Trang 1 B ỘGIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI H C BÁCH KHOA HÀ NỘI Ọ--- NGUYỄN HOÀNG TU N ẤKHẢO SÁT CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA DÂY NANO SILIC CHẾ Ạ T O B NG PHƯƠNG PHÁP PHÚN X VÀ BỐẰẠC
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN HOÀNG TUẤN KHẢO SÁT CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA DÂY NANO SILIC CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ VÀ BỐC BAY NHIỆT Chuyên ngành : VẬT LÝ KĨ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ KĨ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN HỮU LÂM Hà Nội – Năm 2013 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131832571000000 Luận văn thạc sĩ khoa học ||2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nội dung luận văn thân tơi hồn thành q trình làm cao học chưa đuợc cơng bố cơng trình nghiên cứu nuớc khác [Date] Luận văn thạc sĩ khoa học ||2013 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS TS Nguyễn Hữu Lâm, giáo viên hướng dẫn - người định hướng, bảo tận tình giúp đỡ tơi suốt q trình nghiên cứu làm luận văn cao học Tôi xin gửi lời cảm ơn tới ThS Nguyễn Thị Thúy Chị giúp đỡ, bảo, cung cấp cho nguồn tài liệu tham khảo có ích giúp tơi hiểu rõ nhiều vấn đề trình nghiên cứu khoa học Tôi xin chân thành cảm ơn môn Vật liệu điện tử tạo điều kiện cho tham gia, tiếp cận sở vật chất sử dụng tài liệu phục vụ cho công tác nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện Vật lý kỹ thuật, thầy cô, anh chị tạo điều kiện thời gian tinh thần giúp tơi hồn thành khóa học cao học Cuối muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè người quen động viên, chia sẻ cho lời khun hữu ích để tơi thực khóa học Hà nội, ngày 24 tháng 12 năm 2013 Học viên Nguyễn Hoàng Tuấn [Date] Luận văn thạc sĩ khoa học ||2013 MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 Chương .3 1.1 Vật liệu khối Silic .3 1.1.1 Cấu trúc tinh thể Si .3 1.1.2 Cấu trúc vùng lượng Si .4 1.2 Tính chất dây nano Si 1.2.1 Cấu trúc vùng lượng dây nano Si 1.2.2 Tính chất quang dây nano Si .6 1.3 Sự hình thành dây nano Silic (SiNWs) 10 1.3.1 Sự hình thành hạt hợp kim Au-Si .10 1.3.2 Cơ chế VLS (Vapor- Liquid - Solid) 10 1.3.3 Cơ chế VS (Vapor-Solid) 12 1.3.4 Cơ chế OAG (Oxide Assisted Growth) 12 1.4 Một số phương pháp chế tạo dây nano Si .13 1.4.1 Phương pháp lắng đọng hóa học từ pha 13 1.4.2 Phương pháp bốc bay xung laser .15 1.4.3 Phương pháp epitaxy chùm phân tử 15 1.4.4 Phương pháp bốc bay chùm điện tử 16 1.4.5 Phương pháp bốc bay nhiệt 17 1.4.6 Phương pháp phún xạ RF 18 1.5 Một số ứng dụng dây nano Si 24 1.5.1 Pin mặt trời .24 1.5.2 Pin Lithium sử dụng dây nano Si .25 1.5.3 Cảm biến 26 Chương 30 2.1 Quy trình thực nghiệm 30 2.2 Thiết bị thực nghiệm .32 2.2.1 Hệ thống bốc bay chùm điện tử chân không (Electron beam – Physical vapor