Indium Gallium Zinc Oxide hoặc IGZO là tên gọi của hợp chất hóa học có công thức hóa học là InGaZnO4. Đây là một loại vật liệu bán dẫn được sử dụng trong sản xuất pin năng lượng mặt trời và các thiết bị điện tử khác. InGaZnO4 có tính chất dẫn điện tốt, độ bền cao và khả năng chịu nhiệt tốt, làm cho nó trở thành một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng điện tử.InGaZnO4 là một loại vật liệu bán dẫn vô định hình được sử dụng trong các ứng dụng điện tử như màn hình LCD, đèn LED và các thiết bị điện tử khác. Nó được tạo ra bằng cách kết hợp các nguyên tố indium (In), gallium (Ga), kẽm (Zn) và oxy (O) trong tỷ lệ nhất định và sau đó đốt nóng để tạo ra một tinh thể. Vật liệu này có tính dẫn điện cao, độ bền và độ ổn định cao, và có thể được điều chỉnh để có độ dẫn điện và độ trong suốt khác nhau. InGaZnO4 đang được nghiên cứu và phát triển để sử dụng trong các ứng dụng điện tử tiên tiến hơn trong tương lai.
TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG R BÁO CÁO CÁ NHÂN CUỐI KÌ KỸ THUẬT TỔNG HỢP VẬT LIỆU VƠ CƠ Mã mơn học: 604039 Đề tài: VẬT LIỆU BÁN DẪN VƠ ĐỊNH HÌNH InGaZnO Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Ánh Nga Sinh viên thực hiện: Đỗ Quốc Tuấn Mã số sinh viên: 62000935 Nhóm: 02 – 12 Học kỳ – Năm học 2022 – 223 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT BÁN DẪN VƠ ĐỊNH HÌNH InGaZnO Giới thiệu: .2 Cấu trúc: Tính chất vật lý: Tính chất hóa học: Các phương pháp tổng hợp: 5.1 Phương pháp sol – gel: 5.2 Phương pháp điện phân dung dịch: 5.3 Phương pháp đốt chảy: 5.4 Phương pháp phún xạ: Ứng dụng: CHƯƠNG 2: BÀI BÁO 1: TỔNG HỢP HẠT NANO InGaZnO4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA NHIỀU BẬC Ở NHIỆT ĐỘ THẤP Giới thiệu: .8 Thực nghiệm: 10 Kết thảo luận: 13 Kết luận: 18 CHƯƠNG 3: BÀI BÁO 2: NGHIÊN CỨU CHẤT BÁN DẪN VƠ ĐỊNH HÌNH INDI GALI KẼM OXIT (InGaZnO4) – MỘT VẬT LIỆU VẬN CHUYỂN MỚI CHO PIN MẶT TRỜI PEROVSKITE .18 Giới thiệu: 18 Thực nghiệm: 20 2.1 Nguyên vật liệu: 20 2.2 Điều chế màng mỏng vơ định hình InGaZnO4: 20 2.3 Chuẩn bị pin mặt trời perovskite: 21 2.4 Đặc tính: .21 Kết thảo luận: 22 Kết luận: 28 CHƯƠNG 4: SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP InGaZnO4 28 KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ khơng ngừng phát triển ngày với phát triển khoa học, tiêu biểu ngành nghiên cứu tổng hợp vật liệu Công nghệ bán dẫn lĩnh vực quan trọng, chất bán dẫn có hầu hết thiết bị điện tử góp cơng lớn giúp ngành điện tử phát triển mạnh Ở báo cáo em xin giới thiệu chất bán dẫn vô định hình có tên Indium Gallium Zinc Oxide ( hay IGZO) có cơng thức hóa học InGaZnO , chất bán dẫn vơ định hình có tiềm lớn lĩnh vực sản xuất điện tử pin lượng mặt trời Hiện nay, người nghiên cứu chuyên sâu đặc tinh IGZO để ứng dụng nhiều hơn, đa lĩnh vựa Đây coi vật liệu tiềm tương lai Em xin cảm ơn cô Nguyễn