(Đồ án tốt nghiệp) khảo sát sự phụ thuộc của cấu trúc tinh thể và tính chất bề mặt của màng mỏng zno trên các loại đế silic

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CỦA CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT BỀ MẶT CỦA MÀNG MỎNG ZnO TRÊN CÁC LOẠI ĐẾ SILIC MÃ SỐ: SV2022-82 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: VÕ THANH LAN SKC008118 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CỦA CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT BỀ MẶT CỦA MÀNG MỎNG ZnO TRÊN CÁC LOẠI ĐẾ SILIC SV2022-82 Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học SV thực hiện: Võ Thanh Lan Nam, Nữ: Nữ Dân tộc: Kinh Lớp: 18130SEMI Khoa: Khoa học ứng dụng Năm thứ: /Số năm đào tạo: Ngành học: Công nghệ Vật liệu (Ghi rõ họ tên SV chịu trách nhiệm thực đề tài) Người hướng dẫn: TS Phạm Thị Kim Hằng TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Khảo sát phụ thuộc cấu trúc tinh thể tính chất bề mặt màng mỏng ZnO loại đế Silic - Chủ nhiệm đề tài: Võ Thanh Lan Mã số SV: 18130027 - Lớp: 18130SEMI Khoa: Khoa học ứng dụng - Thành viên đề tài: Stt Họ tên MSSV Lớp Khoa Nguyễn Thị Thanh Trúc 18130048 18130SEMI Khoa học ứng dụng Trương Võ Đoan Thanh 17130041 17130SEMI Khoa học ứng dụng - Người hướng dẫn: TS Phạm Thị Kim Hằng Mục tiêu đề tài: Dưới phát triển công nghệ đại, thiết bị ngày sản xuất kích thước nhỏ với hiệu suất tốt chi phí rẻ Nhu cầu dẫn đến phát triển mạnh mẽ công nghệ vật liệu để đáp ứng yêu cầu ngành công nghiệp bán dẫn nay, đặc biệt công nghệ màng mỏng vật liệu nano Việc chế tạo màng mỏng kích thước nano tạo số thay đổi tính chất điện, nhiệt, từ, quang vật liệu nhờ hiệu ứng bề mặt lượng tử vật liệu nano Điều giúp thúc đẩy khả hấp phụ, tăng hoạt động bề mặt mặt phân cách vật liệu góp phần tăng hiệu suất thiết bị cảm biến Vì vậy, nghiên cứu chế tạo vật liệu dạng màng mỏng với kích thước nano thu hút quan tâm nghiên cứu Trong nghiên cứu này, tập trung nghiên cứu phụ thuộc cấu trúc tinh thể tính chất bề mặt zinc oxide (ZnO) loại đế Si (100), Si (111) SiO2 thay đổi nhiệt độ mọc đế Si (100) Sự khác hình thái bề mặt cấu trúc tinh thể đươc tìm thấy mọc i điều kiện công suất phún, thời gian phún loại đế khác phương pháp phún xạ RF- magnetron Cấu trúc tinh thể nano ZnO đươc khảo sát phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Phép đo kính hiển vi điện tử quét SEM đươc sử dụng để khảo sát hình thái bề mặt Các nano ZnO đươc mọc phương pháp phún xạ RF- magnetron, phún xạ ZnO loại đế: Si (100), Si (111) SiO2 nhiệt độ thông số Tính sáng tạo: Nhiệt độ phún cung cấp lượng cho nguyên tử để chiếm vị trí ưu tiên Bằng cách kiểm sốt nhiệt độ phún, màng mỏng ZnO tạo khác biệt độ kết tinh tính chất bề mặt, phép đo phân lớp (giàu Zn-richor O) khuyết tật (vị trí oxy, chỗ trống kẽm, kẽ ơxy, kẽ kẽm) Hơn nữa, chất lượng tinh thể màng ZnO phụ thuộc nhiều vào phương pháp lắng đọng Kết nghiên cứu: Kết cho thấy tất nano ZnO đươc phát triển theo hướng thẳng đứng dọc theo trục c Các mẫu có mật độ khác kích thước hình thái tùy theo loại đế sử dụng Ở đế Si (100) khảo sát đươc nhiệt độ 375oC lý tưởng để mọc nano ZnO loại đế dựa số liệu hình ảnh thu đươc tử hai phép đo Hình ảnh SEM phổ XRD cho thấy mâu mọc đế Si (111) có độ kết tinh có hình thái cấu trúc bề mặt nano ZnO tốt mâu lại Nghiên cứu chúng tơi việc kiểm sốt tốt nhiệt độ sử dụng đế phù hơp thơng qua hình thái bề mặt đặc tính cấu trúc vật liệu ZnO, giúp ích cho vật liệu có triển vọng ứng dụng thiết bị tương lai Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Tạo tiền đề cho nghiên cứu phát triển Đồng thời mở hướng nghiên cứu cho hệ sau Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật (Journal of Technical Education Science) Ngày 14 tháng 11 năm 2022 ii SV chịu trách nhiệm thực đề tài Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học SV thực đề tài (phần người hướng dẫn ghi): Nhóm sinh viên thực khối lượng công việc tương đối lớn cho đề tài sinh viên Nhóm đưa từ ý tưởng, tạo mẫu, đo