Nghiên cứu áp dụng một số phương pháp hạt nhân nguyên tử trong phân tích vật liệu TiO2SiO2 sử dụng chùm ion từ máy gia tốc.

Nghiên cứu áp dụng một số phương pháp hạt nhân nguyên tử trong phân tích vật liệu TiO2SiO2 sử dụng chùm ion từ máy gia tốc.Nghiên cứu áp dụng một số phương pháp hạt nhân nguyên tử trong phân tích vật liệu TiO2SiO2 sử dụng chùm ion từ máy gia tốc.Nghiên cứu áp dụng một số phương pháp hạt nhân nguyên tử trong phân tích vật liệu TiO2SiO2 sử dụng chùm ion từ máy gia tốc.Nghiên cứu áp dụng một số phương pháp hạt nhân nguyên tử trong phân tích vật liệu TiO2SiO2 sử dụng chùm ion từ máy gia tốc.Nghiên cứu áp dụng một số phương pháp hạt nhân nguyên tử trong phân tích vật liệu TiO2SiO2 sử dụng chùm ion từ máy gia tốc.Nghiên cứu áp dụng một số phương pháp hạt nhân nguyên tử trong phân tích vật liệu TiO2SiO2 sử dụng chùm ion từ máy gia tốc.Nghiên cứu áp dụng một số phương pháp hạt nhân nguyên tử trong phân tích vật liệu TiO2SiO2 sử dụng chùm ion từ máy gia tốc.Nghiên cứu áp dụng một số phương pháp hạt nhân nguyên tử trong phân tích vật liệu TiO2SiO2 sử dụng chùm ion từ máy gia tốc.Nghiên cứu áp dụng một số phương pháp hạt nhân nguyên tử trong phân tích vật liệu TiO2SiO2 sử dụng chùm ion từ máy gia tốc.Nghiên cứu áp dụng một số phương pháp hạt nhân nguyên tử trong phân tích vật liệu TiO2SiO2 sử dụng chùm ion từ máy gia tốc.Nghiên cứu áp dụng một số phương pháp hạt nhân nguyên tử trong phân tích vật liệu TiO2SiO2 sử dụng chùm ion từ máy gia tốc.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - TRẦN VĂN PHÚC NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ TRONG PHÂN TÍCH VẬT LIỆU TIO2/SIO2 SỬ DỤNG CHÙM ION TỪ MÁY GIA TỐC Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử hạt nhân Mã số: 9440106 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ Hà Nội - 2023 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: GS.TS Lê Hồng Khiêm – Viện Vật Lý, VHLKH&CNVN Người hướng dẫn khoa học 2: TS Miroslaw Kulik – Viện Liên Hiệp Nghiên Cứu Hạt Nhân (JINR), Dubna, Liên Bang Nga Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: … Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … … ngày … tháng … năm 202… Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Trong ứng dụng kỹ thuật dùng chùm tia ion nhằm biến tính vật liệu, cấy ion xem phương pháp thông dụng Bằng việc cấy chùm ion, cấu trúc tính chất loại vật việu biến đổi cách có kiểm sốt Đối với vật liệu nhiều lớp, vật chất bia chiếu loại ion phù hợp, trộn lẫn ion (ion beam mixing – IBM) xảy vùng tiếp giáp lớp vật liệu điều kiện thực nghiệm bình thường Trộn lẫn ion trở thành phương pháp biến đổi tính chất vật liệu nhiều lớp hiệu quả, thay đổi đạt phương pháp truyền thống khác lắng đọng xử lý nhiệt Trong thực tế, IBM thường ứng dụng để tạo loại vật liệu đa lớp đơn tinh thể vơ định hình bền siêu bền Các nghiên cứu chế ứng dụng IBM loại vật liệu khác thường tiến hành cấu trúc kim loại/kim loại, kim loại/silicon, kim loại/oxit Tuy nhiên, chế IBM ảnh hưởng đến biến đổi tính chất vật liệu cấy ion chưa nghiên cứu cách đầy đủ Sự phụ thuộc IBM vào liều lượng ion, lượng ion để lại tính tốn dự đốn mơ hình trộn lẫn Đồng thời, kết hợp tối ưu độ dày lớp vật liệu thông số chùm tia ion làm tăng hiệu trộn lẫn nguyên tử Tuy nhiên, IBM hàm đơn lượng khối lượng ion, việc tìm kết hợp tối ưu hiểu chế tương tác IBM thông qua mơ hình trộn lẫn trở nên khó khăn Ngoài ra, khác với loại cấu trúc kim loại/kim loại, kim loại/silicon, hay kim loại/oxit, chế trộn lẫn ion nghiên cứu cụ thể tương đối đa dạng, liệu hệ oxit/oxit cịn rải rác Trong khoảng lượng 100 - 250 keV, chưa có khảo sát ảnh hưởng lượng khối lượng ion đến trộn lẫn nguyên tử thay đổi tính chất vật liệu oxit/oxit Do đó, chế ứng dụng tiềm trộn lẫn ion để thay đổi đặc tính hệ oxit/oxit chưa xác định đầy đủ Tương đối cấu trúc vật liệu nghiên cứu phạm vi điều kiện thực nghiệm bị hạn chế Về nguyên tắc, khó dự đoán mức độ trộn lẫn ion gây hầu hết phản ứng oxit-oxit khơng tỏa nhiệt cao khơng thu nhiệt cao Ngồi ra, trộn lẫn ion có thúc đẩy việc tạo hỗn hợp oxit thủy tinh phân tách pha oxit hay không chưa biết Những yếu tố có ảnh hưởng lớn đến việc tăng cường độ bám dính sinh từ q trình trộn lẫn ion Do đó, chế trộn lẫn chiếu xạ ion gây liên quan đến biến đổi tính chất vật liệu oxit/oxit vấn đề quan trọng cần nghiên cứu nhiều khía cạnh, loại vật liệu khác Luận án hướng tới việc xác định rõ đặc tính q trình trộn lẫn ion vai trị tương đối động học trình trộn lẫn cấu trúc hai lớp oxit/oxit Trong số lớp phủ kép tự làm chống phản xạ cho pin mặt trời chẳng hạn Al2O3 /SiO2, TiO2/SiO2 hay Si3N4/MgF2, vật liệu sử dụng phổ biến TiO2/SiO2 khả bám dính truyền qua cao chúng Một mặt, SiO2 coi đạt đặc tính chống phản xạ cao chiết suất vật liệu điều chỉnh Mặt khác, TiO2 thể tính chất tự làm có hai tượng quang: xúc tác quang tính ưa nước quang cảm ứng Các nghiên cứu chứng minh lớp phủ TiO2 SiO2 pin mặt trời làm giảm phản xạ từ 36% đến 15% với lớp phủ đơn SiO2, 7% với lớp phủ kép TiO2/SiO2 Trong trình sử dụng bình thường, TiO2/SiO2 cần phải chống lại xâm thực môi trường xảy Việc kiểm sốt số khúc xạ (n) lớp phủ điểm mấu chốt để đạt hiệu suất chống phản xạ tốt Điều có nghĩa chiết suất phải khơng đổi theo thời