vô tuyến (thường là 13,56 MHz). Vì dòng điện là xoay chiều, nên nó có thể sử dụng cho các bia vật liệu không dẫn điện. Máy phát cao tần sẽ tạo ra các hiệu điện thế xoay chiều dạng xung vuông. Vì hệ sử dụng dòng điện xoay chiều nên phải đi qua một bộ phối hợp trở kháng và hệ tụ điện có tác dụng tăng công suất phóng điện và bảo vệ máy phát. Quá trình phún xạ có hơi khác so với phún xạ một chiều ở chỗ bia vừa bị bắn phá bởi các iôn có năng lượng cao ở nửa chu kỳ âm của hiệu điện thế và bị bắn phá bởi các điện tử ở nửa chu kỳ dương
Phún xạ magnetron Là kỹ thuật phún xạ (sử dụng cả với xoay chiều và một chiều) cải tiến từ các hệ phún xạ thông dụng bằng cách đặt bên dưới bia các nam châm. Từ trường của nam châm có tác dụng bẫy các điện tử và iôn lại gần bia và tăng hiệu ứng iôn hóa, tăng số lần va chạm giữa các iôn, điện tử với các nguyên tử khí tại bề mặt bia do đó làm tăng tốc độ lắng đọng, giảm sự bắn phá của điện tử và iôn trên bề mặt màng, giảm nhiệt độ đế và có thể tạo ra sự phóng điện ở áp suất thấp hơn.
Phún xạ chùm iôn, chùm điện tử Có nguyên tắc giống với phương pháp phún xạ phát sáng, tuy nhiên người ta sử dụng các súng phóng iôn hoặc chùm điện tử riêng biệt bắn trực tiếp vào bia, do đó điều khiển các thông số của quá trình tạo màng một cách hiệu quả hơn.
Ưu điểm và hạn chế của phún xạ catốt -Dễ dàng chế tạo các màng đa lớp nhờ tạo ra nhiều bia riêng biệt. Đồng thời, đây là phương pháp rẻ tiền, và dễ thực hiện nên dễ dàng triển khai ở quy mô công nghiệp. -Độ bám dính của màng trên đế rất cao do các nguyên tử đến lắng đọng trên màng có động năng khá cao so với phương pháp bay bốc nhiệt. -Màng tạo ra có độ mấp mô bề mặt thấp và có hợp thức gần với của bia, có độ dày chính xác hơn nhiều so với phương pháp bay bốc nhiệt trong chân không. -Do các chất có hiệu suất phún xạ khác nhau nên việc khống chế thành phần với bia tổ hợp trở nên phức tạp. Khả năng tạo ra các màng rất mỏng với độ chính xác cao của phương pháp phún xạ là không cao. Hơn nữa, không thể tạo ra màng đơn tinh thể.
Lắng đọng hơi hóa học (CVD) (Chemical vapor deposition) Là một quá trình hoá học để tạo ra các vật liệu rắn với độ tinh khiết cao và hoàn hảo. Quá trình này thường được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn để tạo ra các màng mỏng. Trong quá trình CVD người ta có thể lắng đọng các vật liệu có các dạng khác nhau như: đơn tinh thể, đa tinh thể, vô định hình và epitaxi tạo nên các vật liệu như: silic, sợ cacbon, sợi nano cacbon, SiO 2, Si-Ge, nano tub cacbon…và các chất điện môi có điện trở.
CVD (Chemical Vapor Deposition) CVD là quá trình lắng đọng màng mỏng do phản ứng hóa học của các vật liệu nguồn trong pha hơi. quá trình thường xảy ra tại nhiệt độ cao. Thí dụ nhiệt độ đế để màng lắng đọng thường tại 1500oC. Có thể dùng nguồn nhiệt bổ sung, thí dụ dùng laser để đốt nóng đế (LCVD), trong trường hợp này nhiệt độ của pha hơi sẽ thấp hơn.