34 Trang 9 vii Chương 3 Trang 10 viii DANH M C VIỤẾT T T ẮKý hiệu viết tắtNghĩa tiếng ViệtXRDEDS FT- IRHR-TEMPL PSI MACE SEM SiNC SiNW VLS Phổ nhiễu xạ tia X Phổ tán sắc năng lượng t
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI o0o NGUYỄN THỊ NGỌC LÂM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DÂY NANO SILIC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĂN MỊN HĨA HỌC CÓ SỰ TRỢ GIÚP CỦA KIM LOẠI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU HÀ NỘI - 2018 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204881941000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI o0o NGUYỄN THỊ NGỌC LÂM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DÂY NANO SILIC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĂN MỊN HĨA HỌC CĨ SỰ TRỢ GIÚP CỦA KIM LOẠI Chuyên ngành : KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Người hướng dẫn khoa học: TS NGÔ NGỌC HÀ HÀ NỘI - 2018 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Ngô Ngọc Hà, người thầy tận tình hướng dẫn, bảo tạo điều kiện tốt cho em suốt trình học tập nghiên cứu để hoàn thành luận văn thạc sĩ Những chia sẻ, lời khuyên, lời động viên thầy giúp em có thêm động lực lúc khó khăn truyền cho em lịng say mê khoa học Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Đức Dũng, NCS Lê Thành Công, NCS Nguyễn Trường Giang, anh chị bạn nhóm nghiên cứu bên cạnh động viên, giúp đỡ cho em ý kiến đóng góp quý báu suốt trình thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS) – trường ĐH Bách Khoa Hà Nội cho phép tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt thời gian thực hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Văn Duy (Viện ITIMS - ĐH BKHN) vàTS Đặng Đức Vượng(Viện Vật lý Kỹ thuật – ĐH BKHN) giúp em thực phép đo thảo luận liên quan đến đặc trưng đáp ứng điện trở cảm biến SiNWs Cuối em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình bạn bè, người bên chia sẻ, giúp đỡ động viên Hà Nội, tháng năm 2018 Học viên Nguyễn Thị Ngọc Lâm i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn tơi nhóm nghiên cứu nghiên cứu suốt thời gian học thạc sĩ, số liệu kết trung thực chưa công bố cơng trình sở khác dạng luận văn Người cam đoan Nguyễn Thị Ngọc Lâm ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .1 LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .5 1.1 Sơ lược vật liệu silic 1.1.1 Cấu trúc tinh thể 1.1.2 Cấu trúc vùng lượng .6 1.2 Các loại bán dẫn chứa loại tạp chất 1.2.1 Bán dẫn loại n 1.2.2 Bán dẫn loại p 1.3 Sự phát quang vật liệu 11 1.3.1 Các trình tái hợp vật liệu bán dẫn khối .11 1.3.2 Sự phát quang vật liệu kích thước nano 15 1.4 Phương pháp ăn mịn hóa học có trợ giúp kim loại 18 1.4.1 Cơ chế ăn mòn 18 1.4.2 Các phản ứng hóa học 19 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 22 2.1 Chế tạo dây nano silic 22 2.1.1 Vật liệu ban đầu 22 2.1.2 Quy trình chế tạo 23 2.1.3 Các mẫu chế tạo .24 iii 2.2 Các phương pháp phân tích mẫu 25 2.2.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét 25 2.2.2 Phương pháp phổ tán sắc lượng tia X 27 2.2.3 Phương pháp phân tích phổ Raman 28 2.2.4 Phương pháp phân tích phổ huỳnh quang 29 2.2.5 Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 30 2.2.6 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao 32 2.2.7 Phương pháp đo cảm biến khí 33 2.2.8 Phương pháp nhiễu xạ tia X 35 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37 3.1 Nồng độ AgNO3 dung dịch lắng đọng hạt Ag hình thái cấu trúc SiNWs tạo thành .37 3.2 Ảnh hưởng thời gian ăn mòn đến hình thái cấu trúc SiNWs 41 3.3 Loại bán dẫn Si hình thái cấu trúc bề mặt SiNWs 43 3.4 Khảo sát tính chất huỳnh quang