Chế tạo màng đa lớp ZnO/Ag/ZnO ở nhiệt độ phòng: Bài thuyết trình chi tiết

CHẾ TẠO MÀNG ĐA LỚP ZnO/Ag/ZnO Ở NHIỆT ĐỘ PHÒNG

Thực hiện: Nguyễn Văn Thọ CBHD: TS Lê Trấn

Tổng Quan

Mành hình hiển thị

• Màng dẫn điện trong suốt TCO được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị quang điện, màn hình hiển thị, pin mặt trời

Pin mặt trời

Tuy nhiên những màng TCO này có điện trở khá cao

TỔNG QUAN

• Vì vậy đã có nhiều hướng nghiên cứu nhằm tạo ra màng có độ dẫn điện cao

• Gần đây có nhiều tác

ITO

Kim Loại

giả phát triển màng đa lớp ITO/Kim loại(10 nm)/ITO (IMI)

ITO

TỔNG QUAN

ITO

Kim Loại

ITO

• Tuy nhiên để chế tạo màng IMI có chi phí cao khi chế tạo bia ITO và màng ITO thường độc

• Màng IMI tạo ra có nhiều ưu điểm vượt trội so với màng TCO như độ dẫn điện cao, có độ truyền qua cao trong dải bước sóng nhìn thấy và bề dày nhỏ hơn so với TCO

Tổng Quan

ZnO

Kim Loại

• ZnO có thể thay thế ITO tốt nhất vì nó rẻ không độc, rễ kiếm trong tự nhiên

ZnO

• Vấn đề là phải thay thế ITO bằng một vật liệu khác có giá thành rẻ hơn và ít độc, nhưng màng tạo ra vẫn có tính chất tương tự.

TỔNG QUAN

• Tính chất quang và tính chất đện của màng

phụ thuộc vào lớp kim loại

ZnO

• Ag là kim loại có độ dẫn diện tốt nhất cho màng ITO/Ag/ITO. Màng ITO/Ag/ITO đã được tạo ra với độ dẫn điện và độ truyền qua tốt. Trong những báo cáo gần đây chưa đề cập tới việc chọn Ag cho lớp cơ bản ZnO. Vì vậy chúng tôi phát triển màng ZnO/Ag/ZnO

THỰC NGHIỆM

Đế thủy tinh

7.62 cm

• Bia ZnO có độ tinh khiết 99.9995% bán kính 7.62 cm, bề dày 0.64 cm

• Màng ZnO và ZnO/Ag/ZnO được chế tạo trên đế thủy tinh.

0.64 cm

• Bia Ag có độ tinh khiết 99.999%, bán kính 7.62 cm, bề dày 0.64 cm

THỰC NGHIỆM

• Đế thủy tinh được sử lý bề mặt bằng siêu âm trong acetone, rửa trong nước tinh khiết. và sau đó được sấy khô bằng dòng khí N trước khi tạo màng.

• Phương pháp tạo màng được

chọn là Phún xạ magnetron RF và DC do nó dễ dàng diều chỉnh các thông số tạo màng

Hệ phún xạ magneton

THỰC NGHIỆM

• Đế thủy tinh được sử lý bề mặt bằng siêu âm trong acetone, rửa trong nước tinh khiết. và sau đó được sấy khô bằng dòng khí N trước khi tạo màng.

• Phương pháp tạo màng được

chọn là Phún xạ magnetron RF và DC do nó dễ dàng diều chỉnh các thông số tạo màng

Hệ phún xạ magneton

THỰC NGHIỆM

6.10-3 Torr

53 mm

• Khỏang cách bia đế 53 mm. áp suất buồng phún xạ 6.10-3 Torr trong khí tinh khiết. Tốc độ Ar quay của đế được điều chỉnh ở 18 vòng/phút (rpm).

• Độ dày của màng ZnO được phủ trong khoảng 20 nm đến 100 nm và màng Ag trong khoảng từ 1 nm đến 15 nm.

THỰC NGHIỆM

• Độ dày của màng được đo bằng phương (Alpha-step 500, pháp surface profiler TENCOR) và FE-SEM (XL-40 FEG field emission scanning electron microscope)

• Nghiên cứu cấu trúc màng sử dụng nhiễu xạ kế tia X (XRD) Regaku (D/MAX 2500). Điện trở suất được xác định bằng phương pháp 4 mũi dò. Thính chất quang học được đo bằng quang phổ kế UV–vis–IR (HewlettPackard 8452A diode array spectrophotometer)

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

• Khi bề dày của lớp Ag

tăng

Hình 1: Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của màng ZnO và ZnO/Ag/ZnO

xuất hiện đỉnh nhiễu xạ dọc theo (2 0 0)

•có sự đóng góp của Ag vào quá trình hình thành mạng đa tinh thể ở vùng gần lớp tiếp xúc.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Điện trở suất giảm nhanh khi độ dày của lớp Ag tăng tới 6nm

Hình 2: Sự phụ thuộc của điện trở suất của màng ZnO/Ag/ZnO vào độ dày của lớp Ag đối với ZnO có bề dày (a) 20 nm, (b) 30 nm, (c) 50nm