gian, độ hấp thụ vật liệu mặt phân cách phải thấp Do đó, xác định hình thành mặt phân cách độ dày chúng đóng vai trò quan trọng Trên thực tế, độ dày vùng phân cách vật liệu kiểm sốt tốt IBM Tuy nhiên, q trình cần thiết để trộn lẫn cấu trúc oxit/oxit dẫn đến sai hỏng tinh thể đáng kể, điều có ảnh hưởng lớn khó chấp nhận hầu hết ứng dụng màng mỏng Do đó, để xác định cách tổng thể trạng thái cấu trúc TiO2/SiO2 chiếu ion, nghiên cứu sai hỏng xạ gây thay đổi tương ứng đặc tính bề mặt cần thiết Mục tiêu nghiên cứu luận án - Mục tiêu luận án nắm nguyên lý, trình thực nghiệm ứng dụng phương pháp đo phổ tán xạ ngược Rutherford (RBS) phân tích vật liệu, đặc biệt vật liệu đa lớp Tiếp cận vấn đề khoa học hướng nghiên cứu đại theo định hướng sử dụng chùm tia ion biến đổi phân tích vật liệu có tính ứng dụng cao - Đề tài tập trung mô tả phân tích tượng trộn lẫn xảy bề mặt vật liệu TiO2/SiO2 sau cấy ion phương pháp RBS Khảo sát biến đổi mức độ trộn lẫn thơng qua đo đạc thực nghiệm mà mơ hình lý thuyết khơng thể dự đốn được, giải thích tượng mơ Monte Carlo Ngồi ra, luận án tập trung phân tích đặc tính hóa học quang học hệ TiO2/SiO2 sau cấy ion phương pháp Quang điện tử tia X (XPS) Quang phổ Ellipsometry (ES) Các nội dung nghiên cứu luận án i) Mơ tả thay đổi cấu trúc vật liệu TiO2/SiO2/Si, bao gồm lớp chuyển tiếp TiO2 SiO2 gây ion khí dải lượng 100 - 250 keV phép đo phổ tán xạ ngược Rutherford - phương pháp phân tích sử dụng chùm tia ion ii) Khảo sát phụ thuộc trộn lẫn nguyên tử ion mặt phân cách TiO2/SiO2 vào lượng khối lượng ion đối tới với lớp vật liệu có độ dày khác iii) Giải thích chế trộn lẫn ion phương diện động học vận chuyển nguyên tử mô SRIM iv) Nghiên cứu ảnh hưởng thay đổi thành phần hóa học gây chùm ion đến mức độ trộn lẫn nguyên tử theo lượng ion phương pháp XPS v) Khảo sát biến đổi thông số quang học vùng chuyển tiếp TiO2/SiO2 chiếu chưa chiếu ion theo hàm lượng ion phương pháp ES CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Biến đổi vật liệu gây ion lượng thấp trình trộn lẫn ion Trong trình chiếu ion mức lượng thấp (thông thường với ion nặng), cấu trúc thành phần lớp bề mặt vật liệu bị biến đổi đáng kể Có bốn q trình diễn q trình chiếu (Hình.1.1) bao gồm: cấy ion – đưa vào vật liệu loại nguyên tử mới; sai hỏng xạ dịch chuyển nguyên tử mẫu; trộn lẫn ion - thúc đẩy khuếch tán di chuyển loại nguyên tử; phún xạ - bứt nguyên tử bề mặt Thành phần gần bề mặt mẫu thay đổi đáng kể cách cấy ion (Hình.1.1a) kỹ thuật sử dụng rộng rãi để biến đổi tính chất vật liệu Khi ion lượng va chạm hạt nhân với nguyên tử bia, nhiều nguyên tử bị dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu chúng Các nguyên tử bia giật lùi từ va chạm tự mang theo đủ lượng để gây dịch chuyển thứ cấp, tạo thác va chạm ảnh hưởng đến nhiều nguyên tử khoảng cách xa đường di chuyển ion ban đầu (Hình.1.1b) Chiếu ion thúc đẩy khuếch tán thông qua hiệu ứng va chạm gia tăng nhiệt độ cục vùng chiếu xạ (Hình.1.1c) Trộn lẫn ion thành phần nguyên tử q trình khai thác cách hữu ích để phát triển vật liệu thay đổi hợp chất q trình phân tích dùng chùm tia ion, đặc biệt sử dụng hàm lượng ion nặng cao Các tính độc đáo trộn lẫn ion tính chọn lọc không gian, không yêu cầu xử lý nhiệt Sự phún xạ kèm với thác va chạm khiến nguyên tử bia bị bứt (Hình 1.1d) Phún xạ phương pháp quan trọng để loại bỏ có kiểm sốt lớp bề mặt khỏi chất rắn Hình.1.1 Sơ đồ minh họa bốn trình biến đổi chất rắn chùm tia ion 1.2 Khái niệm trộn lẫn ion Trộn lẫn ion trình nguyên tử khuếch tán qua mặt phân cách hai vật liệu ảnh hưởng chùm ion Khi ion tới tương tác với hạt nhân điện tử chất rắn, chúng để lại lượng Sự hình thành thác nguyên tử bị dịch chuyển tác động việc truyền lượng đến nguyên tử bia Nếu lượng ion đủ lớn để xuyên qua mặt phân cách hai vật liệu A B, nguyên tử giật lùi tạo gần mặt phân cách có đủ lượng để xuyên qua mặt phân cách đó, dẫn đến trộn lẫn nguyên tử A B vùng phân cách Có ba loại cấu hình mẫu sử dụng phổ biến nghiên cứu trộn lẫn ion Với loại cấu hình thứ nhất, chất tạo (maker) mỏng nguyên tố A đặt hai lớp vật liệu B Cấu trúc vật liệu biến đổi theo mở rộng tạp chất A ma trận tạo thành phần lớn từ nguyên tử B, với độ dày thông thường lớp A khoảng nm Dạng cấu hình thứ hai, màng mỏng nguyên tố A phủ lên vật liệu đế B Trong trình chiếu ion, A B tạo thành cặp khuếch tán, tự tạo thành pha rắn liên tục, pha trung gian hợp chất Kiểu cấu hình thứ ba tạo thành từ lớp mỏng xen kẽ vật liệu A B với độ dày tổng nhỏ quãng chạy ion Để hợp với lớp bên cạnh, nguyên tử A (hoặc B) phải dịch chuyển kích thước vài nguyên tử Trong luận án này, cấu hình lớp kép sử dụng cho nghiên cứu trộn lẫn ion Quá trình liên quan đến trộn lẫn ion lượng thấp minh họa sơ đồ Hình.1.2 Khi ion xuyên qua lớp A để đến vật liệu khối B, lượng va chạm với nguyên tử bia, nguyên tử nhận đủ lượng để dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu chúng Nguyên tử bị dịch chuyển sau tạo nhiều va chạm với nguyên tử khác để tạo dòng thác nguyên tử dịch chuyển Sự dịch chuyển xảy gần mặt phân cách lớp A vật liệu khối B tạo nên vùng hỗn hợp A B Sự thay đổi thành phần đạt trộn lẫn ion mặt phân cách A-B, A B biểu thị vật liệu khác tạo nhanh nhiều so với trình cấy ion nguyên tố A vào vật