Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu chế tạo màng gương nóng truyền qua bằng phương pháp phún xạ Magnetron DC

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:170

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nghiên cứu chế tạo màng dẫn điện trong suốt ZnO pha tạp nhôm (AZO); nghiên cứu tính chất quang và điện của màng TiN, nghiên cứu tính chất quang xúc tác của màng TiO2; mô phỏng lý thuyết bài toán tổng quát hệ màng đa lớp từ lý thuyết Fresnel; nghiên cứu chế tạo màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu chế tạo màng gương nóng truyền qua bằng phương pháp phún xạ Magnetron DC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN [\ LÊ TRẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG GƯƠNG NÓNG TRUYỀN QUA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON DC LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2009
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN [\ LÊ TRẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG GƯƠNG NÓNG TRUYỀN QUA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON DC CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC MÃ SỐ: 1.02.18 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS TS NGUYỄN HỬU CHÍ PGS. TS TRẦN TUẤN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2009
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi và các cộng sự làm việc dưới sự hướng dẫn của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án này là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào mà tôi không tham gia. ii
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm Khoa Vật Lý, ban giám hiệu trường đã tạo mọi điều kiện thủ tục cho tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Nguyễn Hửu Chí, người đã tận tình hướng dẫn và định hướng cho tôi thực hiện công trình nghiên cứu này. Thầy là người đã dạy cho tôi sự nghiêm túc trong khoa học. Thầy đã luôn ủng hộ tôi hoàn thành bản luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Trần Tuấn, người đã tận tình hướng dẫn, ủng hộ và động viên tôi hoàn thành bản luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Lê Văn Hiếu, thầy đã luôn quan tâm nhắc nhở, động viên tôi sớm hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn Trần Quang Trung, Trần Cao Vinh, Cao Thị Mỹ Dung, Lê Thụy Thanh Giang, Nguyễn Đăng Khoa, Tạ Thị Kiều Hạnh, Phạm Kim Ngọc đã tận tình giúp đỡ, cộng tác trong công việc đo đạc. Tôi xin chân thành cảm ơn anh Trần Quang Trung, Lê Vũ Tuấn Hùng, Lê Văn Ngọc, Lâm Quang Vinh, Vũ Thị Hạnh Thu, Nguyễn Đức Hảo và Thầy Văn Hồng Khôi, cùng tất cả thầy cô đồng nghiệp trong bộ môn luôn luôn quan tâm tôi trong thời gian thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy trong hội động chấm luận án tiến sĩ cấp cơ sở, đã nhận xét và đóng góp những ý kiến quí báu để luận án này hoàn chỉnh hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn cộng sự Đào Vĩnh Ái đã đóng góp cho đề tài này. Con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cha mẹ, những người đã luôn bên cạnh con, mong cho con thành đạt trong cuộc sống. Lê Trấn. i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A Độ hấp thụ Ag Bạc Ar Argon AZO Màng dẫn điện trong suốt ZnO pha tạp Al DC Một chiều FCC Lập phương tâm mặt HOMO Quỹ đạo phân tử bị chiếm đóng cao nhất ITO Oxít indium pha tạp oxít thiếc L Độ mất mát LOMO Quỹ đạo phân tử không bị chiếm đóng thấp nhất MB Methylene blue N Nguyên tử nitơ N2 Phân tử nitơ NHE Thang đo thế oxy hóa khử của hydro NIR Sự tái phún xạ ion âm O2 Oxy RMS Độ gồ ghề bề mặt R Phản xạ rf Radio frequency S Độ tán xạ T Truyền qua Ti Titan TiN Nitrite titan TCO Transparent conductive oxide: Oxide dẫn điện trong suốt Texture Cơ chế phát triển mặt tinh thể ABS Độ phân hủy methylene blue
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ DANH MỤC BẢNG VIẾT TẮT MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .. 5 1.1 Tính chất của màng dẫn điện ................................................................................ 5 1.1.1 Tính chất điện ................................................................................................. 5 1.1.2 Liên hệ giữa tính chất quang và điện .............................................................. 8 1.1.2.1 Dùng lý thuyết Drude xác định tần số plasma p ................................... 8 1.1.2.2 Tính chất của màng dẫn điện trong vùng xa bờ hấp thụ ......................... 8 1.1.3. Tính chất của kim loại ................................................................................ 