SiNWs .45 3.4.1 Tính chất huỳnh quang SiNWs loại n 45 3.4.2 Tính chất huỳnh quang SiNWs loại p 49 KẾT LUẬN .54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 61 iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thơng số loại hóa chất .22 Bảng 2.2 Tham số mẫu chế tạo tỉ lệ nồng độ hỗn hợp dung dịch sử dụng 25 v DANH MỤC HÌNH VẼ Chương Hình 1.1.Cấu trúc mạng tinh thể Si Hình 1.2 Một số mặt tinh thể quan trọng tinh thể Si Hình 1.3 Cấu trúc vùng lượng vật liệu bán dẫn Hình 1.4 Cấu trúc vùng lượng Si Hình 1.5 Liên kết nguyên tử cấu trúc vùng lượng bán dẫn loại n Hình 1.6 Liên kết nguyên tử cấu trúc vùng lượng bán dẫn loại p 11 Hình 1.7 Mơ hình tái hợp chuyển mức xiên 12 Hình 1.8 Mơ hình tái hợp exciton 14 Hình 1.9 Mơ hình tái hợp thơng qua donor acceptor 14 Hình 1.10 Giản đồ lượng vùng cấm theo kích thước vật liệu 16 Hình 1.11 Sơ đồ minh họa tái hợp điện tử - lỗ trống thông qua tâm phát quang định lớp SiO2 18 Hình 1.12 Q trình ăn mịn Si phương pháp MACE .19 Hình 1.13 Giản đồ mối liên hệ lượng vùng đế Si lượng điện hóa hệ oxi hóa khử Ag +/Ag, H2O2/H2O 20 Chương Hình 2.1 Quy trình chế tạo SiNWs phương pháp MACE .23 Hình 2.2 Hình ảnh hiển vi điện tử quét JSM-7600F viện AIST (a) sơ đồ nguyên lý làm việc (b) .26 Hình 2.3 Hệ đo phổ Raman Viện Vật lý Kỹ thuật 29 Hình 2.4 Hệ đo phổ huỳnh quang Viện Khoa học Vật liệu 30 Hình 2.5 Hình ảnh hệ đo phổ FT-IR (a) sơ đồ nguyên lý làm việc (b) .32 Hình 2.6 Hệ thiết bị HRTEM viện Khoa học Vật liệu 33 Hình 2.7 Hệ đo thay đổi điện trở cảm biến khí viện ITIMS 34 Hình 2.8 Hệ đo phổ XRD Khoa Lý, ĐH KHTN .36 vi Chương Hình 3.1 Ảnh SEM bề mặt phiến Si sau lắng đọng hạt Ag dung dịch HF AgNO3 có nồng độ thay đổi (cột bên trái), ảnh SEM bề mặt (ở giữa) ảnh SEM mặt cắt (cột bên phải) tương ứng sau ăn mòn dung dịch HF H 2O2 thời gian 90 phút 39 Hình 3.2 Ảnh SEM EDS mẫu M3 sau ăn mòn 50 phút, màu đỏ (c) thể phân bố Si màu vàng (d) thể phân bố Ag 40 Hình 3.3 Sự phụ thuộc chiều dài SiNWs vào thời gian ăn mòn mẫu M1 M4, (a) ảnh SEM bề mặt mẫu M4 ăn mòn sau 20 phút, (b, c,d, e) ảnh SEM mặt cắt mẫu M4 ăn mòn sau 50, 70, 90 110 phút .42 Hình 3.4 Ảnh SEM bề mặt mẫu M4 sau ăn mòn 50, 70, 90 110 phút 43 Hình 3.5 Ảnh SEM bề mặt mẫu SiNWs ăn mòn từ phiến Si khác nhau: Si loại n (M3, M4), Si loại p- (M6, M7), Si loại p+ (M8, M9); với (M3, M6, M8) (M4, M7, M9) có điều kiện chế tạo .45 Hình 3.6 Đồ thị đáp ứng điện trở cảm biến SiNWs ( mẫu M3 ăn mịn sau 90 phút) tiếp xúc khí ethanol nhiệt độ làm việc 300 °C điện áp 35 V 46 Hình 3.7 Phổ Raman mẫu SiNWs ăn mòn 90 phút sau lắng đọng hạt Ag từ dung dịch có nồng độ AgNO thay đổi .47 Hình 3.8 Phổ PL mẫu SiNWs loại n ăn mòn 90 phút sau lắng đọng hạt Ag từ dung dịch có nồng độ AgN0 khác 48 Hình 3.9 Phổ FT-IR mẫu SiNWs ăn mòn 90 phút sau lắng đọng hạt Ag từ dung dịch có nồng độ AgNO thay đổi .49 Hình 3.10 Phổ PL mẫu SiNWs loại n (M3), mẫu SiNWs loại p - (M6) SiNWs loại p+ (M8) ăn mòn 90 phút sau lắng đọng hạt Ag từ dung dịch có nồng độ AgNO 25 mM 50 Hình 3.11 Phổ PL mẫu SiNWs loại p - (M7) loại p+ (M9) ăn mòn 90 phút sau lắng đọng hạt Ag từ dung dịch có nồng độ AgNO 30 mM 51 Hình 3.12 Ảnh HRTEM bề mặt SiNWs mẫu M9 ăn mòn 90 phút 52 Hình 3.13 Phổ XRD mẫu M1 53 vii DANH MỤC VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Nghĩa tiếng Việt XRD Phổ nhiễu xạ tia X EDS Phổ tán sắc lượng tia X FT-IR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier HR-TEM Hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao PL Phổ huỳnh quang PSI Silic xốp MACE Ăn mịn hóa học có trợ giúp kim loại SEM Hiển vi điện tử quét SiNC Hạt nano tinh thể Si SiNW Dây nano silic VLS Phương pháp lắng đọng từ pha viii