liệu B Hình 1.2 Cơ chế hình thành lớp chuyển tiếp trình chiếu xạ ion Các tác động va chạm ion nguyên tử chia thành hai chế dựa thang thời gian: hiệu ứng nhanh (∼ vài ps) gọi trộn lẫn đạn đạo (ballistic mixing) bao gồm cấy giật lùi (recoil implantation) thác trộn lẫn (cascade mixing); hiệu ứng chậm (vượt vài ns) gọi trộn lẫn nhiệt bao gồm khuếch tán tăng cường xạ nhiệt độ cao khuếch tán tăng đột biến nhiệt nhiệt độ thấp Trong nghiên cứu này, đóng góp cấy giật lùi thác trộn lẫn vào trình trộn lẫn ion khảo sát Trong nghiên cứu trộn lẫn ion, phụ thuộc mức độ trộn lẫn vào liều lượng ion ∅ lượng để lại đơn vị độ sâu FD xác định rõ ràng nghiên cứu thực nghiệm sử dụng phương pháp RBS tính tốn dựa mơ hình lý thuyết Tuy nhiên, việc lựa chọn mơ hình trộn lẫn phù hợp phụ thuộc vào thông số chùm ion đặc tính cấu hình vật liệu Mức độ trộn lẫn không phụ thuộc trực tiếp vào yếu tố nhiệt độ mẫu, trạng thái điện tích ion, lượng ion khối lượng ion Ảnh hưởng thông số đến trộn lẫn ion cấu hình vật liệu khác thực dựa đo đạc thực nghiệm Hơn nữa, hầu hết nghiên cứu trộn lẫn ion gây đề cập đến lớp kim loại phủ oxit, polyme, chất bán dẫn kim loại Các trạng thái trộn lẫn khả chúng việc thay đổi đặc tính bề mặt cấu trúc oxit/oxit chưa nghiên cứu cách đầy đủ Trong luận án này, IBM cho hệ TiO2/SiO2 khảo sát thực nghiệm phương pháp RBS Mức độ trộn lẫn lớp TiO2 SiO2 với độ dày khác tính toán theo hàm lượng khối lượng ion Ngoài ra, biến thiên số quang vùng trộn lẫn TiO2/SiO2 sau cấy kiểm tra phương pháp ES Dựa phép đo XPS, thay đổi thành phần hóa học lớp gần bề mặt xác định, lần đầu tiên, phụ thuộc mức độ trộn lẫn ion vào biến đổi hóa học khảo sát theo lượng ion CHƯƠNG CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1 Cấy ion Cấy ion chứng tỏ tính ưu việt so với kỹ thuật khuếch tán công nghệ mạch tích hợp khả kiểm sốt xác mà mang lại mức pha tạp độ dày lớp pha tạp Ngoài ra, phương pháp có khả tái tạo tốt sử dụng để pha tạp khu vực chọn quy trình che chắn Bản chất tương tác cấy ion khiến trở thành kỹ thuật phản ứng mạnh q trình khơng cân bằng, gây trật tự tinh thể sai hỏng xạ Trong số trường hợp tác hại việc chiếu xạ không mong muốn loại bỏ cách ủ nhiệt, thông thường cấy ion chứng minh có lợi Trộn lẫn chùm ion ứng dụng đặc biệt cấy ion sai hỏng xạ sử dụng việc chế tạo biến đổi đặc tính vật liệu Phương pháp ứng dụng việc tạo hợp chất ổn định, hợp kim giả bền hợp kim siêu bão hịa Ngồi ra, có khả cải thiện khả chống mài mòn ăn mòn kim loại Trong chất bán dẫn, trộn lẫn ion sử dụng phương pháp để kết hợp tiếp điểm lớp kim loại với chất bán dẫn chứng minh hữu ích phân tán tạp chất trước tạo màng Với mục tiêu nghiên cứu luận án, hai nhóm vật liệu có cấu trúc TiO2/SiO2/Si với độ dày lớp khác khảo sát Sự trộn lẫn nguyên tử mặt phân cách TiO2/SiO2 tạo cách cấy mẫu với bốn loại ion khí khác Ne+, Ar+, Kr+ Xe+ bốn lượng khác 100, 150, 200 250 keV Đối với lần cấy, cường độ chùm tia ion tới cố định 3×1016 (ion/cm2) Các ion khí sử dụng chúng khơng tạo liên kết hóa học với nguyên tử bia trình tương tác, mẫu vật liệu bị thay đổi cấu trúc vật lý Với loại ion này, lượng lựa chọn cho ion tương tác với nguyên tử mẫu mặt phân cách TiO2 SiO2 2.2 Phương pháp đo phổ tán xạ ngược Rutherford (RBS) RBS phương pháp phân tích hạt nhân áp dụng phổ biến phân tích lớp gần bề mặt chất rắn Phương pháp dựa sở trình tán xạ đàn hồi ion tới mang lượng nguyên tử có mặt mẫu vật khảo sát RBS cho phép xác định thành phần, hàm lượng phân bố độ sâu nguyên tố có mặt mẫu Phân bố theo độ sâu nguyên tố thu thông qua việc phân tích phổ lượng RBS, cho phép xác định biến đổi hàm lượng nguyên tố theo độ sâu cách xác bậc nano mét Do ngồi khả xác định thơng tin lớp mỏng đồng nhất, RBS có khả phân tích cấu trúc mỏng nhiều lớp biến đổi mặt phân cách chúng.Trong luận án này, phương pháp RBS thực để mô tả xác định mức độ trộn lẫn nguyên tử cấu trúc TiO2/SiO2 Các phép đo tiến hành máy máy gia tốc Van de Graff nhóm EG-5, phịng thí nghiệm Vật lý Neutron, JINR, Dubna, Nga Sau trình gia tốc tới lượng 1.5 MeV, chùm ion qua hệ thống nam châm để thay đổi hướng từ vng góc sang song song với mặt sàn Chùm tia sau định hướng góc 600 so với pháp tuyến bề mặt mẫu Ngay trước vào buồng chân không đặt bia, chùm tia có đường kính gần mm Trong buồng chân không, mẫu đặt giá đỡ, giá đỡ thiết kế để kết nối với tích hợp dịng điện để theo dõi dịng chùm tia Trong trình bắn phá, hạt bị tán xạ ngược ghi nhận đầu dò chắn bề mặt đặt góc tán xạ 1700 buồng chân không 2.3 Phương pháp quang phổ Ellipsometry (ES) Các thí nghiệm ES luận án thực Viện công nghệ điện tử Warsaw, Ba Lan sử dụng hệ phân tích elip xoay (RAE) Các góc elip Ψ (λ) Δ (λ) đo với bước sóng ánh sáng từ 250 nm đến 1100 nm, với bước nm sáu góc tới khác (tức góc hướng chùm ánh sáng tới trục vng góc bề mặt mẫu), cụ thể 700, 720, 740, 760 780 800 Khi tất thí nghiệm SE hồn thành, tất góc đo Ψ (λ) Δ (λ) sử dụng làm đầu vào để tính tốn phổ Ψ (λ) Δ (λ) cách sử dụng phép đo elip nhiều góc tới (phương pháp MAIE) Để phân tích thơng số quang học hệ TiO2/SiO2/Si chiếu xạ, mơ hình quang học bốn lớp xây dựng Bao gồm lớp đế Si, lớp SiO2, lớp TiO2 lớp phân cách SiO2 TiO2 Giả thiết tất lớp đồng ranh giới vật liệu tách biệt rõ ràng Độ dày nồng độ hợp chất lớp vật liệu thông số tự do, giá trị chúng xác định cách làm khớp với phổ Ψ (λ) Δ (λ) thực nghiệm Sau biết giá trị tất tham số mơ hình, chiết suất n hệ số tắt k mẫu khảo sát xác định phương pháp xấp xỉ trung bình hiệu dụng (EMA) 2.4 Phương pháp quang phổ quang điện tử X-ray (XPS) Trong thực nghiệm XPS, mẫu chiếu tia X lượng thấp để kích hoạt hiệu ứng quang điện, nguyên tử bề mặt bị kích thích electron Phổ lượng electron quang điện xác định quang phổ điện tử có độ phân giải cao Phát xạ quang điện cung cấp thông tin lượng liên kết electron, trạng thái hóa học, trạng thái điện tử thành phần định lượng hợp chất Việc ghi đo động electron quang điện bị kích thích cho phép xác định lượng liên kết chúng từ lượng tia X biết Phổ đo bao gồm đỉnh tương ứng với mức lượng điện tử vật liệu Trong luận án này, phương pháp XPS sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng thực nghiệm thay đổi thành phần hóa học gây xạ ion đến mức độ trộn lẫn cấu trúc TiO2/SiO2 theo hàm lượng ion Phổ XPS ghi khoảng lượng 450 eV - 462 eV, dải lượng biểu thị lượng liên kết electron Ti 2p CHƯƠNG TÁC ĐỘNG CỦA NĂNG LƯỢNG VÀ KHỐI LƯỢNG ION ĐẾN TRỘN LẪN CẤU TRÚC TIO2 /SIO2 VỚI ĐỘ DÀY KHÁC NHAU 3.1 Mơ tả mẫu q trình trộn lẫn ion Phổ RBS mẫu có cấu trúc lớp mỏng (nhóm 1) trước sau chiếu ion Kr+ 100, 150, 200 250 keV khảo sát điển hình cho biến đổi cấu trúc TiO2/SiO2/Si sau chiếu loại ion khác Sự có mặt O Ti lớp gần bề mặt mẫu Hình 3.1 mũi tên thẳng đứng vào cạnh lượng cao đỉnh tương ứng 530 1100 keV Trong Hình 3.1, Si lớp đế lớp Xe+ theo hàm lượng ion Nhìn chung, FWHM đỉnh Ti mẫu cấy giảm so với mẫu tinh khiết FWHM giảm cho thấy suy giảm hàm lượng Ti cuối lớp TiO2 Giả sử tượng phún xạ bỏ qua số lượng nhỏ chúng, nên hàm lượng Ti giảm gây nguyên tử di chuyển phía đế Si (dịch chuyển vào trong) sau bị bắn phá ion Điều dẫn đến thu hẹp lớp TiO2 tinh khiết mở rộng lớp chuyển tiếp TiO2/SiO2 phía bề mặt mẫu (trộn lẫn hướng ngoài) Khi lượng ion tăng, FWHM giảm mẫu cấy ion Ne+, Ar+ Kr+ Trong dải lượng 100 - 250 keV, FWHM giảm từ -15,6% xuống -18,9%; -13,0% đến -14,1% -1,7% đến -6,8% mẫu cấy ion Ne+, Ar+, Kr+ tương ứng Tuy nhiên, FWHM tăng từ -29,23% lên -24,10% mẫu chiếu ion Xe+ Trong nghiên cứu trộn lẫn ion A.M Ibrahim cho hệ Bi/Sb khảo sát biến thiên giá trị Δ(FWHM), kết cho thấy trình trộn lẫn diễn nhanh lượng tăng đến 80 keV, sau giảm chậm tăng dần lượng ion Mức độ trộn lẫn tăng lên cho thấy mở rộng lớp phủ bề mặt phía đế dịch chuyển nguyên tử vào Tuy nhiên, luận án này, FWHM mẫu cấy giảm so với mẫu tinh khiết, tương ứng với q trình trộn lẫn hướng ngồi Đối với hệ TiO2/SiO2, dịch chuyển nguyên tử trở nên phức tạp tồn oxy vùng chuyển tiếp từ hai vật liệu Hơn nữa, tồn lớp chuyển tiếp ban đầu TiO2 SiO2, độ dày vùng trộn lẫn sau chiếu ion bị thay đổi theo hai hướng vào ngồi Do đó, thay đổi độ dày lớp TiO2, biểu thị Δ(FWHM), khơng hồn tồn định lượng q trình trộn lẫn D(WFHM) -2 -4 -6 Ne Ar Kr Xe -8 -10 -12 50 100 150 200 250 Energy of irradiating ion [keV] Hình.3.2 Sự biến thiên theo lượng ion Δ(FWHM) đỉnh Ti từ phổ RBS mẫu chiếu Ne+, Ar+, Kr+ Xe+ Để khảo sát triệt để hơn thay đổi mức độ trộn lẫn liên quan đến dịch chuyển vào bên hàm lượng ion xạ, độ dày tương đối 𝑟𝑡 lớp chuyển tiếp TiO2/SiO2 tính tốn, với 𝑟𝑡 xác định 10 𝑟𝑡 = 𝑡𝑖𝑚 − 𝑡𝑣𝑖𝑟 , 𝑡𝑣𝑖𝑟 Relative thickness rt [a.u] 𝑡𝑣𝑖𝑟 𝑡𝑖𝑚 độ dày lớp chuyển tiếp trước sau cấy ion Vai trò lượng ion ảnh hưởng đến mức độ trộn lẫn xác định cách khảo sát 𝑟𝑡 lượng khác từ 100 đến 250 keV Sự gia tăng độ dày tương đối theo lượng ion thấy Hình.3.3 tất loại ion Điều lượng truyền tới nguyên tử giật lùi lớp chuyển tiếp ion tỷ lệ với lượng ban đầu chúng Vì ion lượng cao dịch chuyển nguyên tử quãng đường xa mẫu, mở rộng độ dày lớp chuyển tiếp Kết phù hợp với kết luận Sigmund trộn lẫn xảy độ sâu cố định có mức độ lớn đáng kể tăng lượng ion Tuy nhiên, hệ oxit/oxit, đóng góp từ yếu tố khác q trình trộn lẫn cần khỏa sát chi tiết Năng lượng truyền đến nguyên tử giật lùi coi mát lượng hạt nhân ion Sử dụng mô SRIM, lượng hạt nhân điện tử (Sn Se) tính tốn nhằm làm sáng tỏ chế trộn lẫn (Bảng 1) Trong dải lượng thấp (100 - 250 keV), lượng hạt nhân chiếm ưu thế, tức ion lượng gần thông qua tương tác với hạt nhân nhiều với electron Với gia tăng lượng ion, Sn có xu hướng giảm ion Ne+ Ar+, tạo nên tác động đến lớp chuyển tiếp so với Kr+ Xe+ (năng lượng chúng tăng lên mạnh tăng lượng ion tới) Từ cho thấy mức độ trộn lẫn khơng phụ thuộc hoàn toàn vào mát lượng ion, lý trộn lẫn ion hàm đơn lượng Để hiểu rõ hơn, trạng thái trộn lẫn ion liên quan đến sai hỏng cấu trúc khảo sát 1.5 Ne Ar Kr Xe 1.0 0.5 0.0 50 100 150 200 250 Energy of irradiating ion [keV] Hình 3.3 Sự biến thiên độ dày tương đối 𝑟𝑡 theo lượng ion tới (tính tốn RBS) 11 Kết mô SRIM cho thấy số lượng nguyên tử bị dịch chuyển ion tạo lớp trộn lẫn cao nhiều so với số lượng ion qua bề mặt phân cách tất ion lượng khác Lượng nguyên tử dịch chuyển lớn trạng thái cấy giật lùi Những quan sát cho thấy tương tác xảy khuếch tán kiểm soát thác trộn lẫn Khi tăng lượng ion, gia tăng độ dày lớp trộn lẫn mong đợi lượng ion lớn tạo nhiều sai hỏng TiO2 SiO2, dẫn đến di chuyển nhiều Ti vào lớp SiO2 Si vào TiO2 thông qua sai hỏng mạng tạo Tuy nhiên, kết mô cho thấy tổng nguyên tử bị dịch chuyển có xu hướng giảm lượng ion tăng lên Về nguyên tắc, di chuyển Ti Si kiểm soát tác động dòng thác va chạm, loại nguyên tử di chuyển ưu tiên vào vùng trộn lẫn Hơn nữa, lượng ion cao hơn, sai hỏng sâu tạo xa lớp chuyển tiếp TiO2/SiO2 ban đầu, nguyên tử bị dịch chuyển vùng sai hỏng có xu hướng di chuyển phía vùng sai hỏng nhiều Do đó, độ dày lớp chuyển tiếp tăng mật độ nguyên tử dịch chuyển khu vực giảm xuống ưu tiên di chuyển nguyên tử Hiệu ứng góp phần từ việc giảm số lượng ion qua vùng chuyển tiếp Do đó, mở rộng lớp trộn lẫn chủ yếu sai hỏng sâu tạo ion có lượng cao Như vậy, từ thí nghiệm RBS, ta thấy độ dày lớp chuyển tiếp TiO2/SiO2 tỷ lệ nghịch với Δ(FWHM) đỉnh Ti phổ RBS Dựa phân bố độ sâu nguyên tử xác định phương pháp RBS, độ dày lớp trộn lẫn sau chiếu ion tăng từ 7% Ne 100 keV đến 149% Xe 250 keV so với độ dày mẫu tinh khiết Tỷ lệ phần trăm tương ứng độ dày lớp từ đến 28,8 nm Trong đó, ∆(FWHM) thay đổi từ 1,7% Kr 100 keV đến 29,2% 100 keV Xe tương ứng với độ dày lớp từ 0,3 đến 4,1 nm Do đó, đóng góp suy giảm FWHM vào trình trộn lẫn dường không đáng kể so với việc tăng chiều dày tương đối lớp chuyển tiếp Thác va chạm chế nguyên nhân mở rộng lớp trộn lẫn, xảy phía đế bề mặt mẫu Tuy nhiên, mở rộng phía đế, hay dịch chuyển nguyên tử hướng vào chiếm ưu Mức độ trộn lẫn không tỷ lệ với mức độ nguyên tử bị dịch chuyển, lượng ion truyền đến nguyên tử tạo sai hỏng sâu đóng vai trị mở rộng vùng trộn lẫn TiO2/SiO2 12 Bảng Các thơng số tương tác tính tốn vùng trộn lẫn TiO2/SiO2 mẫu nhóm cấy ion lượng khác nhau, sử dụng mô SRIM Energy Ion Ion [keV] range [nm] Ne Ar Kr Xe 100 150 200 250 100 150 200 250 100 150 200 250 100 150 200 250 2027.3 3395.3 4232.1 5417.7 975.5 1664.0 2237.8 2811.6 552.0 795.6 1036.0 1398.6 454.3 617.9 741.5 988.7 Number Energy loss of ion [keV/ion] across Displacement Vacancy transition per ion per ion Nuclear Electronic layer (Sn) (Se) [ions/cm ] 1.4E+14 41.1 40.0 3.0 3.0 5.9E+13 34.0 33.1 2.3 4.9 3.5E+13 31.9 31.1 2.2 6.0 2.5E+13 30.3 29.5 2.0 7.2 9.9E+14 157.2 153.3 10.8 4.8 2.9E+14 122.8 119.8 9.3 6.5 1.2E+14 102.6 100.1 8.1 7.5 6.1E+13 88.6 86.4 7.3 8.2 2.2E+15 259.2 253.4 17.0 2.3 9.6E+14 271.7 265.0 18.0 3.2 4.8E+14 276.1 269.3 20.6 4.3 2.3E+14 246.7 240.4 19.6 4.1 8.1E+15 548.2 534.3 23.5 1.9 3.2E+15 610.3 595.3 33.2 3.4 1.2E+15 573.0 558.8 37.4 4.6 5.0E+14 532.4 519.1 38.9 5.6 3.3 Sự phụ thuộc mức độ trộn lẫn vào khối lượng ion tới Để xác định mối tương quan mức độ trộn lẫn với loại ion, độ dày tương đối rt (tính tốn RBS), lượng, hàm lượng nguyên tử dịch chuyển (tính toán SRIM) khảo sát theo hàm khối lượng ion Như đề cập, dịch chuyển vào bên nguyên tử chiếm ưu cho mở rộng lớp trộn lẫn tất loại ion Do đó, biến đổi rt sử dụng cho khảo sát phụ thuộc trộn lẫn vào khối lượng ion tới Hình 3.4 cho thấy độ dày tương đối lớp chuyển tiến tăng lên theo khối lượng ion Cần lưu ý tốc độ trộn lẫn bị ảnh hưởng nhiều ion nặng, giá trị rt chiếu ion Kr Xe tương ứng lớn khoảng 2,8 7,6 lần so với chiếu ion Ne Mức độ trộn lẫn tăng lên với gia tăng lượng Đối với liều lượng ion cố định lượng tới 250 keV, tỷ lệ rt (1: 1,2: 2,8: 7,6) Ne, Ar, Kr Xe; tỷ lệ lượng va chạm đàn hồi (1: 1,9: 2,9: 4,1) Các tỉ lệ phù hợp với Ne, Ar, 13 Kr cao Xe Trong lượng ion cách tuyến tính, số lượng ion Xe tương tác với nguyên tử bề mặt phân cách tăng mạnh với tỷ lệ (1: 3,1: 13,1: 23) So sánh cho thấy lượng để lại lớp trộn lẫn tăng tuyến tính với khối lượng; nhiên mức độ trộn lẫn bị ảnh hưởng nhiều số lượng ion tương tác bề mặt phân cách Với gia tăng khối lượng ion tới, mát lượng ion lớn dần dẫn đến quãng chạy ion bị thu hẹp Các ion dần tương tác nhiều mặt phân cách TiO2/SiO2 số lượng lượng Trong đó, lượng truyền đến giật lùi - hay lượng lắng đọng ion nguyên tử hấp thụ lớp hỗn hợp tăng Do đó, kết cho thấy gia tăng tuyến tính tương đối so với số nguyên tử bị dịch chuyển Hơn nữa, lượng hạt nhân Sn tăng tuyến tính khối lượng ion tăng lên, lớp trộn lẫn tăng số lượng mật độ nguyên tử độ dày Ngoài ra, Sn tăng theo khối lượng ion, suy giảm Sn theo lượng ion quan sát lúc, điều hoàn toàn phù hợp với chế lượng ion vùng lượng thấp tương tác với chất rắn relative thickness rt [a.u] 1.6 1.4 100 keV 150 keV 200 keV 250 keV 1.2 1.0 0.8 Xe 0.6 0.4 0.2 0.0 Ne Ar 20 40 Kr 60 80 100 120 140 Atomic mass of irradiating ion [amu] Hình.3.4 Độ dày tương đối lớp chuyển hàm khối lượng nguyên tử ion tới 3.4 Nghiên cứu trộn lẫn cấu trúc TiO2/SiO2 với độ dày khác Để khảo sát ảnh hưởng độ dày lớp đến mức độ trộn lẫn, mẫu TiO2/SiO2 có cấu trúc lớp dày (nhóm 2) đo đạc Q trình trộn lẫn khảo sát mẫu cấy ion Ne+, Ar+ Kr+ Sự thay đổi độ dày tương đối lớp hỗn hợp TiO2/SiO2 theo hàm lượng ion mẫu nhóm thể Hình 3.5a b, tương ứng Nhìn chung, độ dày lớp chuyển tiếp cho nhóm tăng tuyến tính với lượng ion Trong trường hợp mẫu cấy loại ion, gia tăng nhanh rt quan sát mẫu nhóm Biến đổi giá trị rt ước lượng xấp xỉ đường khớp theo hàm tuyến tính 14 𝑟𝑡 (𝐸 ) = 𝑎 × 𝐸 + 𝑏 Bảng trình bày giá trị độ dốc hàm tuyến tính tăng tất mẫu khảo sát Độ dày lớp chuyển tiếp mẫu nhóm tăng nhanh tương ứng với giá trị độ dốc cao đường làm khớp Nói cách khác, tốc độ trộn lẫn lớn lớp TiO2 ban đầu mỏng Cần lưu ý khác biệt độ dày lớp TiO SiO2 dẫn đến sai lệch vùng chuyển tiếp ban đầu cho mẫu hai nhóm Dựa phân bố độ sâu RBS, độ lệch trung bình tính vào khoảng 15 nm Do đó, rt biểu diễn mức độ trộn lẫn tốt cho mẫu riêng lẻ, đại lượng khơng so sánh xác mối tương quan hai nhóm vật liệu 0.6 Ne Ar Kr 0.5 0.4 relative thickness rt [a.u] relative thickness rt [a.u] 0.6 0.3 0.2 0.1 0.5 Ne Ar Kr 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0 50 100 150 200 250 50 100 150 200 250 incident ion energy [keV] incident ion energy [keV] Hình.3.5 Biến đổi độ dày tương đối theo hàm lượng ion mẫu mỏng nhóm (a) mẫu dày nhóm (b) Bảng Các giá trị độ dốc 𝑎 hàm làm khớp tuyến tính mẫu nhóm Slope 𝒂 Ions Nhóm Nhóm Ne 7.9E-4 ± 1.1E-4 7.8E-4 ± 0.7E-4 Ar 9.6E-4 ± 0.7E-4 4.3E-4 ± 0.8E-4 Kr 22.0E-4 ± 3.0E-4 17.0E-4 ± 3.0E-4 Thật vậy, giá trị độ dốc mẫu có cấu trúc lớp mỏng (nhóm 1) cao so với mẫu nhóm (Bảng 2), tham số mô lại cho thấy điều ngược lại Tổng lượng đi, số lượng ion lớp chuyển tiếp mức độ sai hỏng cho thấy giá trị cao mẫu nhóm lớp chuyển tiếp ban đầu dày Hơn nữa, mật độ nguyên tử dịch chuyển đo (theo đơn vị nguyên tử/cm3) giải thích khác biệt mật độ sai hỏng lớp có độ dày Do đó, để có so sánh tốt hơn, số dịch chuyển nguyên tử (DPA) liên quan đến mức độ sai hỏng cấu trúc mẫu, tính tốn cho độ dày 20 nm đáy lớp TiO2 cho hai nhóm 15 Bảng trình bày DPA cho trường hợp chiếu ion Ar, Kr Ne lượng khác mẫu hai nhóm Các giá trị cho thấy DPA mẫu nhóm cao nhóm trường hợp ion cấy Trong tương tác ion với nguyên tử, nguyên tử bị dịch chuyển (PKA) có lượng đủ cao, PKA tiếp tục q trình dịch chuyển nguyên tử khác tinh thể, tạo dịch chuyển nguyên tử thứ cấp Nguyên tử mạng tinh thể va chạm nhận lượng nhỏ lượng ngưỡng dịch chuyển, nguyên tử bị bật khỏi vị trí tinh thể khơng bị dịch chuyển DPA đề cập đến dịch chuyển PKA trực tiếp tạo Các giá trị DPA nhóm lớn nhóm có nghĩa có nhiều nguyên tử bị dịch chuyển PKA tạo vùng chuyển tiếp mẫu TiO2 dày Điều cho thấy mức độ phản ứng cao nguyên tử với ion lớp TiO2 dày hơn, tạo nhiều sai hỏng hơn, dẫn đến mức độ trộn lẫn cao Bảng DPA tính tốn cho độ dày 20 nm đáy lớp TiO2 mẫu cấy Ar, Kr, Ne lượng khác Ar Kr Ne Energy G2 G1 G2 G1 G2 G1 [keV] 100 100.9 82.6 181.4 170.2 30.7 26.3 150 85.1 70.1 201.4 171.6 23.5 19.0 200 71.0 59.8 204.4 164.0 19.2 15.9 250 62.2 53.4 190.9 145.4 15.3 14.1 Cần ý lớp TiO2 dày hơn, ion di chuyển khoảng cách xa va chạm với nhiều nguyên tử quãng đường Do đó, ion nhiều lượng lớp TiO2 mẫu nhóm Sự mát lượng lớn ion gây hiểu nhầm lượng lại tạo tổn hại vùng chuyển tiếp mẫu lớp dày Tuy nhiên, DPA lớp trộn lẫn 20 nm cho thấy giá trị lớn nhóm so với nhóm Điều có nghĩa là, lượng thấp hơn, ion tạo nhiều thiệt hại vùng trộn lẫn Hiện tượng tương ứng với vai trò tương quan quãng chạy ion, số lượng ion tương tác vị trí vùng chuyển tiếp (Bảng 4) Do đó, lớp TiO2 khảo sát, DPA cao cho thấy nhiều nhiều sai hỏng tinh thể trộn lẫn mạnh cho mẫu có cấu trúc lớp dày Mặc dù thông số mô không đủ để so sánh mức độ trộn lẫn trường hợp này, kết hợp với DPA tính tốn cho phép giải thích biến đổi lớp trộn lẫn TiO2/SiO2 mặt sai hỏng mạng tinh thể vận chuyển nguyên tử 16 Bảng Các thơng số tương tác tính tốn mô SRIM vùng hỗn hợp TiO2/SiO2 mẫu nhóm cấy ion lượng khác Energy Ion Ion [keV] range [nm] Ne Ar Kr Xe 100 150 200 250 100 150 200 250 100 150 200 250 100 150 200 250 2027.3 3395.3 4232.1 5417.7 975.5 1664.0 2237.8 2811.6 552.0 795.6 1036.0 1398.6 454.3 617.9 741.5 988.7 Number Energy loss of ion [keV/ion] across Displacement Vacancy transition per ion per ion Nuclear Electronic layer (Sn) (Se) [ions/cm ] 5.9E+14 92.8 90.9 6.4 7.7 1.9E+14 70.5 69.1 5.0 9.3 1.0E+14 68.1 66.7 4.8 11.8 7.4E+13 70.3 68.8 4.8 15.5 4.2E+15 310.7 304.0 21.1 7.7 1.2E+15 248.0 243.0 18.9 11.2 4.5E+14 204.5 200.2 16.4 13.4 2.2E+14 175.2 171.6 14.6 14.8 1.6E+16 641.3 625.3 30.8 3.3 6.9E+15 731.8 716.0 45.5 6.6 2.9E+15 681.5 667.0 49.2 9.0 1.3E+15 614.1 600.9 48.6 9.4 1.3E+16 394.6 383.1 18.4 1.0 6.4E+15 523.7 513.3 29.2 2.5 2.7E+15 525.1 515.3 36.4 3.9 1.3E+15 501.0 491.0 39.6 4.9 CHƯƠNG TÁC ĐỘNG CỦA NĂNG LƯỢNG ION ĐẾN TÍNH CHẤT HĨA, QUANG HỌC CỦA CẤU TRÚC TIO2/SIO2 4.1 Tác động lượng ion đến thành phần hóa học lớp TiO2 gần bề mặt ảnh hưởng đến trộn lẫn cấu trúc TiO2/SiO2 Sử dụng phương pháp XPS, thành phần hóa học lớp gần bề mặt TiO2/SiO2 xác định Hình 4.1 cho thấy phổ XPS điện tử Ti 2p (Ti 2p3/2 Ti 2p1/2) vùng từ 450 eV đến 462 eV Phổ thu thập mẫu trước sau cấy ion Ne+ mức lượng 100, 150, 200, 250 keV Trong phổ XPS cho mẫu tinh khiết, cực đại đỉnh 453.86 eV, 455.34 eV, 457.13 eV 458.66 eV, biểu thị tương ứng cho Ti, TiO, Ti2O3 TiO2 (Hình 1.4a) 17 Intensity [conunts] 350 Total Ti TiO Ti2O3 a) Virgin sample 300 250 TiO2 200 Background Measured 150 100 452 456 460 464 Binding energy [eV] 350 250 200 b1) 100-keV Ne+ Intensity [conunts] Intensity [counts] 300 350 Total Ti TiO Ti2O3 TiO2 Background Measured 150 300 250 TiO2 200 Background Measured 150 100 100 448 452 456 460 452 456 460 Binding energy [eV] Binding energy [eV] 300 250 200 Total Ti TiO Ti2O3 350 TiO2 Background Measured 150 100 448 b4) 250-keV Ne+ b3) 200-keV Ne+ Intensity [conunts] Intensity [conunts] 350 b2) 150-keV Ne+ Total Ti TiO Ti2O3 300 250 464 Total Ti TiO Ti2O3 TiO2 Background Measured 200 150 100 452 