Luận văn tốt nghiệp Đại học 1
SVTH: Trần Văn Thảo
Hình 17: Mô tả dụng cụ đo hệ số truyền qua của màng mỏng quang học.
Trong đó: 1 – gương cầu; 2 – nguồn sáng; 3 – ống kính; 4 – chắn sáng quay
M – đế chưa tráng phủ màng; CT – đế tráng phủ màng
QP – hệ tách chùm đơn sắc; Q/E – hệ chuyển đổi tín hiệu quang sang
tín hiệu điện; CT – bộ chỉ thị các giá trị
CT
và
M
.
Ánh sáng từ nguồn được hội tụ và đi vào máy đơn sắc, bị tán sắc bởi cách tử và
hội tụ trên khe ra. Ánh sáng đơn sắc này chia làm hai tia: Một tia đi tới mẫu để đo và
một tia còn lại thì đi đến mẫu tham chiếu như là một mẫu chuẩn. Ánh sáng truyền qua
mẫu và mẫu tham chiếu được đo bằng đầu dò Silicon photodiode và chuyển đổi từ tín
hiệu quang sang tín hiệu điện Q/E.
Hệ số truyền qua Tλ được tính theo công thức sau:
(1.15)
Trong đó:
CT
: quang năng chùm qua đế tráng phủ màng
M
: quang năng chùm qua đế chưa tráng phủ màng.
Màng ZnO có độ truyền qua khá lớn nên có thể xác định khá chính xác các thông số
quang như chiết suất n, độ dày d, hệ số tắt k,độ rộng vùng cấm… của màng mỏng
thông qua các phổ truyền qua của chúng.
Luận văn tốt nghiệp Đại học 2
SVTH: Trần Văn Thảo
Hình 18:Đường đi của ánh sáng qua màng.
ZnO là bán dẫn có độ rộng vùng cấm tương đối lớn (3,3 - 4 eV) và có độ truyền
qua cao (>80%) trong vùng ánh sáng khả kiến (0,4 < λ< 0,8 µm). Độ truyền qua giảm
mạnh khi λ< 0,4 µm do sự hấp thụ riêng của bán dẫn.
1.8. Cấu trúc ZnO
1.8.1.Cấu trúc tinh thể của ZnO.
Hầu hết các hợp chất bán dẫn hai cấu tử II-VI kết tinh ở dạng lập phương zinc-
blende (B3) hoặc sáu phương wurtzite (B4) với mỗi anion được bao quanh bởi 4
cation tại các đỉnh của tứ diện và ngược lại. Ở nhiệt độ phòng, wurtzite là dạng ổn
định nhiệt động, trong khi đó dạng zinc-blende chỉ có được khi kết tinh trên đế có cấu
trúc lập phương, và dạng rocksalt (NaCl-B1) chỉ tồn tại ở áp suất cao. ZnO wurtzite
dạng sáu phương có cấu trúc xếp chặt như sau:
Luận văn tốt nghiệp Đại học 3
SVTH: Trần Văn Thảo
Hình 19
Trong cấu trúc wurtzite, các ion O2- và Zn2+ thay phiên xếp chồng lên nhau
theo mạng lục giác xếp chặt, trong đó mỗi anion được bao quanh bởi 4 cation và
ngược lại. Các ion Zn2+ chiếm phân nửa số vị trí tứ diện trong mạng này. Số phối trí 4
này đặc trưng cho liên kết cộng hoá trị sp3, tuy nhiên ZnO có bản chất liên kết chính
là liên kết ion (62%) [17,19]. Hằng số mạng a = 3,246 A0 và tỷ lệ trục c/a=1,602. Các
nút khuyết ôxy trong mạng là nguyên nhân làm cho ZnO mang tính bán dẫn loại n.
Độ dẫn điện của màng ZnO nhiều khi không đủ cao để đáp ứng trong một số
thiết bị. Để tăng thêm tính dẫn điện của màng ZnO ta phải tìm cách pha tạp. Chất pha
tạp thường là các nguyên tố nhóm III trong bảng hệ thống tuần hoàn như Al, Ga…
Việc lựa chọn chất pha tạp phụ thuộc vào phương pháp tạo màng, điều kiện tạo màng
và mục đích sử dụng. Khi pha tạp nhôm (Al) vào mạng ZnO, nồng độ hạt tải electron
tăng lên và vật liệu dẫn điện tốt hơn.