Thị Ánh Nga hướng dẫn giúp đỡ em suốt q trình học tập nghiên cứu để em hồn thành báo cáo Tuy nhiên, kiến thức cịn hạn hẹp khơng đủ để diễn đạt báo khoa học trang mạng uy tín nên báo cáo có nhiều thiếu sót, em mong góp ý giúp em để em có kinh nghiệm hồn thành báo cáo tương lai tốt Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT BÁN DẪN VƠ ĐỊNH HÌNH InGaZnO4 Giới thiệu: Indium Gallium Zinc Oxide IGZO tên gọi hợp chất hóa học có cơng thức hóa học InGaZnO4 Đây loại vật liệu bán dẫn sử dụng sản xuất pin lượng mặt trời thiết bị điện tử khác InGaZnO có tính chất dẫn điện tốt, độ bền cao khả chịu nhiệt tốt, làm cho trở thành vật liệu lý tưởng cho ứng dụng điện tử InGaZnO4 loại vật liệu bán dẫn vô định hình sử dụng ứng dụng điện tử hình LCD, đèn LED thiết bị điện tử khác Nó tạo cách kết hợp nguyên tố indium (In), gallium (Ga), kẽm (Zn) oxy (O) tỷ lệ định sau đốt nóng để tạo tinh thể Vật liệu có tính dẫn điện cao, độ bền độ ổn định cao, điều chỉnh để có độ dẫn điện độ suốt khác InGaZnO nghiên cứu phát triển để sử dụng ứng dụng điện tử tiên tiến tương lai Cấu trúc: Cấu trúc InGaZnO4 cấu trúc tinh thể spinel, với nguyên tử In, Ga Zn xếp theo mạng lưới tinh thể hình cầu Hình Cấu trúc tinh thể InGaZnO4 Khối đa diện màu đỏ thể bát diện InO6, ion oxy phối hợp không hiển thị để đơn giản Lớp InO2 ion In3+ nằm vị trí bát diện phối hợp sáu oxy khối GaO+ ZnO ion Ga3+ Zn2+ đặt vị trí lưỡng kim lưỡng cực vị trí phối hợp năm oxy Bốn ion oxy nằm 0,192nm ion oxy khác 0,227nm xếp xen kẽ dọc theo hướng 0001 Cấu trúc spinel có hai loại vị trí ngun tử: vị trí tetrahedral (T) vị trí octahedral (O) Trong cấu trúc InGaZnO4, nguyên tử In, Ga Zn chiếm vị trí T O Cụ thể, nguyên tử In Ga chiếm vị trí T, nguyên tử Zn chiếm vị trí O Các nguyên tử xếp theo mạng lưới tinh thể hình cầu, nguyên tử T O xen kẽ Các nguyên tử T O nối với liên kết ion Các phối trí nguyên tử In, Ga Zn mạng tinh thể InGaZnO xác định phương pháp phân tích tinh thể tia X phổ Raman Các phối trí mơ phương pháp tính tốn lượng tử để dự đốn tính chất vật liệu Cấu trúc tinh thể InGaZnO4 có tính chất đặc biệt ngun tử In, Ga Zn có bán kính tương đương, chúng thay lẫn mạng tinh thể mà không làm thay đổi cấu trúc Điều cho phép tạo hợp chất InGaZnO4 với tỷ lệ khác nguyên tử để tùy chỉnh tính chất vật lý vật liệu Tính chất vật lý: Màu sắc: InGaZnO4 có màu xanh lam đến xanh Điểm nóng chảy: InGaZnO4 có điểm nóng chảy khoảng 1.500 độ C Độ tan: InGaZnO4 khơng tan nước, tan axit Độ dẫn điện: InGaZnO4 chất bán dẫn, có độ dẫn điện cao sử dụng ứng dụng điện tử hình LCD điện tử màng Độ cứng: InGaZnO4 có độ cứng tương đối cao, khoảng – thang độ cứng Mohs InGaZnO4 chất bán dẫn có tính chất vật lý đa dạng sử dụng nhiều ứng dụng cơng nghệ khác Tính chất hóa học: Tính oxi hóa: InGaZnO4 có khả oxi hóa, tác dụng với chất khác để tạo hợp chất Tính khử: InGaZnO4 có khả khử, tác dụng với chất khác để giảm độ oxi hóa chúng Tính chất phản ứng: InGaZnO4 phản ứng với chất khác để tạo hợp chất Ví dụ, phản ứng với axit để tạo muối Tính chất hịa tan: InGaZnO4 khơng tan nước, tan axit InGaZnO4 hợp chất vơ có tính chất hố học đa dạng tác dụng với chất khác để tạo hợp chất Các phương pháp tổng hợp: 5.1 Phương pháp sol – gel: Phương pháp sol gel phương pháp tổng hợp vật liệu phổ biến nghiên cứu vật liệu Để tổng hợp InGaZnO phương pháp sol – gel, ta cần có hóa chất sau: - In(NO3)3.6H2O - Ga(NO3)3.6H2O - Zn(NO3)2.6H2O - Ethanol (C2H5OH) - Nước cất (H2O) - Ammonia (NH3) Các bước thực sau: Bước 1: Trộn In(NO3)3.6H2O, Ga(NO3)3.6H2O Zn(NO3)2.6H2O với tỷ lệ phù hợp để tạo thành hỗn hợp kim loại Sau đó, thêm ethanol vào hỗn hợp kim loại khuấy hịa tan hồn tồn thêm nước cất vào hỗn hợp khuấy Bước 2: Tạo gel cách thêm ammonium hydroxide (NH 4OH) vào hỗn hợp khuấy pH đạt khoảng 9-10 Tiếp tục khuấy khoảng để tạo thành gel Bước 3: Sấy khô gel nhiệt độ khoảng 100 oC khoảng để loại bỏ hết dung môi Bước 4: Nung nhiệt - Nung mẫu nhiệt độ khoảng 500oC khoảng để tạo thành InGaZnO4 Sau hoàn thành bước trên, bạn có InGaZnO tổng hợp phương pháp sol – gel 5.2 Phương pháp điện phân dung dịch: Để tổng hợp InGaZnO4 phương pháp điện phân, ta cần hóa chất sau: - In(NO3)3.6H2O - Ga(NO3)3.6H2O - Zn(NO3)2.6H2O - Nước cất (H2O) - Điện cực âm (có thể In, Zn Sn) - Điện cực dương (có thể Pt Ti) Thực tóm gọn sau: Trộn In(NO3)3.6H2O, Ga(NO3)3.6H2O Zn(NO3)2.6H2O với tỷ lệ phù hợp để tạo thành hỗn hợp kim loại Thêm nước cất vào hỗn hợp khuấy hịa tan hồn toàn Đặt điện cực âm vào dung dịch điện cực dương vào dung dịch điện phân Áp dụng điện dòng điện để điện phân dung dịch Sau quan sát kiểm tra mẫu để đảm bảo InGaZnO4 tổng hợp Sau hoàn thành bước trên, bạn có InGaZnO tổng hợp phương pháp điện phân Tuy nhiên, phương pháp địi hỏi kỹ thuật thiết bị phức tạp so với phương pháp sol – gel 5.3 Phương pháp đốt chảy: Phương pháp đốt chảy phương pháp hóa học sử dụng để tổng hợp chất vô Trong phương pháp này, chất tham gia đốt chảy nhiệt độ cao để tạo chất Quá trình đốt chảy diễn mơi trường có oxi, thường lị nung Để tổng hợp InGaZnO4 phương pháp đốt chảy ta cần hóa chất sau: - In(NO3)3.5H2O - Ga(NO3)3.6H2O - Zn(NO3)2.6H2O - NaOH - Ethanol Các bước thực sau: Bước 1: Hòa tan In(NO3)3, Ga(NO3)3 Zn(NO3)2 nước để tạo hỗn hợp muối Thêm vào hỗn hợp lượng NaOH khuấy muối tan hoàn toàn Bước 2: Cho dung dịch muối vào bình nước đun nóng đến dung dịch sơi Tiếp đó, giảm nhiệt độ xuống khoảng 90oC Bước 3: Dùng ethanol để tồn định dung dịch, sau đun nóng nhiệt độ 120 oC vòng 30 phút Bước 4: Sau đun chảy, lấy sản phẩm khỏi lò, làm mát rửa cách sử dụng nước ethanol Kết InGaZnO4 tổng hợp thành công phương pháp đốt chảy Đây trình đơn giản hiệu để sản xuất chất vô 5.4 Phương pháp phún xạ: Để tổng hợp InGaZnO4 