456 460 Binding energy [eV] 464 452 456 460 Binding energy [eV] 464 Hình 4.1 Phổ XPS dải Ti 2p cho mẫu trước (a) sau cấy ion Ne+ lượng khác 100 (b1), 150 (b2), 200 (b3) 250 (b4) keV Phổ XPS thu từ mẫu tinh khiết mẫu cấy ion có hình dạng khác cường độ dải thay đổi (Hình 4.1b1-b4) Hiện tượng có liên quan đến thay đổi nồng độ hợp chất Ti, TiO, Ti 2O3 TiO2 Hình.4.2 cho thấy thay đổi hàm lượng tương đối hợp chất theo lượng ion Ne+ Giả sử hàm lượng hợp chất tỷ lệ với diện tích bề mặt đỉnh thu sau q trình phân tích Kết cho thấy hàm lượng tương đối TiO, Ti2O3 (Hình.4.2a) tăng lên hàm lượng tương đối Ti TiO2 (Hình.4.2a b) giảm theo lượng ion tới 18 0.0 Ti TiO Ti2O3 20 -0.1 Relative concentration [a.u] Relative concentration [a.u] 25 15 10 100 150 200 TiO2 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 -0.7 250 100 Energy [keV] 150 200 Energy [keV] 250 Hình 4.2 Biến thiên hàm lượng tương đối Ti, TiO, Ti2O3 (trái) TiO2 (phải) theo lượng ion Sử dụng chương trình SRIM, lượng mát ion hợp chất hóa học khác mơ Độ dày lớp khảo sát chọn khoảng mà kết XPS có độ nhạy tốt (10 nm) Hình 4.3 cho thấy biến đổi lượng ion Ne tăng lượng ion tới thành phần TiO2, Ti, TiO Ti2O3 Năng lượng ion giảm cách tuyến tính tăng lượng tới, ion bị lượng nhiều TiO2, giảm dần Ti, TiO Ti2O3 Như xác định phương pháp XPS, hàm lượng TiO2 giảm lượng ion tăng lên dẫn đến lượng mát TiO2 gần lớp bề mặt suy giảm Hơn nữa, Ti, TiO, Ti2O3 chiếm tỷ lệ nhỏ lớp TiO2, có nghĩa lượng mát hầu hết TiO2 Do đó, lượng để lại mặt phân cách TiO2/SiO2 không phụ thuộc vào khối lượng, lượng ion, độ dày lớp TiO2 mà cịn phụ thuộc vào thành phần hóa học biến đổi hàm lượng chúng Sự suy giảm hàm lượng TiO2 sau chiếu ion coi nguyên nhân ảnh hưởng đến trình trộn TiO2/SiO2 Hiện tượng dẫn đến việc tăng lượng để lại mẫu ion, tức mức độ trộn lẫn nguyên tử hay độ mở rộng lớp chuyển tiếp ngày tăng theo lượng ion, phù hợp với kết đạt từ phương pháp RBS 19 Loss energy [eV /(Angstrom-ion)] 50 Ti Ti2O3 TiO TiO2 45 40 35 30 25 20 15 100 150 200 250 Energy of irradiating ions [keV] Hình 4.3 Mất mát lượng ion Ne+ thành phần TiO2, Ti, TiO Ti2O3 4.2 Sự biến thiên chiết suất (n) hệ số tắt (k) lớp trộn lẫn TiO2/SiO2 theo lượng ion Hai đặc tính quang học quan trọng chiết suất n hệ số tắt k lớp chuyển tiếp TiO2/SiO2 trước sau cấy ion Xe+ khảo sát phương pháp ES Hình 4.4 cho thấy biến đổi chiết suất hệ số tắt theo bước sóng khơng phụ thuộc vào lượng ion Chiết suất tất mẫu khảo sát tăng lên đến λ = 300 nm sau giảm xuống, tương tự với hệ số tắt ngoại trừ cực đại bước sóng 260 nm Các giá trị tuyệt đối chiết suất hệ số tắt ảnh hưởng sai hỏng cấu trúc thay đổi thành phần nguyên tố lớp chuyển tiếp Cũng thấy Hình 4.4 bước sóng nào, chiết suất hệ số tắt mẫu tinh khiết thấp Đối với mẫu chiếu xạ, hệ số tăng lên theo lượng ion Xe+ lên đến 200 keV sau đột ngột giảm xuống với lượng 250 keV Sự dịch chuyển nguyên tử tạo ion Xe+ dẫn đến lớp trộn lẫn TiO2-SiO2 có hấp thụ cao thay đổi truyền ánh sáng lớp hỗn hợp Tuy nhiên, lượng ion 250 keV, số nguyên tử bị dịch chuyển giảm đi, tương ứng với suy giảm thành phần TiO2 lớp hỗn hợp Hơn nữa, hấp thụ ánh sáng bị ảnh hưởng có mặt nguyên tử Xe Quãng chạy ion Xe 250 keV vượt xa mặt phân cách TiO2/SiO2, ion 100 keV, quãng chạy gần tương tự với độ dày lớp TiO2 Do đó, thiếu nguyên tử Xe lớp chuyển tiếp nguyên tử dịch chuyển với số lượng thấp mẫu chiếu ion 250 keV nguyên nhân dẫn dến suy giảm chiết suất n hệ số tắt k 20 0.6 Virgin E = 100 E = 150 E = 200 E = 250 2.0 extinction coefficient k refractive index n 2.1 1.9 1.8 1.7 1.6 Virgin E = 100 E = 150 E = 200 E = 250 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 a) b) 400 600 800 0.0 1000 300 400 l [nm] 500 l [nm] 600 700 Hình 4.4 Chiết suất n (a) hệ số tắt k (b) lớp chuyển tiếp TiO2/SiO2 trước sau chiếu Xe ion theo hàm bước sóng ánh sáng 4.3 Sự biến đổi vùng cấm lượng (Eg) lớp trộn lẫn TiO2/SiO2 theo lượng ion Để xác định cấu trúc vùng cấm lượng, hấp thụ quang học coi cách tiếp cận hiệu Hệ số hấp thụ xác định phần xạ tới hấp thụ độ dày chất hấp thụ Từ Hình 4.5 a b, vùng cấm xác định cách vẽ đồ thị phương trình Tauc lấy phép ngoại suy phần tuyến tính (𝛼ℎ)2 (𝛼ℎ)1/2 dạng hàm (ℎ) 𝛼 = 0.07 [eV/cm]1/2 0.015 Vir 100 keV 150 keV 200 keV 250 keV (ahu)1/2 (ahu)2 [eV/cm]2 0.020 0.010 0.005 0.06 0.05 Virgin 100 keV 150 keV 200 keV 250 keV 0.04 0.03 0.02 0.01 a) 0.000 3.5 4.0 4.5 b) 0.00 3.0 5.0 3.5 4.0 4.5 5.0 incident photon energy hu [eV] incident photon energy hu [eV] Hình.4.5 Đồ thị (αhν)2 (a) (αhν)1/2 (b) theo lượng photon, lượng vùng cấm suy từ phép ngoại suy đường thẳng tới (αhν)2 = (αhν)1/2 = Các giá trị Eg tính cho mẫu tinh khiết mẫu cấy ion Xe+ có lượng 100, 150, 200 250 keV biểu diễn Hình 4.6 Các lớp trộn lẫn mẫu cấy có Eg nhỏ so với lớp tinh khiết Eg giảm tăng lượng ion lên đến 200 keV, sau tăng lượng ion 250 keV 21 Energy gap value [eV] 4.2 4.1 4.0 Eg-direct Eg-indirect 3.9 3.8 3.7 3.6 3.5 50 100 150 200 250 Energy of irradiating ion [keV] Hình 4.6 Năng lượng vùng cấm lớp trộn lẫn TiO2/SiO2 cấy ion Xe theo hàm lượng ion tới Độ dày lớp vật liệu làm tăng độ hấp thụ sai hỏng tinh thể Độ dày gây thay đổi bờ hấp thụ quang học làm thay đổi cấu trúc vùng cấm lớp vật liệu Bờ hấp thụ thay đổi lượng ion