Trong các thiết bị sử dụng vật liệu ZnO, cấu trúc tinh thể màng là một đặc tính
quan trọng. Ví dụ, màng ZnO cần phải định hướng chủ yếu theo trục c vuông góc với
bề mặt đế trong các bộ chuyển đổi sóng dọc (longitudinal bulk wave transducers) và
bộ lọc sóng âm bề mặt (SAW filters). Sự định hướng tinh thể theo một phương mong
muốn phụ thuộc vào điều kiện chế tạo và bản chất của vật liệu làm đế. Với những điều
kiện chế tạo thích hợp, màng ZnO thường có định hướng theo trục c ngay cả khi màng
được tráng phủ trên đế thuỷ tinh. Điều đó được lí giải vì sắp xếp theo phương này tạo
cho màng có độ xít chặt cao nhất.Theo Ohyama, nhiệt độ sôi của dung môi ảnh hưởng
lớn đến định hướng tinh thể màng. Dung môi có nhiệt độ sôi cao (2-methoxyethanol)
cho phép sự hồi phục cấu trúc trước khi hình thành màng, do đó màng có thể định
hướng tinh thể tốt chủ yếu theo trục c.
Luận văn tốt nghiệp Đại học 4
SVTH: Trần Văn Thảo
1.8.2. Sự tạo sai hỏng trong tinh thể chất bán dẫn ZnO.
Trong phần trên ta đã xét cấu trúc mạng tinh thể ZnO lý tưởng, tức là mạng
trong đó toàn bộ các phần tử cấu tạo nên vật rắn nằm ở các vị trí nút mạng đều tuân
theo qui luật đối xứng, tuần hoàn trong không gian tinh thể. Tuy nhiên trong tinh thể
thực luôn tồn tại các sai hỏng trong cấu trúc.
1.8.3. Sai hỏng điểm trong cấu trúc.
Trong tinh thể ZnO thực luôn có những nguyên tử (hoặc ion) có khả năng bật
ra khỏi vị trí cân bằng (vị trí nút mạng) và đi vào vị trí xen kẽ giữa các nút mạng, hoặc
dời khỏi mạng tinh thể, để lại một vị trí trống (nút khuyết) ở nút mạng cân bằng cũ.
Có 2 dạng sai hỏng điểm (point defects):
-Sai hỏng Frenkel: nguyên tử dời khỏi nút mạng và xen lẫn giữa mạng, để lại
nút khuyết tại vị trí nút mạng (không có nguyên tử).
-Sai hỏng Schottky: nguyên tử dời khỏi mạng tinh thể, để lại nút khuyết ở nút
mạng.
Hình 20: Mô tả sai hỏng trong cấu trúc tinh thể.
Khi T> 0K, xét về mặt năng lượng, trong các tinh thể thực luôn tồn tại sai hỏng
điểm, điều này có thể chứng minh như sau. Gọi số nút khuyết trong mạng tinh thể là n,
trạng thái bền vững nhiệt động của hệ cân bằng với n nút khuyết tương đương với cực
tiểu năng lượng Gibbs :
(1.16)
Nếu gọi Es là năng lượng tạo một nút khuyết kiểu Schottky, có thể viết :
Luận văn tốt nghiệp Đại học 5
SVTH: Trần Văn Thảo
(1.17)
,
dd ch
S S
: Biến đỏi Entropy dao động và Entropy cấu hình, gây nên do sự tạo nút
khuyết trong mạng tinh thể.
k - hằng số Boltzman (k=1,38062.10-23J/K)
W -xác suất của n nút khuyết trong N nút mạng.
(1.18)
Trong vật lý chất rắn, ta thường tính Entropy dao động :
(1.19)
Z trị số xấp xỉ số chỗ trống nguyên tử trong khoảng tần số dao động từ ν đến ν1.
Theo công thức tính xấp xỉ Sterling , x!
xlnx-xcó thể viết :
lnW=N lnN - (N-n)ln(N-n)nln(n) (1.20)
Thay vào công thức tính
G ở trên, ta có:
(1.21)
Lấy vi phân
G theo n ta có :
(1.22)
Kết hợp với giả thuyết ban đầu, khi cân bằng
0
G
n
có thể tính số nút khuyết n: