intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu và chế tạo màng dẫn điện trong suốt ZnO pha tạp vanadium bằng phương pháp đồng phún xạ

Chia sẻ: Trang Lê | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:96

Thêm vào BST
Báo xấu
108
lượt xem 21
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

"Nghiên cứu và chế tạo màng dẫn điện trong suốt ZnO pha tạp vanadium bằng phương pháp đồng phún xạ" trình bày nội dung: tổng quan về oxit dẫn điện trong suốt vật liệu ZnO và vật liệu V, phương pháp phún xạ magnettron DC và một số phép đo xác định đặc trưng của màng, thực nghiệm kết quả và bàn luận, kết luận và hướng phát triển.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu và chế tạo màng dẫn điện trong suốt ZnO pha tạp vanadium bằng phương pháp đồng phún xạ

  1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  PHÙNG NGUYỄN THÁI HẰNG NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT ZnO PHA TẠP VANADIUM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG PHÚN XẠ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2011
  2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  PHÙNG NGUYỄN THÁI HẰNG NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT ZnO PHA TẠP VANADIUM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG PHÚN XẠ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 604411 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. LÊ VŨ TUẤN HÙNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2011
  3. LỜI CÁM ƠN Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và làm luận văn thạc sĩ tôi ñã nhận ñược rất nhiều sự quan tâm, giúp ñỡ tận tình của Quý Thầy Cô và bạn bè. Sự quan tâm từ mọi người là ñộng lực lớn giúp em hoàn thành ñược luận văn này. Từ tận ñáy lòng mình em xin ñược gửi ñến tất cả mọi người lời cảm ơn sâu sắc nhất. Em xin trân trọng gửi lời cám ơn chân thành nhất ñến Thầy Lê Vũ Tuấn Hùng, người ñã tận tình hướng dẫn, truyền ñạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm trong suốt thời gian qua. Em xin chúc Thầy nhiều sức khỏe ñể tiếp tục sự nghiệp “trồng người” và có thật nhiều thành công, hạnh phúc trong cuộc sống. Em cũng không quên gởi lời cảm ơn ñến Thầy Hồ Văn Bình. Thầy luôn ñộng viên và hỗ trợ về thiết bị cho em trong những lúc khó khăn nhất. Em xin ghi nhớ và biết ơn quý Thầy Cô và các anh chị công tác tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp Hồ Chí Minh ñã truyền ñạt cho em những tri thức mới cũng như tạo mọi ñiều kiện thuận lợi nhất cho em trong thời gian qua. Chị gởi lời cảm ơn tới hai em Nguyễn Phạm Quốc Duy và Dương Thị Kim Trọn. Ba chị em mình ñã cùng nhau trải qua những khó khăn thử thách trong suốt quá trình thực hiện ñề tài này. Xin cảm ơn những người bạn trong lớp Cao học “ Quang học” và “Vật lý Vô tuyến và ñiện tử ” khóa 18 ñã chia sẻ, giúp ñỡ tôi trong suốt khóa học. Con xin cảm ơn mẹ cùng các em ñã khích lệ, ñộng viên, luôn ở bên cạnh và tạo mọi ñiều kiện thuận lợi nhất ñể con yên tâm học tập – nghiên cứu khoa học trong suốt thời gian qua. Cuốn luận văn này cũng là món quà thiêng liêng con muốn gửi ñến hai người bố thân yêu của con thay cho lời biết ơn sâu sắc nhất mà con không còn cơ hội ñược nói nữa. Cuối cùng, em cám ơn anh, anh luôn là “bờ vai vững chắc” cho em trong cuộc sống.