12 1.1.4. Tính chất của điện môi ............................................................................... 13 1.2 Tổng quan về màng ZnO:Al (AZO) ................................................................... 15 1.2.1 Tính chất điện của ZnO:Al ........................................................................... 19 1.2.2 Tính chất quang của màng AZO .................................................................. 22 1.3 TỔNG QUAN VỀ TiO2 .................................................................................... 26 1.3.1 Tính chất chung của màng TiO2 ................................................................... 26 1.3.2 Cấu trúc tinh thể của TiO2 ............................................................................ 28 1.3.3 Tính chất quang xúc tác trên màng TiO2 ...................................................... 31 1.3.3.1 Khả năng quang xúc tác ........................................................................ 32 1.3.3.2 Cơ chế.................................................................................................... 32 1.3.4.5 Các ứng dụng của TiO2 ......................................................................... 34 1.4 Tổng Quan Về TiN ............................................................................................. 36 1.4.1 Mở đầu .......................................................................................................... 36 1.4.2 Cấu trúc màng TiN ....................................................................................... 36 1.4.3 Giản đồ vùng năng lượng của TiN ............................................................... 38 1.4.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến tính chất điện của TiN .................................. 39 1.4.5 Cơ chế phát triển mặt tinh thể (texture) của TiN .......................................... 40 1.4.6 Các thông số chế tạo màng ảnh hưởng đến sự phát triển mặt tinh thể ......... 43
1.5 Màng đa lớp điện môi/ kim loại/ điện môi ......................................................... 44 1.5.1 Hệ số Fresnel - Hệ số phản xạ và hệ số truyền qua ...................................... 45 1.5.1.1 Hệ số Fresnel ....................................................................................... 45 1.5.1.2 Hệ số phản xạ R (hay hệ số truyền qua T) ......................................... 47 1.5.2 Hệ màng điện môi đa lớp - Phương pháp ma trận ........................................ 48 1.5.3 Phương pháp ma trận áp dụng cho hệ màng đa lớp của môi trường hấp thụ ..................................................................................................... 50 1.6 Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 52 1.6.1 Phương pháp phún xạ ................................................................................... 52 1.6.1.1. Nguyên lý của quá trình lắng đọng phún xạ ........................................ 52 1.6.1.2 Quá trình lắng đọng màng bằng phương pháp phún xạ ........................ 54 1.6.1.3 Phún xạ phản ứng .................................................................................. 57 1.6.2 Thiết kế hệ magnetron ................................................................................. 57 1.6.2.1 Hệ magnetron vuông dùng cho bia Ti ................................................. 57 1.6.2.2 Hệ magnetron tròn dùng cho bia Ag ................................................... 58 1.6.3 Các hệ đo đặc trưng tính chất vật liệu ......................................................... 60 1.6.3.1 Hệ ellipsometer ......................................................................................... 60 1.6.3.2 Hệ uv-vis................................................................................................... 61 1.6.3.3 Hệ đo đặc trưng điện bốn mũi dò ............................................................. 61 1.6.3.4 Hệ đo độ dày profilometer ........................................................................ 61 1.6.3.5 Hệ nhiễu xạ tia X ...................................................................................... 61 1.6.3.6 Hệ đo ảnh AFM ........................................................................................ 61 1.6.3.7 Xác định độ phân hủy methylene blue ..................................................... 61 1.6.3.8 Hệ đo hall.................................................................................................. 62 1.6.3.9. Hệ FTIR Bruker Equinox 55 ................................................................... 62 1.6.3.10. Phương pháp đo góc thấm ướt ............................................................... 63 CHƯƠNG 2 MÀNG MỎNG AZO ............................................................................... 64 2.1 Sự hình thành ion âm .......................................................................................... 64 2.2 Ảnh hưởng của ion âm lên tính chất điện của màng AZO ................................. 66