deposition) 32 [Date] Luận văn thạc sĩ khoa học ||2013 2.2.2 Hệ thống Phún xạ catot ( Cathode Sputtering) 34 2.2.3 Hệ lò CVD 35 2.3 Quá trình thực nghiệm 37 2.3.1 Chuẩn bị đế bia 37 2.3.2 Phủ lớp vàng làm xúc tác 38 2.3.3 Ủ, tạo hạt vàng chế tạo dây nano Silic pp phún xạ .39 2.3.4 Ủ tạo hạt vàng chế tạo dây nano Silic pp bốc bay nhiệt 41 2.4 Thiết bị phân tích mẫu 43 2.4.1 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) 44 2.4.2 Phương pháp phân tích huỳnh quang .44 2.4.3 Phương pháp phân tích Raman .45 Chương 46 3.1 Phân bố hạt xúc tác vàng bề mặt đế 46 3.2 Hình thái dây nano 48 3.3 Kết đo phổ hu ỳnh quang .51 3.4 Kết đo phổ Raman 55 KẾT LUẬN .58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 [Date] Luận văn thạc sĩ khoa học ||2013 MỞ ĐẦU Silic vật liệu quan trọng sử dụng nhiều công nghiệp vi điện tử Hầu hết linh kiện vi điện tử, chíp bán dẫn chế tạo dựa sở vật liệu Silic Tuy nhiên, có độ rộng vùng cấm hẹp (E g ~1,12eV) nhiệt độ phịng) cấu trúc vùng lượng khơng trực tiếp (indirect band gap), hiệu suất quang lượng tử Silic thấp η~10 -6 dẫn tới hạn chế khả ứng dụng vật liệu chế tạo linh kiện quang điện tử điốt phát quang, laser bán dẫn… Sự phát tình cờ khả phát quang Silic xốp vùng ánh sáng nhìn thấy nhiệt độ phòng năm 1990 tạo cách mạng nghiên cứu lần thứ hai vật liệu Silic Các nghiên cứu sau cho thấy vật liệu Silic xốp phát quang cấu trúc đặc biệt loại vật liệu này, tinh thể Silic có kích thước nano bao bọc lớp vỏ ơxít Silic Mặc dù có ưu điểm trội, khả ứng dụng Silic xốp chế tạo linh kiện hạn chế tính chất học yếu vật liệu chế tạo Do nghiên cứu nhằm chế tạo vật liệu nano Silic có cấu trúc tương tự Silic xốp có độ bền tính tương thích với cơng nghệ bán dẫn cao ln đặt Một loại vật liệu này, cấu trúc nano Silic thấp chiều thanh, dây đai nano Silic Với định hướng tinh thể cao, diện tích bề mặt lớn, độ rộng vùng cấm thay đổi (bằng cách thay đổi đường kính cấu trúc nano chiều), cấu trúc nano Silic chiều đánh giá có nhiều tiềm ứng dụng chế tạo pin mặt trời, cảm biến khí, cảm biến sinh học, điốt phát quang laser… Mặc dù nghiên cứu gần thập kỉ qua, cấu trúc tính chất quang cấu trúc chiều nano Silic nhiều vấn đề tranh cãi nguồn gốc đỉnh phát xạ vùng xanh lục, xanh lam, việc phát triển công nghệ chế tạo cấu trúc nano Silic chiều có độ ổn định lặp lại cao Chính khuôn khổ luận văn thạc sỹ, sở trang thiết bị sẵn có mơn Vật li ệu ện tử, Viện Vật lí Luận văn thạc sĩ khoa học ||2013 kĩ thuật, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, lựa chọn đề tài nghiên cứu luận văn là: “Khảo sát cấu trúc tính chất quang dây nano Silic chế tạo phương pháp phún xạ bốc bay nhiệt” Luận văn gồm ba chương: Chương 1: Tổng quan vật liệu Silic Chương 2: Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Chương 3: Kết thảo luận Chúng hi vọng kết nghiên cứu chế tạo khảo