(LUẬN văn THẠC sĩ) khảo sát tính chất quang và điện của màng a1n được chế tạo bằng phương pháp phún xạ phản ứng DC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC –––––––––––––––––––––– NGUYỄN THỊ KHÁNH LINH KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG VÀ ĐIỆN CỦA MÀNG AlN ĐƢỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÚN XẠ PHẢN ỨNG DC LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Thái Nguyên - 2019 download by : skknchat@gmail.com ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC –––––––––––––––––––––– NGUYỄN THỊ KHÁNH LINH KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG VÀ ĐIỆN CỦA MÀNG AlN ĐƢỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÚN XẠ PHẢN ỨNG DC Ngành: Quang học Mã số: 8.44.01.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐẶNG VĂN SƠN Thái Nguyên - 2019 download by : skknchat@gmail.com ỜI CAM ĐOAN T i i h g h h Nh h h N n i h h hi g h ghi TS Đ g V g a gi g g g i h S i g h h h h h i g g ghi g i h h i ghi gi i g h i i h i i h h h hi h Thái Nguyên ng th ng n m Họ vi i download by : skknchat@gmail.com h ỜI CẢM ƠN T i g h h g ih i g g g N h ih h h i i h h h g g i TS Đ g V g h g ĐHKHTN - ĐHQG H N i i h S - N g Th Th h T T i h g V i g i i h g gh i i V X g ĐH Kh h h h H h i h ĐH Th i Ng g h ii download by : skknchat@gmail.com g h g MỤC LỤC L I AM ĐOAN i L I M ƠN ii ANH M K HI U ANH M VI T T T v NG vi ANH M M H H NH H NH V NH H P Đ TH vii ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN g 1.1 Hi u i n 1.2 V t li i n 1.3 V t li i n khơng ch a chì 1.4 Aluminium Nitride – Nhôm Nitride 11 1.5 Ứng d ng c a hi u 1.6 Ph g i n 14 ng pháp phún x 17 CHƢƠNG 2: QUY TRÌNH VÀ THỰC NGHIỆM 19 2.1 Ti n hành ch t o màng m ng AlN ph ng pháp phún x ph n ng DC 19 2.1.1 Quy trình làm s h 2.1.2 Lắ g 19 ng màng m ng AlN ph g h ng phún x ph n ng DC 19 2.2 Các ph ng pháp kh o sát v t li u 20 2.2.1 Phổ truy n qua – h p th quang h c UV-Vis 21 2 Phé 2 Phé hiễu x tia X – XRD 25 R 2.2.4 Kính hi 2.2.5 Phổ tán x 27 i i n t quét (SEM) 28 g ng tia X – EDX 29 iii download by : skknchat@gmail.com 2.2.6 Hi u ng Hall 30 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 hổ nhiễu x tia X 33 3.1 K t qu 3.1.1 Kh o sát s nh h ng c a áp su t 33 3.1.2 Kh o sát s nh h ng c a công su t 35 3.1.3 Kh o sát s nh h ng c a n g khí N2 37 3.2 Tính ch t quang c a màng m ng AlN 38 3.2.1 Các k t qu hổ h p th UV-Vis 38 3.2.2 Các k t qu hổ truy n qua 41 3.2.3 K t qu 3.3 K t qu hổ Raman 43 S M X a màng m ng AlN 44 3.3.1 nh SEM c a màng m ng AlN 44 3.3.2 K t qu phân tích EDX c a màng m ng AlN 45 3.4 Tính ch i n c a màng m ng AlN 46 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ ỤC 52 iv download by : skknchat@gmail.com ANH MỤC CÁC HIỆU CÁC CH MEMS Microelectromechanical systems (H VIẾT TẮT i i nt ) AlN Aluminium nitride Ar Argon DC Direct current PZT Lead Zirconate Titanate (Chì Zeconi Titan Oxit _ PbZrTiO3) DI Deionized Water Ion – N SEM Scanning Electron Microscope (Kính hi XRD X-ray diffraction (Nhiễu x tia X) MFC Mass flow controller (B EDS Energy dispersive spectroscopy (Phổ tán sắ g i n chi u) c kh ion i u i i n t quét) ng) g FWHM Full Width at Half Maximum Đ bán r ng) v download by : skknchat@gmail.com ng) ANH MỤC CÁC ẢNG B ng 1.1 Tính ch B ng 1.2 Ư i n c a m t s v t li i m nh i n 11 i m c a m t s ph ng pháp lắ g ng màng m ng 17 B ng 3.1 D li u chuẩn JCPDS (s 08-0262) c a AlN 35 vi download by : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC H NH H NH V Hình 1 S g mơ t Hi u g Hình 1.2 Hi u THỊ i n i n tinh th th ch anh i n khơng ch a chì có c u trúc peroveskite Hình 1.3 Ơ m ng c a g Hình 1.4 Ơ m ng c s ki u l p ph c s ki u t ph ng c a PZT ng b bi n d ng d nhi i nhi Curie (1) Ô m ng Curie (2) i n c a ZnO A) Mơ hình ngun t c a ZnO có c u trúc Hình 1.5 C ch W ẢNH CHỤP Đ zi e Đi n th Piezo khác tr kéo dãn hay nén C) Tính toán s l dây nano ZnO d ng phân b i d ng bi n d ng tr c c D) C ng h p l c tác d ng i n th ú i n g g ng 10 Hình 1.6 (a) C u trúc tinh th ; (b) Liên k t B1 B2; (c) C u trúc tinh th v i liên k t B1 B2; (d) Các m t phẳng khác c a AlN 12 ú Hình 1.7 C H h 18 N g g g h ng có th cl ng c a AlN 13 c t c th ng g ú ng, nh ng s ng trung bình 14 Hình 1.9 C u trúc thi t b chuy Hình 1.8 C i ho ổi i g g i n d ng cantilever i n b) s d ng m t l d ng l h g ng cỡ mm g m l PZT i n [26] 16 c bẻ cong c y vào gót gi y 16 Hình 1.9 Nguyên lý c a trình phún x 18 Hình 2.1 S nguyên lý phún x ph n ng DC 20 Hình 2.2 a) Máy quang phổ h p th m t chùm tia, b) Máy quang phổ h p th hai chùm tia 22 hổ h p th 22 Hình 2.3 S g h Hình 2.4 Ph T P h r ng vùng c m 24 c a v t li u bán d n 24 Hình 2.5 M g hổ h p th UV-Vis UV 2450 t i Trung tâm Khoa h c V t li u – Đ i h c Khoa h c T nhiên Hà N i 25 Hình 2.6 Minh h nh lu t Vulf-Bragg 26 Hình 2.7 H XRD D8 Advance–Bruker t i Đ i h c Khoa h c T nhiên Hà N i 26 Hình 2.8 Kính hi tr i i n t quét (SEM), vi n tiên ti n Khoa h c Công ngh g Đ i h c Bách Khoa Hà N i 29 vii download by : skknchat@gmail.com Hình 2.9 S hi u ng Hall 31 Hình 3.1 Phổ nhiễu x tia X c a màng m ng AlN v i áp su t t 6.10-3 n 1,5.10-3 Torr 33 Hình 3.2 (a) FWHM c màng m nh AlN (002) (b) kích th gAN c lắ g c tinh th AlN c a ng v i áp su t phún x khác 34 Hình 3.3 Phổ XRD c a màng m ng AlN v i i u ki n cơng su Hình 3.4 (a) FWHM c m gAN nh AlN (002) (b) kích th c lắ g h ổi 36 c tinh th AlN c a màng ng v i công su t phún x khác 37 Hình 3.5 Phổ XRD c a màng m ng AlN v i i u ki n n g khí N2 23% 33% 38 Hình 3.6 Phổ h p th c a màng m ng AlN v i công su h ổi t 60W Hình 3.7 Phổ h p th c a màng m ng AlN v i i u ki n áp su Hình 3.8 Phổ h p th c a màng m ng AlN v i n g N2 h h ổi 40 ổi 40 h Hình 3.8 Phổ truy n qua c a màng m ng AlN v i công su t ngu 60W n 120W 38 ổi t n 120W 41 h Hình 3.9 Phổ truy