2.3 Nghiên cứu chế tạo màng AZO không có sự ảnh hưởng của ion âm ................. 68 2.3.1 Các thông số tạo màng.................................................................................. 68 2.3.2 Cấu trúc tinh thể của màng AZO .................................................................. 69 2.3.3 Tính chất quang và điện của màng AZO ...................................................... 72 2.3.3.1 Tính chất điện phụ thuộc khoảng cách đặt mẫu ..................................... 72 2.3.3.2 Tính chất điện của màng phụ thuộc áp suất phún xạ, nhiệt độ đế và phần trăm tạp Al2O3 trong bia ......................................................................... 73 2.3.3.3 Tính chất Quang của màng AZO theo nồng độ hạt tải trong màng và áp suất phún xạ ............................................................................................ 77 2.4 Kết luận chương 2 .............................................................................................. 78 CHƯƠNG 3 MÀNG TiN VÀ TiO2 .......................................................................................80 3.1 Tính chất điện và quang của TiN ....................................................................... 80 3.1.1 Khảo sát thế phún xạ theo áp suất riêng phần của nitơ ................................ 80 3.1.1.1 Áp suất riêng phần của nitơ p = 1,5.10-5 torr ........................................ 81 3.1.1.2 Áp suất riêng phần của nitơ p = 2,25.10-5 torr ...................................... 83 3.1.1.3 Áp suất riêng phần của nitơ p = 3.10-4 torr ......................................... 84 3.1.1.4 Áp suất riêng phần của nitơ p = 3,75.10-4 torr ..................................... 85 3.1.1.5 Tổng kết tương quan điện trở suất, thế phún xạ ngưỡng và áp suất riêng phần của nitơ ................................................................................ 87 3.1.2 Khảo sát sự ảnh hưởng điện trở suất theo khoảng cách giữa bia và đế ........ 88 3.1.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của điện trở suất theo nhiệt độ ................................ 90 3.1.4 Khảo sát sự ảnh hưởng điện trở suất theo áp suất khí làm việc ................... 91 3.1.5 Tính chất quang của màng TiN .................................................................... 93 3.2 Tính chất quang và quang xúc tác của màng TiO2 ............................................. 94 3.2.1 Tính chất quang xúc tác của màng TiO2 ....................................................... 94 3.2.2. Khảo sát tính siêu thấm ướt và kị ướt nước của màng TiO2 ...................... 102 3.2.3 Tính chất quang của màng TiO2 ................................................................. 105 3.3 Kết luận chương 3 ............................................................................................ 106
CHƯƠNG 4 MÀNG ĐA LỚP GƯƠNG NÓNG TRUYỀN QUA ......................... 108 4.1 Ứng dụng lý thuyết phương pháp ma trận cho hệ màng đa lớp với sự kết hợp của lập chương máy tính................................................................................... 108 4.2 Một số kết quả thực nghiệm ............................................................................. 125 4.2.1 Màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2 ....................................................................... 125 4.2.2 Màng đa lớp TiO2(ngoài)/TiO2(đệm)/Ti/Ag/Ti/TiO2(trong) và Màng đa lớp TiO2(ngoài)/TiO2(đệm)/TiN/Ag/Ti/TiO2(trong)............................................... 129 4.2.2.1 Sự oxy hóa kim loại......................................................................... 130 4.2.2.2 Sự hợp mạng (epitaxy) giữa Ti, TiN với Ag ................................... 132 4.2.2.3 Chế tạo lớp Ti .................................................................................. 135 4.2.2.4 Màng đa lớp TiO2(ngoài)/TiO2(đệm)/Ti/Ag/Ti/TiO2(trong) ...................... 137 4.2.2.5 Màng đa lớp TiO2(ngoài)/TiO2(đệm)/TiN/Ag/TiN/TiO2(trong) ................ 141 4.2.2.6. Ảnh hưởng của giao thoa ánh sáng lên độ phản xạ của màng đa lớp ................................................................................................... 142 4.3 Kết luận chương 4 ............................................................................................ 143 KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................................... 145 16 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ.................................................... 148 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 149 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 162 Phụ lục A Chương trình fortran dùng cho thuật toán một bước sóng .......................... i-vi Phụ lục B Chương trình vẽ phổ màng đa lớp ............................................................ vii-ix