sát số tính chất vật liệu nano silic phần góp vào phát triển chung khoa học nước giới Luận văn thạc sĩ khoa học ||2013 Chương TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu khối Silic Silic nguyên tố phổ biến tự nhiên đứng thứ hai sau Oxy, chiếm 27,5% tỉ trọng lớp vỏ trái đất Silic không tồn độc lập mà thường tồn tự nhiên dạng hợp chất silic-dioxide silicate Cát, mã não, thạch anh, đá lửa, opan dạng tự nhiên Silic dạng ơxít Granit, amiăng, fenspat, đất sét, mica dạng khoáng chất Silicate Trong số hợp chất tồn tự nhiên cát thạch anh nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất vật liệu Silic công nghệ bán dẫn 1.1.1 Cấu trúc tinh thể Si Vật liệu Silic có dạng cấu trúc lập phương tâm mặt với gốc gồm hai nguyên a a a 4 tử, nguyên tử nút mạng (0,0,0) ngun tử thứ hai có tọa độ ( , , ) Đó mạng kim cương (D) với nhóm khơng gian có ký hiệu quốc tế (Fd3m) [1] Hằng số mạng Silic a 5,43A o, khoảng cách hai nguyên tử lân cận gần a = 2,43 A0 Hình 1.1.Mơ hình số mặt tinh thể lập phương quan trọng Luận văn thạc sĩ khoa học ||2013 Trong tinh thể Silic cấu trúc kim cương, mặt phẳng tinh thể quan trọng (100), (110) (111) (hình 1.1) Hướng xếp khít cấu trúc đường chéo mặt lập phương Do xếp chặt nguyên tử mặt khác khác nên lượng bề mặt mặt khác khác 1.1.2 Cấu trúc vùng lượng Si Cấu trúc vùng lượng Silic tách thành hai vùng cho phép ngăn cách vùng cấm Vùng phía chứa 4N điện tử điền đầy hoàn toàn, tạo nên vùng hóa trị bán dẫn Vùng phía chứa 4N điện tử trống hoàn toàn trở thành vùng dẫn Trong vùng hóa trị Silic có vùng chồng lên nhau, vùng (hay phân vùng) gọi nhánh lượng Hình 1.2 thể cấu trúc vùng lượng Silic với vùng theo hai phương Hình 1.2 Sơ đồ vùng lượng Si Khoảng cách lượng cực đại vùng hóa trị cực tiểu vùng dẫn bề rộng vùng cấm, Silic độ rộng vùng cấm ∆Eg = 1,17 eV K ∆Eg = 1,12 eV 300K Chúng ta thấy cực đại vùng hóa trị (đỉnh vùng hóa trị) nằm tâm vùng Brillouin, cực tiểu vùng dẫn (đáy vùng dẫn) nằm Luận văn thạc sĩ khoa học ||2013 điểm hướng Γ∆X vùng Brillouin, nghĩa đỉnh vùng hóa trị đáy vùng dẫn khơng nằm điểm vùng Brillouin, trường hợp người ta gọi vùng cấm vùng cấm xiên 1.2 Tính chất dây nano Si 1.2.1 Cấu trúc vùng lượng dây nano Si Vật liệu khối Silic có cấu trúc vùng lượng dạng vùng cấm xiên, vật liệu nano Silic hiệu ứng giam giữ lượng tử nên trạng thái điện tử bị lượng tử hóa dẫn đến dây nano Silic có cấu trúc vùng lượng dạng vùng cấm thẳng [2] Hình 1.3 Mơ hình cấu trúc vùng lượng dây nano Silic [110] đường kính 1,7nm [2] Các mức lượng lỗ trống vùng hóa trị xảy xáo trộn chia nhỏ đáng kể vùng lỗ trống Trong vùng dẫn, độ uốn vùng dẫn giảm trung bình theo khối lượng hiệu dụng hạt tải điện dọc theo trục dây [2, 3] Sử dụng mô hình gần liên kết chặt để tính tốn, cho thấy dây nano Silic có cấu trúc vùng cấm thẳng theo định hướng mặt (100), (110) (111) [3]