n qua c a màng m ng AlN có áp su Hình 3.10 Phổ truy n qua c a màng m ng AlN có n ổi t g n 7,510-3 Torr 42 khí N2 h ổi t 23% 33% 42 Hình 3.11 Phổ Raman c a màng m ng AlN lắ g g silicon 43 Hình 3.12 nh SEM b m t c a màng m ng AlN 44 H h 13 Đ dày c a màng m ng AlN phún x công su t khác (a) 60W, (b) 80W, (c) 100W (d) 120W 44 Hình 3.14 S ph thu c c dày màng m ng AlN v i cơng su t phún x 45 Hình 3.15 Phổ EDS c a màng m ng AlN i u ki n phún v i công su t 100W, th i gian phún x 60 phút áp su t phún x 6.10-3 Torr 46 viii download by : skknchat@gmail.com hổ h p th c a m u AlN phún x K t qu h công su t phún x ổi t 60W 120W g r ng vùng c m quang h c c Tauc Plot [5] h g g c m c a màng ch t o 60W 80W 100W 120 W g g c vẽ l i hình theo cơng th c r ng vùng c m quang ổi t 4.5 eV, 4.39 eV 4.35 eV v i công su g c ch t o 120W Ri g r ng vùng t lên 4.65 eV K t qu tính tốn g trùng kh p v i k t qu tính tốn c h r ng vùng c m c a màng AlN c u tr c nano v i t eV H h36 c vẽ g H h K t qu cho th g h h cc th y tinh v i c công b khác v r ng vùng c ng n 6.5 eV h S ổi m t chút v r ng vùng c th c a màng, khuy t t t, l tr g i n c u trúc tinh g x pc r ng vùng c m c a màng So sánh v i k t qu XRD hi có c u trúc t c ch t o r ng vùng c m kho ng 4.39 eV qu nghiên c công su t t 80W hh u g Hình 3.1 cho th y, m u 100W g ng v i n 4.35 eV K t qu r t phù h p v i k t c xu t b n v i c u trúc nano AlN d ng l c giác 3.2.1.2 Sự thay đổi áp suất vào độ rộng vùng cấm quang màng Đ th s ph thu c c a phổ h p th c a m u vào áp su t trình ch t o m c ch Hình 3.7, bên Hình 3.7 s ph thu c c r ng vùng c m quang vào áp su t ch t o m T ’ H h37 h i hi nh h p th c a m u có s gi 6.10-3 Torr lên 7,5.10-3 Torr Cùng v i g x h c tính tốn t công th c nh h p th v h nh h p th , ta có th c sóng ngắ h h T t phún chuy n d i nhẹ c a g g i s d ch chuy n g r ng vùng c m c a m n t 4.22, 4.24, 4.35 4.51 eV áp su t phún x gi m t 7.5, 7, 6.5 6.10-3 Torr Nh n ch ph 312 gi i thích, cơng su t phún x ng màng b i n g ion phún x v i plasma, nhi ch hh ng tr c ti p khí phù h p gi m thi u s va ch m c a h gi h u h ng màng m ng Không gi ng FWHM c a màng, s ph thu c c r ng vùng c m t l ngh ch v i áp su t phún x 39 download by : skknchat@gmail.com ổi Hình 3.7 Phổ h p th c a màng m ng AlN v i i u ki n áp su h ổi 3.2.1.3.Ả h hƣởng tỷ lệ khí đến phổ hấp thụ màng Hình 3.8 mơ t s ph thu c c a n g hổ XRD 33% h m khí N2 vào phổ h p th c a m u 3 Đ nh h p th c a m u ch t o v i n g a m u ch t o 23% N2 T g ng v i c m c a m u 4.35 eV 4.03 eV v i m u ch t o ch t o n g N2 33% h N2 r ng vùng 33% 23% N2 V i m u r ng vùng c m g n v i giá tr tham kh o kho ng 4.35 eV Hình 3.8 Phổ h p th c a màng m ng AlN v i n g N2 h 40 download by : skknchat@gmail.com ổi 3.2.2 Các kết đo phổ truyền qua Hình 3.8 Phổ truy n qua c a màng m ng AlN v i công su t ngu n DC thay ổi t 60W n 120W i Hình 3.9 phổ truy n qua c a màng m ng AlN