  4. Luận văn thạc sĩ Vật lý 1 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ 3 DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... 4 MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 6 TỔNG QUAN ............................................................................................................ 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ OXIT DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT, VẬT LIỆU ZnO VÀ VẬT LIỆU V. .................................................................................. 9 1.1. Đặc trưng của oxit dẫn điện trong suốt (TCO)................................................ 9 1.1.1 Độ dẫn điện. ................................................................................................ 9 1.1.2. Chỉ số hiệu dụng. .....................................................................................10 1.1.3. Độ rộng vùng cấm và công thoát. ............................................................11 1.1.4. Sự ổn định tính chất theo nhiệt độ. ..........................................................11 1.1.5. Độ bền cơ học. .........................................................................................12 1.1.6. Chi phí sản xuất. ......................................................................................12 1.2. Vật liệu ZnO. ..................................................................................................12 1.2.1 Cấu trúc tinh thể ZnO. ..............................................................................12 1.2.2. Khuyết tật trong cấu trúc tinh thể ZnO. ...................................................14 1.2.3. Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO.........................................................17 1.3. Vật liệu V. ......................................................................................................22 1.4. Vật liệu ZnO pha tạp. .....................................................................................24 1.4.1. Tính chất điện quang của màng ZnO pha tạp. .........................................25 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON DC VÀ MỘT SỐ PHÉP ĐO XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CỦA MÀNG ...........................................28 2.1. Phương pháp phún xạ magnetron DC. ..........................................................28 2.1.1. Hệ magnetron phẳng. ..............................................................................28 2.1.2. Hệ magnetron không cân bằng. ...............................................................31 2.1.3. Phún xạ phản ứng. ...................................................................................31 2.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phún xạ. .........................................32 2.2. Các phương pháp đo. ......................................................................................33 2.2.1. Xác định độ truyền qua của màng bằng thiết bị V – 530 UV-vis spectrophotometer..............................................................................................33 2.2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X. ...................................................................35 Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng
  5. Luận văn thạc sĩ Vật lý 2 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng 2.2.3. Phương pháp Stylus. ................................................................................36 2.2.4. Phương pháp bốn mũi dò. ref ..................................................................37 2.2.5. Xác định nồng độ hạt tải, độ linh động bằng phép đo Hall. ....................38 2.2.6 Xác định độ mấp mô màng mỏng bằng phương pháp đo AFM (Atomic force microscopy). .............................................................................................40 2.2.7 Phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy - EDS)...................................................................................................................42 THỰC NGHIỆM .....................................................................................................46 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN. ...........................47 3.1. Mục đích của quá trình thực nghiệm. .............................................................47 3.2. Tiến trình thực nghiệm. ..................................................................................47 3.2.1. Chế tạo bia gốm ZnO. ..............................................................................47 3.2.2. Thiết kế và lắp ráp hệ đồng phún xạ magnetron DC. ..............................51 3.2.3. Quá trình xử lý bia và đế. ........................................................................53 3.2.4. Cách bố trí thí nghiệm. ............................................................................54 3.2.5. Tạo màng ZnO:V. ....................................................................................56 3.3. Kết quả và bàn luận. .......................................................................................57 3.3.1. Ảnh hưởng của khoảng cách bia đế h lên tính chất điện và quang của màng bán dẫn loại n ZnO:V...............................................................................57 3.3.2. Ảnh hưởng của khoảng cách x (cm) tính từ biên vùng ăn mòn đến vị trí đặt mẫu lên tính chất của màng bán dẫn loại n ZnO:V. ....................................63 3.3.3. Ảnh hưởng của công suất phún xạ của bia V lên tính chất điện và quang của màng bán dẫn loại n ZnO:V. .......................................................................68 3.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ của đế lên tính chất điện và quang của màng bán dẫn loại n ZnO:V. ..............................................................................................74 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .....................................80 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH........................................................................82 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................83 Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng
  6. Luận văn thạc sĩ Vật lý 3 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Một số thông số của ZnO ........................................................................13 Bảng 1.2: Một số thông số của V. .............................................................................23 Bảng 1.3: Một số kết quả tạo màng ZnO pha tạp của các tác giả trên thế giới. ......26 Bảng 3.1: Độ bán rộng và kích thước hạt của các màng theo khoảng cách bia đế. 58 Bảng 3.2: Khảo sát các mẫu màng mỏng ZnO: V theo khoảng cách bia đế ...........60 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của công suất phún xạ của bia V lên tính chất quang và điện của màng ZnO:V .......................................................................................................69 Bảng 3.4: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện trở suất của màng VZO .......................75 Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng
  7. Luận văn thạc sĩ Vật lý 4 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể ZnO .............................................................................12 Hình 1.2: Cấu trúc Wurtzite lục giác xếp chặt của mạng ZnO. ...............................13 Hình 1.3. Biểu đồ mô tả hai dạng sai hỏng Schottky và Frenkel .............................15 Hình 1.4. Giản đồ các mức khuyết tật của ZnO ......................................................17 Hình 1.5. Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của ZnO ..............................................18 Hình 1.7. Bảo toàn véctơ sóng .................................................................................22 Hình 1.6: Năng lượng photon được bảo toàn .........................................................22 Hình 1.8. Cấu trúc của nguyên tử V. .......................................................................22 Hình 1.9. Các trạng thái oxi hóa của V từ trái sáng phải là +2, +3, +4 và +5 ......24 Hình 2.1. Hệ magnetron phẳng ...............................................................................29 Hình 2.2. Sự phân bố thế trong phóng điện khí ......................................................30 Hình 2.3. Hệ magnetron không cân bằng ................................................................31 Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ đo truyền qua. ....................................................................33 Hình 2.5. Sự nhiễu xạ tia X trên các mặt nguyên tử................................................35 Hình 2.6. Sơ đồ khối của máy đo Stylus. .................................................................37 Hình 2.7: Sơ đồ phương pháp bốn mũi dò. ..............................................................37 Hình 2.8. Nguyên tắc phép đo hiệu ứng Hall ...........................................................39 Hình 2.9. Chuyển động của hạt tải điện ...................................................................40 Hình 2.10. Sơ đồ khối kính hiển vi lực nguyên tử. ...................................................41 Hình 2.11. Sự sắp xếp quang học của một hệ AFM. ................................................41 Hình 2.12. Mô hình gồ ghề đơn. ..............................................................................42 Hình 2.13. Nguyên lý của phép phân tích EDS .......................................................43 Hình 2.14. Sơ đồ nguyên lý của hệ ghi nhận tín hiệu phổ EDS trong TEM............44 Hình 2.15. Phổ tán sắc năng lượng tia X mẫu màng mỏng, ghi nhận trên kính hiển vi điện tử truyền qua FEI Tecnai TF20.....................................................................45 Hình 3.1. Cân kỹ thuật số. ........................................................................................48 Hình 3.2. Máy nghiền. ..............................................................................................48 Hình 3.3. Máy sấy. ....................................................................................................48 Hình 3.4. Máy ép thủy lực. .......................................................................................48 Hình 3.5. Lò nung. ....................................................................................................48 Hình 3.6. Quy trình tạo bia phún xạ bằng phương pháp dung kết .........................49 Hình 3.7. Chu trình nhiệt độ của quá trình dung kết ...............................................50 Hình 3.8. Bia ZnO sau khi chế tạo ...........................................................................50 Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng
  8. Luận văn thạc sĩ Vật lý 5 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng Hình 3.9. Bia ZnO sau khi phún xạ ..........................................................................50 Hình 3.10. Cấu tạo hệ magnetron. ...........................................................................51 Hình 3.12. Sơ đồ buồng chân không ........................................................................51 Hình 3.11. Hệ phún xạ magnetron tại phòng thí nghiệm Quang- Quang Phổ. .......51 Hình 3.13. Sơ đồ giá đỡ hệ và cách bố trí thực nghiệm của hệ magnetron .............52 Hình 3.14. Sơ đồ bố trí bia-đế của hệ đồng phún xạ ...............................................55 Hình 3.15. Phổ XRD của các màng ZnO:V theo khoảng cách bia đế. ....................58 Hình 3.16. Sự phụ thuộc của cường độ đỉnh (002) vào khoảng cách bia đế ..........59 Hình 3.17. Sự phụ thuộc của kích thước hạt vào khoảng cách bia đế ....................59 Hình 3.18 Sự phụ thuộc của độ linh động vào khoảng cách bia đế. .......................61 Hình 3.19 Sự phụ thuộc của nồng độ hạt tải vào khoảng cách bia đế. ...................62 Hình 3.20 Sự phụ thuộc của điện trở suất vào khoảng cách bia đế. .......................62 Hình 3.21. Phổ truyền qua UV-Vis của các màng ZnO pha tạp V theo khoảng cách bia đế .........................................................................................................................63 Hình 3.22: Phổ XRD của các màng ZnO:V theo khoảng cách x ............................64 Hình 3.23: Sự phụ thuộc của ứng suất của màng ZnO:V theo khoảng cách x. ......65 Hình 3.24: Sự phụ thuộc của kích thước hạt của màng VZO theo khoảng cách x ..66 Hình 3.25. Sự phụ thuộc của điện trở suất và nồng độ hạt tải của các màng ZnO:V theo khoảng cách x tính từ biên vùng ăn mòn đến vị trí đặt mẫu .............................67 Hình 3.26: Sự phụ thuộc của điện trở suất của các màng ZnO:V theo khoảng cách x tính từ biên vùng ăn mòn đến vị trí đặt mẫu ..........................................................67 Hình 3.27. Sự biến đổi điện trở suất của màng ZnO:V theo công suất của bia V ..69 Hình 3.28. Sự biến đổi độ linh động của màng ZnO:V theo công suất của bia V ..70 Hình 3.29. Sự biến đổi nồng độ hạt tải của màng ZnO:V theo công suất của bia V. ...................................................................................................................................70 Hình 3.30. Phổ EDX của màng P 20W ...................................................................72 Hình 3.31. Phổ EDX của màng P 50W ...................................................................72 Hình 3.32: Phổ EDX của màng P 80W ....................................................................73 Hình 3.33. Phổ XRD của các màng ZnO:V theo công suất của bia V ....................73 Hình 3.34. Phổ truyền qua của các màng phụ thuộc vào công suất phún xạ của bia V ................................................................................................................................74 Hình 3.36: Sự phụ thuộc điện trở suất của màng ZnO:V theo nhiệt độ đế. ...........76 Hình 3.37: Phổ nhiễu xạ tia X của các màng VZO theo nhiệt độ đế. .....................77 Hình 3.38: Phổ truyền qua của các màng VZO theo nhiệt độ đế. .........................78 Hình 3.39: Ảnh AFM của các màng VZO theo nhiệt độ đế. ..................................79 Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng
  9. Luận văn thạc sĩ Vật lý 6 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng MỞ ĐẦU Ngày nay, việc nghiên cứu chế tạo các loại màng mỏng trong suốt dẫn điện (TCO) đã và đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới do khả năng ứng dụng vô cùng to lớn của nó trong khoa học cũng như trong đời sống hàng ngày như: cửa sổ pin mặt trời, bộ chuyển đổi áp điện, các thiết bị sóng âm bề mặt, các loại cảm biến khí, những thiết bị phát xạ ánh sáng bước sóng ngắn, màn hình hiển thị phẳng, tế bào quang điện…. Hầu hết các thiết bị nói trên đều dựa trên lớp tiếp xúc p – n, đặc biệt là lớp tiếp xúc có tính trong suốt và dẫn điện tốt. Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo các loại bán dẫn TCO loại n, loại p lần lượt được khám phá trên diện rộng. Đối với n – TCO, thông dụng nhất hiện nay là ôxít thiếc indium In2O3-SnO2 (ITO) và một số loại ôxít khác đã và đang được nghiên cứu đưa ra ứng dụng như ôxít kẽm (ZnO), ôxít kẽm pha tạp nhôm (ZnO:Al hay AZO), ôxít kẽm pha tạp gali (ZnO:Ga hay GZO), ôxít thiếc (SnO2), ôxít thiếc pha tạp antimo (SnO2:Sb)…[71]. Trong số các n – TCO nói trên thì ITO (In2O3 – SnO2) là điện cực tốt nhất. Tuy nhiên, giá thành để chế tạo ITO khá cao vì vật liệu In2O3 là vật liệu hiếm trong tự nhiên mà ITO lại cần đến 90% In2O3 trong thành phần của nó. AZO cũng có tính dẫn điện khá tốt nhưng nó lại ít bền ở nhiệt độ cao. Ngoài ra, GZO dẫn điện tốt nhưng nó cũng bị hạn chế giống với ITO là vật liệu Gali khá đắt và hiếm. Các loại điện cực như SnO2 và SnO2:Sb có độ truyền qua tốt nhưng vẫn chưa cải thiện được tính dẫn điện để có thể thay thế cho ITO [69, 88]. Màng ZnO pha tạp được chế tạo bởi nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm các phương pháp về phún xạ vật lý, phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD), phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE), phương pháp xung laser (PLD), phương pháp sol – gel,….Một trong những phương pháp hiện nay phổ biến ở nước ta là phương pháp phún xạ magnetron dc hoặc rf. Nhằm đóng góp một phần vào xu hướng phát triển chung của khoa học, Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng
  10. Luận văn thạc sĩ Vật lý 7 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng trong luận văn này, chúng tôi chế tạo màng trong suốt dẫn điện ZnO pha tạp V bằng phương pháp đồng phún xạ magnetron DC từ hai bia ZnO và bia kim loại V. Để đánh giá chính xác các tính chất quang điện, cấu trúc, độ mấp mô bề mặt của màng và thành phần pha tạp ở trên màng, chúng tôi đã sử dụng các phương pháp đo hiện đại, có độ tin cậy cao như: phương pháp UV – Vis, phương pháp nhiễu xạ tia X, phương pháp bốn mũi dò, phương pháp Stylus, phương pháp đo Hall, phương pháp lực nguyên tử AFM, và phương pháp EDX. Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng
  11. Luận văn thạc sĩ Vật lý 8 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng
  12. Luận văn thạc sĩ Vật lý 9 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ OXIT DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT, VẬT LIỆU ZnO VÀ VẬT LIỆU V. 1.1. Đặc trưng của oxit dẫn điện trong suốt (TCO). Màng oxit dẫn điện trong suốt đã và đang là đối tượng nghiên cứu thu hút rất nhiều sự quan tâm của nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới. Tính chất đặc biệt của vật liệu này là khả năng dẫn điện gần như kim loại nhưng lại trong suốt trong vùng khả kiến tương tự như các chất điện môi. Do đặc điểm này mà vật liệu TCO xuất hiện trong hầu hết các ứng dụng mà ở đó tính dẫn điện và độ trong suốt cao được đồng thời yêu cầu [26, 28, 31, 66, 71, 86]. Khả năng dẫn điện, độ trong suốt và nhiều tính chất khác phụ thuộc vào cấu trúc màng TCO được chế tạo [19]. Cấu trúc vô định hình, đa tinh thể hay đơn tinh thể, sự định hướng tinh thể, độ xếp chặt hay xốp, mức độ hợp thức và sự pha tạp trong thành phần hoá học sẽ quyết định tính chất của màng thu được. Tất cả các kết quả thực nghiệm về màng mỏng nói chung đều dẫn đến kết luận thống nhất là đặc điểm cấu trúc của một loại vật liệu màng có thể thay đổi rất lớn theo các phương pháp và điều kiện chế tạo [29]. Đó là lý do mà tại sao chúng ta thường quan sát thấy đối với một loại vật liệu màng TCO nào đó, các kết quả thực nghiệm công bố trên thế giới đôi khi có những giá trị hoặc những kết luận rất khác nhau. Ngoài ra, khi thay đổi các điều kiện chế tạo như mức độ pha tạp, nhiệt độ, nồng độ oxy, … các tính chất của màng TCO bị thay đổi. Các thông số quan trọng đặc trưng cho TCO thường được đề cập trong nghiên cứu về TCO được nêu ra như [9,35] độ dẫn điện hay điện trở suất, độ truyền qua, độ rộng vùng cấm, chỉ số hiệu dụng, công thoát , độ bền nhiệt, độ bền hóa học, tính chất ăn mòn, …. 1.1.1 Độ dẫn điện. Tính chất điện của TCO được xác định bởi nồng độ Ndc và độ linh động dc của điện tử tự do trong vùng dẫn. Mối quan hệ cơ bản giữa độ dẫn điện  hoặc điện trở suất  của môi trường đồng nhất là :  = 1/ = eNdcdc (1.1) Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng
  13. Luận văn thạc sĩ Vật lý 10 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng Độ dẫn điện tăng theo tích số nồng độ Ndc và độ linh động dc của hạt tải tự do. Nồng độ hạt tải thường được quyết định bởi mức độ hợp thức, mức độ tạp chất và trạng thái hoạt hoá của nó trong thành phần hoá học của màng. Nồng độ điện tử tự do được xác định bởi số lượng tối đa các nguyên tử tạp chất được đưa vào trong mạng tinh thể. Tuy nhiên khi đưa vào một số lượng lớn nguyên tử pha tạp trong mạng sẽ tạo nhiều sai hỏng làm giảm độ linh động, hơn nữa sẽ làm tăng sự hấp thụ của hạt tải tự do. Do đó nồng độ pha tạp không thể vượt quá một giới hạn cho phép. Độ linh động điện tử được xác định bởi các cơ chế tán xạ hạt tải có trong vật liệu màng. 1.1.2. Chỉ số hiệu dụng. Một màng TCO hiệu dụng cần có độ dẫn điện cao kết hợp với hấp thụ thấp trong vùng khả kiến. Do vậy, một phép đo thích hợp định lượng mức độ hiệu dụng của TCO là tỉ số giữa độ dẫn điện  và hệ số hấp thụ khả kiến α. Quan hệ giữa độ dẫn điện , điện trở mặt Rs và độ dày d được biểu diễn bằng biểu thức : 1  .cm  1  (1.2) Rs d Hệ số hấp thụ α có thể tính từ định luật Lamda-Beer : I = I0e-αd. Khi đó độ hấp thụ A có thể tính từ quan hệ: Io  I A  1  e  d  1  R  T (1.3) Io Với T và R là độ truyền qua và phản xạ tổng cộng trong vùng khả kiến. Trong biểu thức (1.3) giả sử đã bỏ qua sự tán xạ đối với các màng tốt. Từ (1.3) có thể rút ra biểu thức cho α như sau: ln(T  R )   (1.4) d Từ (1.2) và (1.4) chỉ số hiệu dụng: /α = - Rsln(T+R)-1 (1.5) Trong đó Rs là điện trở mặt với đơn vị / . Chỉ số hiệu dụng /α là một chỉ số thường được sử dụng để đánh giá TCO. Giá trị này càng lớn thì tính hiệu dụng của TCO càng cao. Hiện nay để nâng cao chỉ số hiệu dụng cần tìm những loại vật Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng
  14. Luận văn thạc sĩ Vật lý 11 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng liệu TCO có độ linh động hạt tải cao để có thể đạt độ dẫn điện cao mà không làm giảm độ trong suốt. 1.1.3. Độ rộng vùng cấm và công thoát. TCO thường có độ rộng vùng cấm rộng và lớn hơn 3 eV để đảm bảo độ truyền qua cao trong vùng khả kiến. Thực nghiệm và lý thuyết cho thấy giá trị của bờ hấp thụ của TCO có thể thay đổi lớn theo nồng độ hạt tải tự do theo hiệu ứng Burstein-Moss. Công thoát được định nghĩa là năng lượng cần thiết để chuyển điện tử từ mức năng lượng Fermi đến mức chân không. Có thể thấy rằng đối với các TCO, mức năng lượng Fermi sẽ thay đổi theo nồng độ pha tạp. Đối với các ứng dụng như phát quang của OLED, giá trị của công thoát của TCO ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của thiết bị khi nó đóng vai trò điện cực phun lỗ trống. Đối với các ứng dụng như pin mặt trời, các tiếp xúc bán dẫn không đồng chất, giá trị công thoát cũng là yếu tố cần phải quan tâm. Các nghiên cứu trên TCO ở khía cạnh này tập trung vào việc thay đổi trạng thái, thành phần hoá học bề mặt để thay đổi công thoát hoặc tìm kiếm vật liệu mới như vật liệu ôxít nhiều thành phần kim loại để có công thoát và độ rộng vùng cấm kiểm soát được theo mong muốn [9,69]. 1.1.4. Sự ổn định tính chất theo nhiệt độ. Ổn định tính chất theo nhiệt độ là yêu cầu cần thiết trong nhiều ứng dụng của TCO. Thông thường các TCO tăng điện trở khi bị đốt nóng ở nhiệt độ quá cao trong một thời gian dài. Khi màng TCO được sử dụng làm điện cực trong các thiết bị hiển thị, nó sẽ được xử lý ở nhiệt độ cao khoảng 300 – 5000C [9]. Quá trình xử lý nhiệt có thể được thực hiện trong điều kiện có khí trơ. Trong sản xuất công nghiệp, việc xử lý nhiệt thường được thực hiện trong môi trường khí quyển. Khi màng TCO được sử dụng như là một thiết bị nhiệt thì nó sẽ nóng lên dưới tác dụng của dụng điện bên ngoài. Do đó, màng phải ít thay đổi theo nhiệt độ và phải có sức chịu nhiệt trong môi trường ôxi hóa. Khi màng TCO được ứng dụng trong gương phản xạ nhiệt, nó sẽ được xử lý ở nhiệt độ rất cao ít nhất là 6000C trong môi trường khí quyển để uốn cong hoặc gia cường cho đế thủy tinh. Điều này đòi hỏi màng TCO Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng
  15. Luận văn thạc sĩ Vật lý 12 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng phải có độ chịu nhiệt cao trong cả môi trường chân không và môi trường bị oxy hóa. 1.1.5. Độ bền cơ học. Độ bền cơ học của TCO liên quan đến độ cứng của cấu trúc tinh thể hình thành. SnO2 cứng hơn thủy tinh và có thể tiếp xúc trực tiếp với môi trường bên ngoài. ZnO dễ bị trầy nên cần lưu ý khi sử dụng [9, 88]. 1.1.6. Chi phí sản xuất. Chi phí cho sản xuất vật liệu TCO phụ thuộc vào giá của vật liệu thô và chi phí quá trình biến nó thành màng. Chi phí cho vật liệu thô nói chung tăng theo thứ tự Cd < Zn < Sn < In. In là nguyên tố hiếm và đắt, được khai thác như sản phẩm phụ trong quặng của các kim loại như Zn và Pb. Chi phí của các phương pháp phủ màng thường theo thứ tự tăng dần như sau: CVD trong không khí < bay hơi chân không < phún xạ mangetron < CVD áp suất thấp < sol-gel < xung laser. Vận tốc của quá trình là rất quan trọng trong tính chi phí [9]. 1.2. Vật liệu ZnO. 1.2.1 Cấu trúc tinh thể ZnO. Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể ZnO ZnO có ba dạng cấu trúc: hexagonal wurtzite, zinc blende, rocksalt. Trong đó cấu trúc hexagonal wurtzite là cấu trúc phổ biến nhất. Cấu trúc hexagonal wurtzite của ZnO dựa trên liên kết đồng hóa trị của một nguyên tử với bốn nguyên Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng
  16. Luận văn thạc sĩ Vật lý 13 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng tử lân cận [5, 6, 7, 88]. Trong mỗi ô đơn vị ZnO chứa hai ion Zn2+ và ion O2-. Hằng số mạng a, c dao động khoảng 0.32495 – 0.32860 nm và 0.52069 – 0.5214 nm [7,39, 88]. Hình 1.2: Cấu trúc Wurtzite lục giác xếp chặt của mạng ZnO. Các thông số mạng của ZnO phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố:  Các điện tử tự do tập trung dọc theo đường thế năng của đáy vùng dẫn.  Nguyên tử lạ thay thế các nguyên tử chính trong mạng tinh thể, hoặc các khuyết tật điểm do các nguyên tử có thể bị mất đi.  Nhiệt độ.  Ứng suất nội. Hai đặc trưng quan trọng quan trọng của cấu trúc này đó là không có sự đối xứng trung tâm và ở các cực bề mặt. Các mặt tinh thể gồm có các ion Zn2+ và ion O2- sắp xếp theo phối vị tứ diện, các mặt tinh thể này sắp xếp luân phiên dọc theo trục c tạo nên mạng tinh thể ZnO với liên kết ion mạnh. Hệ số xếp chặt của các các ion này nằm trong khoảng 0.74. Do vậy nó chỉ chiếm khoảng 45% thể tích tinh thể và còn lại là khoảng trống tương đối rộng khoảng 0.095nm [5, 7, 39]. Sự hình thành mặt phân cực dương (Zn) và phân cực âm (O) do hai ion điện tích tạo ra, kết quả làm xuất hiện một mômen lưỡng cực phân bố ngẫu nhiên dọc theo trục c, thực nghiệm đã chứng tỏ rằng hình thái học và sự phát triển của tinh thể phụ thuộc vào trạng thái trạng thái năng lượng bề mặt của các mặt phân cực này [3, 88]. Bảng 1.1: Một số thông số của ZnO [3, 88] Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng
  17. Luận văn thạc sĩ Vật lý 14 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng Hằng số mạng (300 K) ao 0.32495 nm co 0.52069 nm co/ao 1.602 Năng lượng vùng cấm 3.4 eV (ở 300 K), tới 3.437 eV (ở 4,2 K) Khối lượng riêng 5.606 g/cm3 Điểm nóng chảy 1975oC Năng lượng liên kết exiton 60 meV Khối lượng hiệu dụng điện tử 0.24 Khối lượng hiệu dụng lỗ trống 0.59 Độ linh động elctron ở 300 K Khoảng 200 cm2/V.s Độ linh động lỗ trống ở 300 K Khoảng 5 – 50 cm2/V.s Tạp chất có thể được pha vào H, Al, In, Ga, Na… Oxygen vacancies Vo Các khuyết tật Zinc interstitials Zni 1.2.2. Khuyết tật trong cấu trúc tinh thể ZnO. Tinh thể thực tế luôn có kích thước xác định, do vậy tính tuần hoàn và đối xứng của tinh thể bị phá vỡ ngay tại bề mặt của tinh thể. Đối với những tinh thể có kích thước đủ lớn thì xem như vẫn thỏa mãn tính tuần hoàn và đối xứng của nó. Ngược lại, đối với các tinh thể có kích thước giới hạn và rất nhỏ thì tính tuần hoàn và đối xứng tinh thể bị vi phạm (cấu trúc màng mỏng, cấu trúc nano…). Lúc này, tính chất của vật liệu phụ thuộc rất mạnh vào vai trò của các nguyên tử bề mặt. Ngoài lí do kích thước, tính tuần hoàn của tinh thể có thể bị phá vỡ ở các dạng sai hỏng trong tinh thể như là: sai hỏng đường, sai hỏng mặt, sai hỏng điểm. Trong mục này ta chỉ đi khảo sát một cách định tính về loại sai hỏng quan trọng nhất trong tinh thể đó là sai hỏng điểm trong vật liệu ZnO [88]. Quá trình tạo sai hỏng trong mạng tinh thể ZnO là quá trình giải phóng một nguyên tử oxi, tạo thành các vị trí khuyết oxi (vacancy) có điện tích + 1 hoặc + 2 và Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng
  18. Luận văn thạc sĩ Vật lý 15 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng các nguyên tử Zn xen kẽ giữa các nút mạng. Người ta gọi đó sai hỏng Schottky và sai hỏng Frenkel [3, 39]. • Sai hỏng Schottky: Do thăng giáng nhiệt hoặc va chạm, một nguyên tử ở bề mặt có thể bốc hơi ra khỏi tinh thể và để lại một vị trí trống, các nguyên tử bên trong có thể nhảy vào vị trí trống đó và tạo ra một nút khuyết. Năng lượng để tạo ra một nút khuyết là nhỏ, cỡ vài eV nên mật độ nút khuyết này khá lớn. • Sai hỏng Frenkel: Do thăng giáng nhiệt, một nguyên tử có thể bứt ra khỏi vị trí cân bằng và dời đến xen giữa vào vị trí các nguyên tử khác. Như vậy hình thành đồng thời một nút khuyết và một nguyên tử xen kẽ. Năng lượng để hình thành sai hỏng này là rất lớn nên mật độ sai hỏng này thường rất nhỏ [3]. Hình 1.3. Biểu đồ mô tả hai dạng sai hỏng Schottky và Frenkel Như vậy, trong tinh thể ZnO tồn tại các vị trí trống oxi và các nguyên tử kẽm xen kẽ trong tinh thể. Các khuyết tật điểm này được cho là nguồn gốc ảnh hưởng đến các tính chất điện và quang của ZnO. Điểm khác nhau chính giữa các khuyết tật điểm trong ion chất rắn và trong kim loại là việc tạo thành, tất cả các khuyết tật đều có thể mang điện. Các khuyết tật ion là các khuyết tật điểm nó chiếm giữ các vị trí nguyên tử mạng, bao gồm các khoảng trống, các nguyên tử lạ thay thế nguyên tử chính trong tinh thể, nguyên tử lạ Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng
  19. Luận văn thạc sĩ Vật lý 16 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng sắp xếp vào vị trí xen kẽ các nguyên tử chính. Các khuyết tật điện tử là sự lệch từ các hình dạng trạng thái obital điện tử của tinh thể, được tạo thành khi các electron hóa trị bị kích thích lên các mức obital năng lượng cao hơn. Sự kích thích có thể tạo ra một electron trong vùng dẫn hoặc một lỗ trống trong vùng hóa trị của tinh thể. Trong giới hạn về vị trí không gian của khuyết tật, các khuyết tật có thể định xứ gần các nguyên tử, trong trường hợp này chúng đại diện cho sự thay đổi trạng thái ion của nguyên tử hoặc có thể chúng không được định xứ trong tinh thể và di chuyển tự do trong tinh thể. Một cách khác để thấy được việc tạo thành các khuyết tật là các phản ứng hóa học, bởi vì ở đó có sự cân bằng xảy ra. Các phản ứng hóa học khuyết tật đối với việc tạo thành các khuyết tật trong chất rắn phải tuân theo sự cân bằng về khối lượng, vị trí và điện tích. Trong trường hợp này, chúng không giống với những phản ứng hóa học bình thường, chúng chỉ tuân theo sự cân bằng khối lượng và điện tích. Cân bằng tại vị trí đó là tỉ lệ vị trí giữa các ion dương và ion trong tinh thể phải được bảo toàn, mặc dù tổng số vị trí có thể gia tăng hoặc giảm bớt. Phương trình tạo nút khuyết oxi và kẽm xen vào vị trí giữa các nút mạng mang điện tích dương +2 [3, 39] 1 Oox  O2 ( khí )  Vo  2e (1.6) 2 1 Oox  O2 (khí )  Zni  2e (1.7) 2 Phương trình tạo nút khuyết oxi và kẽm xen vào vị trí giữa các nút mạng mang điện tích dương +1 1 Oox  O2 ( khí )  Vo  1e (1.8) 2 1 Oox  O2 (khí )  Zni  1e (1.9) 2 Khi các khuyết tật được hình thành đồng nghĩa với việc hình thành các mức năng lượng khuyết tật trong vùng cấm của ZnO. Các mức năng lượng này được mô tả bởi kí hiệu Kroger – Vink như sau [9, 39] Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng
  20. Luận văn thạc sĩ Vật lý 17 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng • Các khuyết tật donor: Zni , Zni , Znix ,Vo , Vo ,Vo . • Các khuyết tật acceptor: VZn’’, VZn’. Hình 1.4. Giản đồ các mức khuyết tật của ZnO Như vậy, trong vùng cấm năng lượng xuất hiện đồng thời các mức donor và acceptor, ở đó có hai mức donor tương ứng với các giá trị năng lượng là 0.05 eV, 0.15 eV nằm rất gần với đáy vùng dẫn. Do đó với điều kiện nhiệt độ thích hợp (2000C – 4000C) các electron tự do dễ dàng chuyển lên vùng dẫn làm cho ZnO trở thành chất dẫn điện. Ngoài ra, những nút khuyết oxi trên bề mặt ZnO ở đó có hoạt tính cao về mặt điện và hóa học. Những nút khuyết này ngoài vai trò như là mức donor làm tăng đáng kể độ dẫn điện của ZnO đồng thời nó còn hoạt động như những trạng thái bẫy có khả năng bắt giữ các phân tử khí trong môi trường [5, 88]. Điều này có nghĩa là các vị trí khuyết oxi làm tăng tính nhạy hóa học cho vật liệu ZnO. Đây là một tính chất đặc biệt của ZnO để ứng dụng vào trong lĩnh vực dò khí- các cảm biến khí đối với các loại khí: CO, NH3, H2, methanol… 1.2.3. Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO. Tinh thể wurzite ZnO vùng Brillouin có dạng khối lục lăng 8 mặt. Trên biểu đồ mô tả cấu trúc vùng năng lượng E(k) của ZnO ta thấy vùng lục giác Brillouin có tính đối xứng đường khá cao, khoảng cách giữa hai dấu gạch ngang trong hình thể hiện độ rộng vùng cấm có giá trị khoảng 3.4 eV [5, 88]. Vùng hóa trị Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí
65 tài liệu
2430 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2