đạc phân tích, Sau tổng hợp viết báo cáo đăng tạp chí Bài báo" Effects of Growth Temperature on Morphological and Structural Properties of ZnO Films" chấp nhận đăng Journal of Technical Education Science Kính mong Hội đồng đồng ý cho nhóm sinh viên nghiệm thu đề tài Ngày 14 tháng 11 năm 2022 Người hướng dẫn Phạm Thị Kim Hằng iii MỞ ĐẦU Với độ rộng vùng cấm trực tiếp lớn (3,37 eV), lương liên kết exciton lớn (60 meV), độ ổn định nhiệt hóa học tuyệt vời, ZnO chất bán dẫn đa chức quan trọng có nhiều ứng dụng quang điện hóa tiềm ánh sáng- điốt phát quang, ống dân sóng quang học, tế bào quang điện nhạy cảm với thuốc nhuộm, cảm biến khí dân điện suốt, v.v [1] Do đó, việc chế tạo cấu trúc nano ZnO mảng có định hướng, liên kết có trật tự cao có ý nghĩa quan trọng phát triển thiết bị Hơn nưa, việc dần cải tiến chế tạo vật liệu tiền đề để phát triển ứng dụng tương lai Trong số phương pháp chế tạo vật liệu này, phương pháp phún xạ đươc lựa chọn sử dụng nhiều cho cơng trình nghiên cứu nhờ khả tạo mâu [9], có định hướng tốt khả lập lại mâu cao Ngồi ra, thúc đẩy hình thành tinh thể trục c kích thước hạt lớn, làm tăng vận chuyển hạt tải điện với khả kiểm soát tốt phù hơp [13] Các thông số mọc mâu tùy loại đế ảnh hưởng nhiều đến khả tạo nano ZnO Vì vậy, chế tạo khảo sát cấu trúc tinh thể tính chất bề mặt nano ZnO loại đế Si (111), Si (100) SiO2 thay đổi nhiệt độ mọc vơ cấp thiết tính chất quan trọng định tính chất điện quang Trong nghiên cứu này, tập trung nghiên cứu phụ thuộc cấu trúc tinh thể tính chất bề mặt zinc oxide (ZnO) loại đế Si (100), Si (111) SiO2 thay đổi nhiệt độ mọc đế Si (100) Sự khác hình thái bề mặt cấu trúc tinh thể đươc tìm thấy mọc điều kiện công suất phún, thời gian phún loại đế khác phương pháp phún xạ RF- magnetron Cấu trúc tinh thể nano ZnO đươc khảo sát phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Phép đo kính hiển vi điện tử quét SEM đươc sử dụng để khảo sát hình thái bề mặt Các nano ZnO đươc iv mọc phương pháp phún xạ RF- magnetron thực phún xạ ZnO loại đế: Si (100), Si (111) SiO nhiệt độ thông số Kết cho thấy tất nano ZnO đươc phát triển theo hướng thẳng đứng dọc theo trục c Các mẫu có mật độ khác kích thước hình thái tùy theo loại đế sử dụng Hình ảnh SEM phổ XRD cho thấy mâu mọc đế Si (111) có độ kết tinh có hình thái cấu trúc bề mặt nano ZnO tốt mâu cịn lại Nghiên cứu chúng tơi việc kiểm soát tốt nhiệt độ sử dụng đế phù hơp thơng qua hình thái bề mặt đặc tính cấu trúc vật liệu ZnO, giúp ích cho vật liệu có triển vọng ứng dụng thiết bị tương lai v MỤC LỤC THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI i MỞ ĐẦU iv DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC HÌNH ẢNH x Chương Giới thiệu tổng quan vật liệu ZnO 1.1 Tổng quan vật liệu khối ZnO 1.1.1 Cấu trúc tinh thể 1.1.2 Tính chất điện ZnO 1.1.3 Tính chất quang ZnO Chương Chế tạo phương pháp khảo sát màng mỏng ZnO .10 2.1 Chế tạo màng mỏng ZnO 10 2.1.1 Phương pháp phún xạ RF-magnetron 10 2.1.2 Quá trình chế tạo màng mỏng ZnO 14 2.1.2.1 Giai đoạn khởi động máy bơm chân không buồng 17 2.1.2.2 Giai đoạn tạo plasma phủ ZnO lên Si(100) 17 2.1.2.3 Giai đoạn tắt máy 18 2.1.2.4 Giai đoạn lấy mẫu 18 2.2 Các phương pháp khảo sát vật liệu 19 2.2.1 Phép đo nhiễu xạ tia X 19 2.2.2 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) 21 CHƯƠNG Sự phụ thuộc cấu trúc tinh thể bề mặt màng mỏng ZnO theo nhiệt độ mọc khác .24 3.2 Sự phụ thuộc nano ZnO đế Si (100), Si (111), SiO2 24 3.2.1 Tính chất hình thái bề mặt nano ZnO 24 3.2.2 Đặc điểm cấu trúc bề mặt vật liệu nano ZnO 29 CHƯƠNG KẾT LUẬN 34 vi TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 vii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT RF Radio Frequency SEM Scanning Electron Microscopy XRD X-ray diffraction LED Light-Emitting Diodes FET Field-Effect Transistor PV photovoltaics FE Field Emission IPA isopropyl alcohol HF Axit flohydric DI deionized water EDX energy-dispersive x-ray FWHM full width at half maximum viii