ph 200-700 nm v i công su h m h h ổi t 60W truy n qua cao nh t t i 98% 400nm, bằ g g T h g g su t phún x h n th y, r t có th , phún x nhi u khuy t t h lắ g ng truy n qua c a truy n qua cao (80 – 98%) ph m vùng nhìn th y t ngo i có c nh h p th d c t i 250 g 120W c sóng n gi Đ truy g hi cơng su t 120W g t c sóng ~ su t c a màng m g công su t th su t c công su t 120W su t so v i g g g h g ng i u ki n công su t khác 41 download by : skknchat@gmail.com Hình 3.9 Phổ truy n qua c a màng m ng AlN có áp su h ổi t n 7,510-3 Torr Phổ truy n qua c a màng m ng AlN có áp su h Torr th hi n Hình 3.10 cho ta th y, mà g g i u (>85% vùng kh ki không hh g ổi t n 7,510-3 truy n qua cao h hi n áp su t phún x khác truy n qua c a màng Hình 3.10 Phổ truy n qua c a màng m ng AlN có n g khí N2 h 23% 33% 42 download by : skknchat@gmail.com ổi t Chúng nh n th hi h ổi tỷ l khí ph n g truy n qua c a g g h ổi Phổ truy n qua c a màng m ng AlN có n g khí N2 h ổi t 23% 33% th hi n hình 3.11 cho th y, lắ g ng màng v i tỷ l N2 th 23% g h truy n qua th p (60%), nguyên + nhân n g khí Ar g i ng phún x l n, bắn phá bia t t nên gây th A g L gA h g h p th d n gi truy n qua c g Khi g ỷ l khí lên, n g N2 33%, t phún x Al gi i g i ng N2 g gi m d gA h a màng, k t qu truy n qua c g g Chúng nh n th y, ch t o màng tỷ l khí 33% N2 cho k t qu màng su truy n qua cao (>90% vùng kh ki n) 3.2.3 Kết đo phổ Raman Hình 2.12 cho th y phổ R i n hình c a màng m ng AlN lắ g ng silicon (100) Hai c i g rõ ràng có th c quan sát t -1 phổ, m t 519 cm bắt ngu n t ch t n n silicon, m t c i khác 656 cm-1 g ng v i ch AlN c g n s th h n s chuẩn c a E2 657,4 cm-1 [7] Đi u cho th y có ng su é h màng AlN, có th gây b i s khác bi t c a h s co kéo hay giãn n nhi t gi a g Si Hình 3.11 Phổ Raman c a màng m ng AlN lắ g g 43 download by : skknchat@gmail.com silicon 3.3 Kết đo SEM E X màng mỏng AlN 3.3.1 Ảnh SEM màng mỏng AlN Hình 3.13 th hi n nh SEM quan sát b m t màng m ng AlN cho th h h c h t l n (t 200 300 x p ch t cao l tr ng Hình 3.12 nh SEM b m t c a màng m ng AlN Hình 3.13 Đ dày c a màng m ng AlN phún x công su t khác (a) 60W, (b) 80W, (c) 100W (d) 120W 44 download by : skknchat@gmail.com Hình 3.14 S ph thu c c dày màng m ng AlN v i công su t phún x 3.3.2 Kết phân tích EDX màng mỏng AlN K t qu AlN phún x h nh tính thành ph n hóa h c c a m u màng m ng công su t 100W, th i gian phún x 60 phút áp su t phún x 6.10-3 T bày h nh phổ tán sắ g g X h h Hình 3.14 Phổ EDX cho th y m u ch t n t i nguyên t c u thành nên m u g :A N t p ch h O gAN ắ g g g c ghi nh n Các m c khơng có ch a ngun t c ch t ú g nguyên t mong mu n 45 download by : skknchat@gmail.com i thành ph n Hình 3.15 Phổ EDS c a màng m ng AlN i u ki n phún v i công su t 100W, th i gian phún x 60 phút áp su t phún x 6.10-3 Torr 3.4 Tính chất điện màng mỏng AlN i n m t tính ch t quan tr ng nh t m t màng m ng bán Tính ch d