1 MỞ ĐẦU Ngày nay, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao, những nguồn năng lượng sạch được quan tâm như năng lượng gió, năng lượng thủy điện, năng lượng Mặt trời… Tuy nhiên, những nguồn năng lượng truyền thống như dầu và khí đốt vẫn được sử dụng song song để đáp ứng nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới. Những nguồn năng lượng đó cùng với việc sản xuất khí gas dùng cho máy lạnh là nguồn thải khí gây hiệu ứng nhà kính. Sử dụng ít năng lượng, con người có thể giúp chống nạn hâm nóng địa cầu và tiết kiệm tiền. Vì vậy, vấn đề tiết kiệm năng lượng được quan tâm hàng đầu. Một trong những nguồn tiêu thụ năng lượng lớn không đáng có là nhu cầu sử dụng máy điều hòa nhiệt độ trong các tòa nhà cao tầng. Một giải pháp tối ưu để giải quyết vấn đề này là thay các tấm kính thông thường bằng những tấm kính được phủ màng phản xạ hồng ngoại mà vẫn trong suốt đó là màng gương nóng truyền qua. Tính chất quang học của màng gương nóng truyền qua là truyền qua cao trong vùng khả kiến (bước sóng: 380nm ≤ λ ≤ 760nm ) và phản xạ cao trong vùng hồng ngoại (bước sóng: λ ≥ 760nm ) [19,65,80]. Ngoài mục đích tiết kiệm năng lượng, màng gương nóng truyền qua còn có tác dụng biến quang năng thành nhiệt năng, ứng dụng để chưng cất nước, sấy khô và đun nước nóng. Điều này rất thuận lợi đối với khí hậu Việt Nam; Vì nước ta là nước nhiệt đới, tiềm năng bức xạ Mặt trời vào loại cao trên thế giới, đặc biệt ở các vùng miền phía Nam có nhiều nắng. Màng gương nóng truyền qua có thể chế tạo theo ba hướng [106]. 1. Màng kim loại có độ phản xạ hồng ngoại cao như màng kim loại Ag, Au, Cu, … 2. Màng bán dẫn phản xạ hồng ngoại cao như ZnO; SiN; PbO; Bi2O3; SnO2; In2O3 hoặc những loại màng bán dẫn pha tạp như SnO2:F; SnO2:Sb; AZO; GZO; ITO... 3. Màng đa lớp “điện môi/kim loại” hoặc “điện môi/kim loại/điện môi”. Tuy nhiên, màng kim loại thường không bền về cơ, nhiệt và hóa học. Màng bán dẫn phản xạ cao ở vùng bước sóng λ >1400 nm, rất xa so với vùng bức xạ cực đại năng lượng Mặt trời, loại màng này có thể ứng dụng làm máy nước nóng hoặc máy chưng
2
3 Qua tất cả những cơ sở lý luận trên, mục đích đặt ra trong luận án gồm những công việc sau: 1. Nghiên cứu chế tạo màng dẫn điện trong suốt ZnO pha tạp nhôm (AZO). 2. Nghiên cứu tính chất quang và điện của màng TiN. 3. Nghiên cứu tính chất quang xúc tác của màng TiO2. 4. Mô phỏng lý thuyết bài toán tổng quát hệ màng đa lớp từ lý thuyết Fresnel. 5. Nghiên cứu chế tạo màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2. 6. Nghiên cứu chế tạo màng TiO2(ngoài)/ TiO2(đệm)/Ti/Ag/Ti/TiO2(trong). 7. Nghiên cứu chế tạo màng TiO2(ngoài)/ TiO2(đệm)/TiN/Ag/TiN/TiO2(trong). Trong luận án này, chúng tôi nghiên cứu một chuỗi màng gương nóng truyền qua có mối liên hệ chặt chẽ nhau. Cái sau bổ sung những thiếu sót của cái trước, nhằm tạo ra một hệ thống các màng gương nóng có khả năng ứng dụng rộng ứng với từng nhu cầu riêng. Thật vậy, màng gương nóng truyền qua AZO phản xạ hồng ngoại từ bước sóng 1400 nm trở đi. Màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2 bổ sung thiếu sót của màng
4 AZO, phản xạ hồng ngoại từ bước sóng 800 nm trở đi, nhưng truyền qua trong vùng khả kiến khoảng 40%. Màng TiO2(ngoài)/TiO2(đệm)/Ti/Ag/Ti/TiO2(trong) và màng TiO2(ngoài)/TiO2(đệm)/TiN/Ag/TiN/TiO2(trong) có độ phản xạ hồng ngoại từ bước sóng 800 nm trở đi, truyền qua trong vùng khả kiến trên 80%, bổ sung thiếu sót của màng TiO2/TiN/TiO2. Ưu điểm của hai loại màng TiO2(ngoài)/TiO2(đệm)/Ti/Ag/Ti/TiO2(trong) và TiO2(ngoài)/TiO2(đệm)/TiN/Ag/TiN/TiO2(trong) trong công nghệ chế tạo là khắc phục sự oxy hóa lớp Ag trực tiếp trong quá trình tạo màng và chống được khuếch tán của oxy theo thời gian sử dụng. Ngoài ra, lớp TiO2(đệm) đóng vai trò rất quan trọng trong việc bảo vệ lớp Ti, TiN không bị oxy hóa hoàn toàn trong suốt thời gian dài tạo lớp TiO2(ngoài). Tất cả những vấn đề trên chưa có công trình nào trong và ngoài nước công bố.