Điện trở suất đo được của màng đa lớp khi lớp Ag 6 nm là 3 ohm/sq

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Khi bề dày của lớp Ag tăng lớn hơn 6 nm điện trở suất hầu như không thay đổi

Hình 2: Sự phụ thuộc của điện trở suất của màng ZnO/Ag/ZnO vào độ dày của lớp Ag đối với ZnO có bề dày (a) 20 nm, (b) 30 nm, (c) 50nm

Tính chất điện của màng đa lớp phụ thuộc vào tác động của lớp Ag vào lớp ZnO ở gần lớp tiếp xúc.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Đối với phổ của màng đơn lớp ZnO xuất hiện đỉnh phổ ở gần 450 nm với độ truyền qua trên 80%

Đối với màng đa lớp ZnO/Ag/ZnO có sự dịnh chuyển đỉnh phổ về phía bước sóng dài

Hình 3: Sự phụ thuộc độ truyền qua của màng đa lớp ZnO/Ag/ZnO lên độ dày của lớp Ag

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Ở bề dày 6 nm của lớp Ag độ truyền qua của màng ZnO/Ag/ZnO đạt trên 90% ở bước sóng 580 nm

Hình 3: Sự phụ thuộc độ truyền qua của màng đa lớp ZnO/Ag/ZnO lên độ dày của lớp Ag

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hình 4: Sự phụ thuộc của độ truyền qua cực đại của màng đa lớp ở bước sóng 580 nm lên bề dày của lớp Ag đối với lớp ZnO ở: (a) 20 nm, (b) 30 nm, (c) 50 nm,(d) 100 nm

Khi đo độ truyền qua của màng đa lớp với độ dày các lớp khác nhau ở bước sóng 580 nm. Ta luôn đạt được cực đại khi độ dày lớp Ag ở 6 nm

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

•Theo báo cáo của M.Fahland, P. Karlsson, C. Charton, Thin Solid Films 392 (2001) 334 và G. Leftheriotis, P. Yianoulis, D. Patrikios, Thin Solid Films 306 (1997) 92. Một lớp Ag liên tục có độ hấp thụ thấp và độ dẫn điện tốt. Lớp Ag mỏng được xem là trong suốt trong dải bước sóng nhìn thấy

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

•Ở độ dày dưới mức tới hạn điện trở suất và độ hấp thụ của màng tăng nhanh

•Do có sự chuyển từ dạng màng liên tục sang dạng ốc đảo tách biệt của nguyên tử Ag

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hình 5: Sự phụ thuộc của độ truyền qua màng ZnO/Ag/ZnO lên độ dày của lớp ZnO

•Phổ truyền qua của màng ZnO/Ag/ZnO có sự dịch chuyển bờ hấp thụ về phía bước sóng dài

•Phổ truyền qua của màng (20nm)ZnO/Ag/ZnO(20nm) có độ truyền qua cao nhất, hơn 90%

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hình 5: Sự phụ thuộc của độ truyền qua màng ZnO/Ag/ZnO lên độ dày của lớp ZnO

•S.S. Lin, J.L. Huang báo cáo trong [24, 25] đối với Ti- và Al- pha tạp vào màng ZnO, độ ghồ ghề sẽ tăng khi tăng bề dày

•Màng (ZnO/Ag/ZnO với độ dày lớp ZnO 20nm sẽ có độ ghồ ghề nhỏ nhất

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hình 5: Sự phụ thuộc của độ truyền qua màng ZnO/Ag/ZnO lên độ dày của lớp ZnO

•G. Laukaitis, S. Lindroos, S. Tamulevieius, M. Leskela trong công trình [26] đã báo cáo rằng độ ghồ ghề rất gần với sự phát triển cấu trúc hình học của màng

•Yếu tố này sẽ ảnh hưởng tới phổ truyền qua và độ dẫn điện của màng

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hình 6: Hình chụp AFM của màng ZnO/Ag/ZnO với độ dày lớp ZnO khác nhau (a) 20 nm, (b) 50 nm and (c) 100 nm

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

•Lớp Ag không cố định. Có sự khếch tán lớp Ag vào lớp Ag

Hình 7: Ảnh cross-sectional SEM của màng ZnO(50 nm)/Ag(6 nm)/ ZnO(50 nm)

•Làm thay đổi độ ghồ ghề của màng và như vậy cũng làm thay đổi cấu trúc hình học của màng

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hình 8: Sự phụ thuộc của điện trở suất và độ truyền qua cực đại lên độ dày của lớp Ag đối với màng ZnO(20 nm)/Ag/ZnO(20 nm)

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hình 9: So sánh giữa những màng ZnO/Ag/ZnO có bề dày lớp Ag khác nhau và lớp ZnO có độ dày là 20, 30 và 50 nm

KẾT LUẬN

Nhiều cấu trúc màng đa lớp ZnO/Ag/ZnO đã được tạo ra và khảo sát tính chất điện, quang. Màng đa lớp tốt nhất đạt được có điện trở suất 3 ohm/sq với độ truyền qua trên 90% ở bước sóng 580 nm.

Có thể tổng hợp điện cực có điện trở suất nhỏ ở nhiệt độ phòng không cần sử dụng đế ở nhiệt độ cao hoặc ủ nhiệt.

Có thể chế tạo màng loại này trên vật liệu polymer