n, tùy theo thơng s : i n tr su h gi h i h ng, n g g ng d ng c a m u ch t h t t i có th c th c tiễn công ngh linh ki n bán d n Hi u i h gH giú h i n tr su t, n g ng Hall c a màng m g A N silic lắ g ng h tt i nhi phịng Các thơng s ch t o màng AlN là: áp su t 6.10-3 Torr, công su t phún x 100W th i gian lắ g màng  = 8,4.10-3  g 60 hú Phé g i h dày 1,35  Đi n tr su t c a ng Hall cho th y, màng m ng AlN bán d n lo i N 46 download by : skknchat@gmail.com KẾT LUẬN ú M g g g gAN h g ằ g h g h hú ú hi h g g M g hi : gAN h ổ gh h g g M g h gAN h g h i g Khi h g ỷ a Khi h i i h h i g hi g i hh hú h i h i 002 ằ g h g g h ắ g g g g h h N2: ổi hú i g 80 - 100 W he h g 002 Khi h ổi ổi g i h h ú ổi i hh he i ú g hh g h FHWM h g g g hh g i h h gh i ổi g g h i h h g c Th h ắ g g ổi g g h h h h h hi hh g gi gh g h g g g ẽ g g h g g g ú i h h d V i g g N2 hú e h g i i 100 W i g h h h h g ỷ i g h h N2 h g h ỡ 10-3 T i g gAN h i g 80 - 23% ú g eV T 33% i hi hú f V i i h hú N2 33% g i g g i n g i hú g g g i ẽ i ằ g i h h h h ghi ổi i i i 47 download by : skknchat@gmail.com h h hằ g i h i hi i i g g g i g g h i gh g i h g h h h g hi g g g g h g h g i hi i g g g gh g Đ hi h ghi g hi ĩ h i i g i h i hh hi gi ẻ V h i hi h h i g g g 48 download by : skknchat@gmail.com TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Navaratna D.,Guo S Z., K Hayakawa,Wang X., Gerhardinger C., and Lo H 2011 “Decreased cerebrovascular brain-derived neurotrophic factor-mediated neuroprotection in the diabetic brain” i e e 60 1789–1796 [2] https://www.ossila.com/pages/sheet-resistance-measurements-thin-films [3] J I W g I R H Polymers ” S i M “Method of Experimental Physics: h 16 128 1980 [4] Mitcheson P D., Yeatman E M., Rao G K, Holmes A S.,Green T C ,(2008), Proc IEEE, 96, 1457 [5] Beeby S P., Tudor M J., White N M.,(2006), Meas Sci Technol 17, R175 [6] Honda W., Harada S., Arie T., Akita S., Takei K.,(2014), Adv Funct Mater, 24,3299 [7] Williams C B., Shearwood C., Harradine M A., Mellor P H., Birch T S , Yates R B.,(2001), IEE Proc.-Circuit Device Syst.,148, 337 [8] Kim S G., Priya S ,Kanno I., (2012) MRS Bull., 37, 1039 [9] J e Pie e ie 1880 “Dévelopment par compression de l’électricité polaire dans les cristaux hémièdres faces inclinées” Bulletin de la Société minérologique de France, 3, pp 90–93 [10] Li G 1881 “Principe de la conservation de l'électricité” A e de chimie et de physique, 24, pp 145 [11] Kao K C., (1960), "Dielectric phenomena in solids", Oxford University Pres.s [12] Tecnology Tired Tires, http://dev.nsta.org/evwebs/2014102/news/default.html [13] Nye J F (1960)," Physical Properties of Crystals", Oxford University Press, Oxford [14] Wang J.J, Meng F Y, Ma XingQiao (2010), " Lattice, elastic, plariation, 49 download by : skknchat@gmail.com and electrostrictive properties of BaTiO3 from first principles", Juarnal of Applied