tăng dần Điều khẳng định sai hỏng tinh thể xảy trình mở rộng lớp chuyển tiếp, liên kết khơng bão hịa tạo không đủ số lượng nguyên tử Những liên kết nguyên nhân hình thành số khuyết tật lớp vật liệu khuyết tật tạo trạng thái cục Sự phát triển sai hỏng làm tăng độ rộng trạng thái cục vùng cấm; đó, bờ hấp thụ quang học giảm theo hiệu ứng ngược Vì vậy, biến đổi lượng vùng cấm thay đổi độ dày lớp trộn lẫn nồng độ TiO2 vùng biến đổi sai hỏng tinh thể sinh theo lượng ion KẾT LUẬN 1.1 Trộn lẫn ion cấu trúc TiO2/SiO2 mô tả định lượng phương pháp RBS Q trình trộn lẫn biểu thị thơng qua dịch chuyển bờ lượng phổ RBS Do đó, mức trộn lẫn xác định thay đổi FWHM đỉnh Ti độ dày lớp trộn lẫn Quá trình trộn lẫn hướng vào chiếm ưu Khảo sát thay đổi độ dày tương đối lớp trộn lẫn TiO2/SiO2 cho thấy cách tiếp cận tốt so với tính tốn FWHM để đánh giá mức độ trộn lẫn cho cấu trúc oxit/oxit 1.2 Trong phạm vi lượng 100 - 250 keV, trộn lẫn thác va chạm chiếm ưu thế cấu trúc TiO2/SiO2 Với gia tăng lượng ion, mức độ trộn lẫn tăng tương ứng với thay đổi trình vận chuyển nguyên tử Sự phụ thuộc tuyến tính trộn lẫn vào lượng ion xác 22 định cho tất loại ion khảo sát (Ne, Kr, Kr Xe) Mức độ trộn lẫn không tỷ lệ với hàm lượng nguyên tử bị dịch chuyển, lượng ion truyền đến nguyên tử tạo sai hỏng mạng sâu đóng vai trị việc mở rộng vùng trộn lẫn TiO2/SiO2 1.3 Mức độ trộn lẫn phụ thuộc mạnh mẽ vào khối lượng ion, độ dày tương đối lớp chuyển tiếp tăng lên 2,8 7,6 lần Kr Xe so với Ne Trộn lẫn nguyên tử tăng mạnh với ion nặng hai lý do: ion nặng lượng nhiều gần bề mặt phân cách ion nhẹ So với gia tăng tuyến tính lượng hạt nhân, tăng trưởng nhanh chóng mật độ ion lớp trộn lẫn đóng góp phần lớn cho mở rộng bề dày lớp 1.4 Sử dụng phương pháp XPS, thành phần hóa học lớp bề mặt TiO2 có độ dày 10 nm xác định gồm có TiO2, Ti, TiO Ti2O3 Hàm lượng TiO, Ti2O3 tăng lên hàm lượng Ti TiO2 giảm tăng lượng ion tới Vì ion lượng nhiều TiO2, đồng thời hàm lượng TiO2 giảm tăng lượng ion, dẫn đến lượng ion để lại lớp chuyển lớn dần Đây coi nguyên nhân làm tăng mức độ trộn lẫn nguyên tử, phù hợp với quan sát đạt phương pháp RBS 1.5 Độ dày, thành phần hợp chất số quang lớp trộn lẫn TiO2/SiO2 trước sau chiếu ion thu phương pháp quang phổ Ellipsometry Sự biến thiên chiết suất (n) hệ số tắt (k) không phụ thuộc vào mức độ chiếu xạ theo hàm bước sóng, giá trị n k thay đổi theo lượng ion n k tăng lượng ion Xe+ tăng từ 100 đến 200 keV Ở mức lượng 250 keV, hai thông số giảm xuống gần tương tự với mẫu chiếu ion lượng 100 keV Những biến đổi tương ứng với thay đổi hàm lượng TiO2 vùng trộn lẫn gây sự tăng giảm mật độ ion mức độ sai hỏng tinh thể tạo tăng lượng ion tới 23 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Tran Van Phuc, M Kulik, A P Kobzev, Le Hong Khiem, Study of MOS structures using nuclear analytical methods, Communications in Physics, Vol 27, No (2017), pp 279-289 https://doi.org/10.15625/0868-3166/27/4/10825 T.V Phuc, M Kulik, A P Kobzev, L H Khiem, Study of elemental depth distribution in the material TiO2/SiO2/Si by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), Communications in Physics, Vol 29, No 3SI (2019), pp 393-400 http://dx.doi.org/10.15625/0868-3166/29/3/14328 T.V Phuc, M Kulik, D Kołodyńska, L.H Khiem, P.L Tuan, J Zuk, M Turek, Investigations of elemental depth distribution and chemical compositions in the TiO2/SiO2/Si structures after ion irradiation, Surface & Coatings Technology, 387 (2020), 125494 http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125494 P.L Tuan, M Kulik, J Nowicka-Scheibe, J Żuk, P Horodek, L.H Khiem, T.V Phuc, Nguyen Ngoc Anh, M Turek, Investigations of chemical and atomic composition of native oxide layers covering SI GaAs implanted with Xe ions, Surface and Coatings Technology, Volume 394, 25 July (2020), 12587 http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125871 Tran Van Phuc, Miroslaw Kulik, Le Hong Khiem, Afag Madadzada, Marcin Turek, Dorota Kołodyńska, Phan Luong Tuan, Nguyen Ngoc Anh, Mai Quynh Anh, Nguyen Van Tiep, Krzysztof Siemek, Variation of TiO2/SiO2 mixed layers induced by Xe+ ion irradiation with energies from 100 to 250 keV, Materials Science and Engineering: B, Volume 277, (2022), 115566 https://doi.org/10.1016/j.mseb.2021.115566 P.L Tuan, M Kulik, T.V Phuc, A.I Madadzada, T.Yu Zelenyak, M Turek, J Zuk, C Mita, A Stanculescu, A.S Doroshkevich, B Jasinska, L.H Khiem, N.N Anh, N.T Bao My, Pseudo-dielectric function spectra of the near surface layer of GaAs implanted with various fluence of Xe+ ions, Thin Solid Films 756 (2022) 139376 https://doi.org/10.1016/j.tsf.2022.139376 24 ... với nguyên tử mẫu mặt phân cách TiO2 SiO2 2.2 Phương pháp đo phổ tán xạ ngược Rutherford (RBS) RBS phương pháp phân tích hạt nhân áp dụng phổ biến phân tích lớp gần bề mặt chất rắn Phương pháp. .. định hướng sử dụng chùm tia ion biến đổi phân tích vật liệu có tính ứng dụng cao - Đề tài tập trung mơ tả phân tích tượng trộn lẫn xảy bề mặt vật liệu TiO2/SiO2 sau cấy ion phương pháp RBS Khảo... đổi chất rắn chùm tia ion 1.2 Khái niệm trộn lẫn ion Trộn lẫn ion trình nguyên tử khuếch tán qua mặt phân cách hai vật liệu ảnh hưởng chùm ion Khi ion tới tương tác với hạt nhân điện tử chất rắn,