5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU 1.1. Tính chất của màng dẫn điện 1.1.1. Tính chất điện Lý thuyết dẫn cổ điển trong kim loại được phát triển bởi Drude, dựa trên phương trình chuyển động của điện tử. Điện trở suất được tính từ phương trình (1.1) [77,90]. m ρ= (1.1) ne2τ Ở đó, n (cm-3) là nồng độ hạt tải tự do, e (C) là điện tích của điện tử, τ (s) là thời gian phục hồi của hạt tải, liên quan đến thời gian trung bình giữa hai lần tán xạ liên tiếp, và m là khối lượng điện tử tự do. Thời gian phục hồi cỡ 10-15 s đối với vật liệu TCO [36]. Đại lượng τ liên quan đến sự di chuyển của điện tử khi có điện trường ngoài, như được trình bày trong phương trình (1.2) [111], ở đó Vf là vận tốc trôi sau cùng của điện tử và E là cường độ điện trường. mv f τ= (1.2) eE Từ đây chúng ta có thể xác định quãng đường tự do trung bình giữa những va chạm như được trình bày trong phương trình (1.3) [111]: l = vτ (1.3) Vận tốc hạt tải v được sử dụng cho tính toán là vận tốc nhiệt, cỡ 107 cm/s [111]. τ mô tả tương tác giữa điện tử và vật liệu. Hai cơ chế cơ bản kiểm soát thời gian phục hồi là sự tán xạ phonon và tán xạ khuyết. Tán xạ phonon là hàm của nhiệt độ, có khuynh hướng giảm khi nhiệt độ giảm. Tán xạ khuyết độc lập với nhiệt độ. Sự phân bố về tán xạ của phonon, tạp hay khuyết có thể được tổng hợp từ qui luật Mathiessen như trình bày trong phương trình (1.4) [90]. ρ = ρphonon + ρtạp + ρkhuyết (1.4) TCO được xem như vật liệu bán dẫn suy biến bao gồm bán dẫn chứa loại hạt tải electron (e) và lỗ trống (p). Thời gian phục hồi trở thành thời gian phục hồi trung bình
6 được thay thế trong phương trình dẫn chứa độ linh động μ, như được trình bày trong phương trình dẫn điện cơ bản (1.5): 1 ρ= (1.5) neμn + peμ p Ở đây, n, p lần lượt là nồng độ hạt tải và nồng độ lỗ trống (cm-3); μn, μp lần lượt là độ linh động của điện tử và lỗ trống (cm2/V.s). Độ linh động đặc trưng cho sự tương tác giữa nồng độ hạt tải và vật liệu thông qua sự di chuyển của chúng. Mối liên hệ giữa độ linh động và thời gian phục hồi trung bình được trình bày trong phương trình (1.6) [97]: e μ= (1.6) m* với m* là khối lượng hiệu dụng của điện tử. Khối lượng hiệu dụng của điện tử phụ thuộc loại vật liệu. Nếu thời gian phục hồi τ là hằng số, phương trình (1.6) cho thấy khối lượng hiệu dụng nhỏ hơn sẽ cho độ linh động lớn hơn. TCO có khối lượng hiệu dụng lớn, chẳng hạn ZnO có khối lượng hiệu dụng là 0,27m0 [191]. Tán xạ hạt tải có trong vật liệu TCO bao gồm tán xạ điện tử - phonon (μa), điện tử - ion nguyên tử tạp chất (μi), điện tử - tạp trung hòa (μn), và tán xạ trên biên hạt (μg). Phương trình (1.7) thống kê các cơ chế tán xạ 1 1 1 1 1 = + + + (1.7) μ μi μa μg μn Nếu một cơ chế tán xạ là tác nhân trội cho độ linh động thấp nhất so với các cơ chế tán xạ khác, thì độ linh động toàn phần có khuynh hướng gần giá trị thấp nhất và cơ chế tán xạ đó đóng vai trò chủ đạo ảnh hưởng đến tính chất điện của vật liệu. Nếu độ linh động của hạt tải do nhiều hơn một cơ chế tán xạ gây ra, độ linh động tổng cộng sẽ thấp hơn những thành phần riêng.