Physics ,108(3), pp 1-5 [15] L Y G W g L W L Zh M L X J P 2009 “Tantalum influence on ph sical properties of (K 5Na 5)(Nb −xTax)O ceramics” Materials Research Bulletin, 44, pp 284-287 [16] Europe Union, Restriction of Hazardous Substances Directive, có hi u l c 2006 t [17] https://www.physikinstrumente.com/en/primages/pi_pztcell_d4c_O.jpg [18] Zeng Q., Shi B., Li Z and Wang Z.L ( 2017), " Recent progress on Piezoelectric and Triboelectric Energy Harvesters in Biomedical Systems", Advanced Science, (7), pp 1-23 [19] Fraga M.A., Furlan H., Pessoa R.S.,Massi M., (2013), " Wide bandgap semiconductor thin films for piezoelectric ans piezoresistive MEMs sensors appled at high temperatures: an overview", Microsystem Technologies, 20 (9), pp 10-21 [20] Mylvaganam K., Chen Y., Liu W., Liu M Zhang L., (2015), " Hard thin films: Applications and challenges", Anti-Abrasive Nanocoatings, pp 543567 [21] Iqbal A., Yasin F., (2018), " Reactive Sputtering of Aluminum Nitride (002) Thin Films for Piezoelectric Applications: A review", Sensors, 18 (1789), pp 1-2 [22] Yeh C.-Y , Lu Z W., Froyen S , Zunger A.,(1992), "Zinc-Blende– Wurtzite Polytypism in Semiconductors", Phys Rev B, 46 [23] Vurgaftman I., and Meyer J R ,(2003), "Band Parameters for NitrogenContaining Semiconductors", J Appl Phys 94, pp.3675-3696 [24] Xu X H., Wu H S.,Zang C J., Jin Z H.,(2001), "Morphological properties of AlN piezoelectric thin films deposited by dc reactive magnetron sputtering", Thin Solid Films, 388, pp 62-67 [25] Christensen, N.E., Gorczyca I.,(1994), "Optical and structural properties of III-V nitrides under pressure", Phys Rev B, 50,pp 4397-4415 50 download by : skknchat@gmail.com [26] Khảo s t v chế tạo thiết bị chu ển hóa điện n ng từ vật liệu p điện dựa cấu trúc vi điện (MEMS) M h 103 99-2015 81 Q ỹ h Đ gV hi S T g N i N 02 37/2014/TT-BKHCN Mã h N g h g gh VN - TS g Đ ih Kh h T H N i) (2017) [27] Shenck N S , Paradiso J A.,(2001), Ieee Micro, 21, 30 [28] Ng ễ H Q Đ 2003 Vật liệu từ liên kim loại Nhà x gi H N i 51 download by : skknchat@gmail.com Đ ih PHỤ ỤC 52 download by : skknchat@gmail.com Đ th y tinh Si giá teflon M gAN Súng bia Si i gAN h th y tinh g 53 download by : skknchat@gmail.com i ... LINH KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG VÀ ĐIỆN CỦA MÀNG AlN ĐƢỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÚN XẠ PHẢN ỨNG DC Ngành: Quang học Mã số: 8.44.01.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐẶNG VĂN... tổng h p màng m ng AlN Mong mu n c t i g h h g h : h t o u ch t u cao g h c trình bày chi ti t h o sát tính ch t m 2.1 Tiến hành chế tạo màng mỏng AlN bằ g phƣơ g pháp phú xạ phản ứng DC 2.1.1... v i I c phún x Đ sau r a s ch c x t khơ khí N2 s y khơ nhi 90oC vòng 30 phút 2.1.2 Lắ g đọng màng mỏng AlN bằ g phƣơ g pháp đồng phún xạ phản ứng DC Chúng s d g h AN h i g h lắ g ng phún x th