phương pháp phún xạ, ta cần hóa chất sau: - In(NO3)3.6H2O - Ga(NO3)3.6H2O - Zn(NO3)2.6H2O - Ethanol (C2H5OH) - Nước cất (H2O) Cách thực sau: Bước 1: Trộn In(NO3)3.6H2O, Ga(NO3)3.6H2O Zn(NO3)2.6H2O với tỷ lệ phù hợp để tạo thành hỗn hợp kim loại Thêm ethanol vào hỗn hợp khuấy hòa tan hoàn toàn Bước 2: Đặt hỗn hợp vào máy phún xạ phún xạ thời gian định để tạo thành hạt nano InGaZnO4 Sau phún xạ, lấy mẫu kiểm tra để đảm bảo InGaZnO4 tổng hợp Sau hoàn thành bước trên, bạn có InGaZnO tổng hợp phương pháp phún xạ Phương pháp đòi hỏi kỹ thuật thiết bị phức tạp, cho phép tổng hợp hạt nano InGaZnO với kích thước tính chất đồng Ứng dụng: InGaZnO4 loại vật liệu bán dẫn có tính dẫn điện cao độ bền học tốt, sử dụng rộng rãi ứng dụng công nghệ điện tử lượng mặt trời Dưới số ứng dụng InGaZnO4: Màn hình LCD: InGaZnO4 sử dụng làm điện cực hình LCD để tạo hình ảnh sắc nét độ phân giải cao Thiết bị điện tử: InGaZnO4 sử dụng thiết bị điện tử transistor, diode nhớ để tăng hiệu suất độ bền thiết bị Năng lượng mặt trời: InGaZnO4 sử dụng làm vật liệu điện cực tế bào quang điện để tạo điện từ ánh sáng mặt trời Cảm biến: InGaZnO4 sử dụng cảm biến khí để phát khí độc hại CO NO2 Đèn LED: InGaZnO4 sử dụng làm vật liệu điện cực đèn LED để tăng hiệu suất độ bền đèn InGaZnO4 vật liệu quan trọng công nghệ điện tử lượng mặt trời, có nhiều ứng dụng tiềm tương lai CHƯƠNG 2: BÀI BÁO 1: TỔNG HỢP HẠT NANO InGaZnO4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA NHIỀU BẬC Ở NHIỆT ĐỘ THẤP Giới thiệu: Indium gallium zinc oxide (InGaZnO4, IGZO) thu hút phát triển bùng nổ nghiên cứu thập kỷ qua với vai trò vật liệu quan trọng bóng bán dẫn màng mỏng Trong nghiên cứu này, chất tiền nitrat khác nhau, bao gồm nitrat indi, nitrat gali nitrat kẽm, điều chế từ kim loại khác hòa tan axit nitric Sau đó, chúng tơi sử dụng tiền chất nitrat để tổng hợp bột tiền chất IGZO phương pháp đồng kết tủa nhiều bước Các thông số tổng hợp phương pháp đồng kết tủa, chẳng hạn nhiệt độ phản ứng, giá trị pH thời gian phản ứng, kiểm sốt xác để chuẩn bị bột tiền chất IGZO chất lượng cao Cuối cùng, bột tiền chất IGZO nung 900oC Sau đó, vi cấu trúc, cấu trúc tinh thể, phân bố kích thước hạt diện tích bề mặt riêng bột tiền chất IGZO nung đặc trưng kính hiển vi truyền qua điện tử, kỹ thuật nhiễu xạ tia X, phương pháp tán xạ ánh sáng động diện tích bề mặt máy phân tích độ xốp tương ứng Mật độ tương đối viên IGZO thiêu kết 1200oC 12 cao tới 97,30% cho thấy cấu trúc tinh thể InGaZnO4 cao kích thước hạt lớn Các hạt nano IGZO phát triển nghiên cứu chúng tơi có tiềm tạo vật liệu mục tiêu chất lượng cao sử dụng ứng dụng thiết bị điện tử Gần đây, quan tâm ngày tăng vật liệu lớp kênh bóng bán dẫn màng mỏng (TFT) sử dụng bảng nối đa TFT hình phẳng (FPD) Một số vật liệu dựa oxit kim loại dựa kẽm, chẳng hạn Cu∙ZnO∙ZnAl2O4, ZnAlSnO, InGaZnO4,… nghiên