7 Giá trị giới hạn đối với độ linh động cho tán xạ phonon trong tinh thể đơn ZnO pha tạp ít (n ~ 1016 cm-3) xấp xỉ μa = 250 cm2/V.s [23] ở nhiệt độ phòng. Đối với dẫn kim loại và bán dẫn, tán xạ phonon phụ thuộc vào nhiệt độ, độ linh động tăng khi nhiệt độ giảm [77]. Tán xạ tạp ion hóa là cơ chế tán xạ trội trong vật liệu TCO [116,191,196]. Khi TCO pha tạp nặng, TCO sẽ chuyển tiếp thành đặc trưng kim loại. Nồng độ tạp bị ion hóa cao hơn cho tương tác nhiều hơn và vì thế độ linh động thấp hơn. Đối với trường hợp không suy biến, độ linh động do tán xạ tạp bị ion hóa tăng theo nhiệt độ. Phương trình (1.8) cho mối liên hệ độ linh động từ tán xạ tạp bị ion hóa, nhiệt độ và mật độ tạp bị ion hóa (Ni) [97]. 3 T2 μi ∝ (1.8) Ni Phương trình (1.8) dựa trên hàm phân bố Maxwell-Boltzmann, trong khi hàm phân bố Fermi-Dirac sử dụng cho trường hợp bán dẫn pha tạp suy biến. Zhang và cộng sự cho rằng độ linh động do tán xạ tạp bị ion hóa gây ra, không phụ thuộc vào nhiệt độ khi hàm phân bố Fermi-Dirac được sử dụng cho trường hợp bán dẫn suy biến [195]. Tán xạ tạp trung hòa thu được từ sự tán xạ khuyết với hạt tải [97]. Trong trường hợp bán dẫn, cơ chế tán xạ chỉ quan trọng ở nhiệt độ thấp khi sự ion hóa nguyên tử tạp không xảy ra. Trái lại, tạp trung hòa là cơ chế tán xạ trong dẫn kim loại. Vật liệu bán dẫn có độ tinh khiết cao khi phần lớn nguyên tố ngoại được đưa vào để ion hóa và pha tạp vật liệu. Tán xạ tạp trung hòa không phải hàm của nhiệt độ, nhưng biến thiên theo nồng độ tạp trung hòa [97]. Tăng nồng độ tạp trung hòa, làm giảm độ linh động. Trong trường hợp dẫn kim loại, tạp trung hòa tán xạ hạt tải bằng cách làm đứt quãng chu kỳ của mạng [77]. Tán xạ biên hạt xảy ra khi nồng độ khuyết lệch mạng trong vật liệu tăng, làm giảm độ linh động. Độ linh động của cơ chế này là một hàm của mật độ lệch mạng (nd) và nhiệt độ, như trình bày trong phương trình (1.9) [97]
8 1 μd ∝ 1 (1.9) 2 nd T 1.1.2. Liên hệ giữa tính chất quang và điện 1.1.2.1. Dùng lý thuyết Drude xác định tần số plasma ω p Theo lý thuyết Drude [12], độ thẩm điện môi của môi trường tán sắc là một đại lượng phức: 4πNe 2 ε(ω) = ε0 + i (1.10) m* ω ( γ 0 − i ω ) Với m* - khối lượng hiệu dụng; γ 0 - tần số va chạm của điện tử với các hạt trong thể rắn. Trong giới hạn tần số cao ω>> γ0, phương trình (1.10) có thể viết lại: 4πNe 2 ε(ω) = ε0 − (1.11) m*ω2 ω Tần số ω có thể nhỏ đến mức ε(ω) 0, k thuần thực, sóng truyền qua môi trường mà không mất mát, do vậy màng có độ truyền qua cao tương tự điện môi. Như vậy, ε(ω) = 0 được xác định tại T = R, ở đó độ truyền qua khả kiến tương tự điện môi bằng độ phản xạ hồng ngoại tương tự kim loại. Khi đó: 4πNe 2 ωp 2 = (1.12) ε0 m* 1.1.2.2. Tính chất của màng dẫn điện trong vùng xa bờ hấp thụ Trong vùng hồng ngoại, hiện tượng quang học có thể được hiểu dựa trên lí thuyết về các điện tử tự do của Drude trong kim loại. Sự tương tác của các điện tử tự do trong trường điện từ sẽ dẫn đến sự phân cực của trường trong vật chất và do đó ảnh
9 hưởng đến hằng số điện môi ε. Thật vậy, hằng số điện môi ε của điện tử tự do được cho bởi: ε = (n − ik) 2 ω2p (1.13) ε ' = n 2 − k 2 = ε∞ (1 − )2 ω2 + γ 2 ω2p γε∞ và ε '' = 2nk = (1.14) ω(ω2 + γ 2 ) Trong đó: ω p là tần số cộng hưởng plasma như đề cập ở phương trình (1.12). ε∞ , εo : là hằng số điện môi của trong môi trường và chân không. m*: khối lượng hiệu dụng của các hạt mang điện. N : nồng độ hạt mang điện. 1 γ= với τ là thời gian hồi phục, thời gian hồi phục thì được cho là không phụ τ thuộc vào tần số và liên quan đến độ linh động 1 e γ= =− * (1.15) τ mμ Hoặc n = 1 2 ( ε′ + ε′2 + ε′′2 ) (1.16) k= 1 2 ( −ε′ + ε′2 + ε′′2 ) (1.17) Giá trị của n và k xác định sự phản xạ và hấp thụ. Phương trình (1.16) và (1.17) cho thấy mối liên hệ của các hằng số quang như chiết suất n và hệ số tắt k với những thông số điện như nồng độ hạt tải N và độ linh động μ. Drude dựa trên mô tả cổ điển của sự tương tác giữa sự bức xạ và các điện tử tự do với giả định rằng thời gian hồi phục không phụ thuộc vào tần số. Ba vùng tần số khác nhau của các hạt tải điện có thể được phân biệt. (a). Vùng hấp thụ 0 < ωτ
10 Trong vùng này, phần ảo ε " trong phương trình (1.14) lớn hơn rất nhiều so với phần thực ε ' trong phương trình (1.13), do đó những màng dẫn điện trong suốt phản xạ mạnh. Trong trường hợp này thì phương trình (1.13) và (1.14) trở thành: ε ' = ε∞ (1 − ω2p τ2 ) (1.18) ω2p τ ε '' = ε∞ >> 1 (1.19) ω Điều này dẫn đến: ωp ε∞ n ~ k ≈ ε′′ / 2 ≈ >> 1 (1.20) 2ωγ Ne 2 1 Ne 2 τ Độ dẫn điện σ ≈ = = σo (1.21) m* γ m* λ Khi bề dày của màng lớn hơn bề dày lớp da δ (= ) , hệ số phản xạ của màng được 4πk cho bởi biểu thức: (n − 1) 2 + k 2 R= (1.22) (n + 1) 2 + k 2 Trường hợp này, hấp thụ ở tần số thấp được cho bởi biểu thức Hagen-Rubens [62]: 4n 2 2ε o ω A =1− R = ≈ =2 (1.23) (n + 1) + k 2 2 k 4πσo 2εo ω Suy ra : R = 1− 2 (1.24) 4πσo Đối với màng mỏng, độ phản xạ hồng ngoại có thể tính ngắn gọn thông qua sự biến đổi trở kháng. Trong trường hợp này, trở kháng trên bề mặt màng là điện trở mặt của màng Rs = ρd-1 được mắc song song với trở kháng phông. Để đơn giản, ta giả thuyết trở kháng phông chính là trở kháng của không gian tự do Z o = 1 = 376Ω . Từ εo c đó độ phản xạ được tính bởi biểu thức :
11 2 2 ⎛ Z − RS ⎞ ⎛ 2R S ⎞ R = ⎜⎜ o ⎟⎟ = ⎜⎜1 − ⎟⎟ (1.25) Z ⎝ o + R S ⎠ ⎝ Z o + R S ⎠ Phương trình này không phụ thuộc vào độ dài sóng và khá phù hợp với kết quả thực nghiệm. Đối với kim loại, Rs