Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NƠNG THỊ BÍCH NGỌC CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU INDIUM SELENIDE BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Trang 2 Đ
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NÔNG THỊ BÍCH NGỌC CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU INDIUM SELENIDE BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT THÁI NGUYÊN - 2023 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NÔNG THỊ BÍCH NGỌC CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU INDIUM SELENIDE BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ Ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Văn Long PGS.TS Nguyễn Xuân Ca THÁI NGUYÊN – 2023 i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thành luận văn “Chế tạo và khảo sát tính chất quang của vật liệu Indium Selenide bằng phương pháp phún xạ”, em đã nhận được những lời chỉ bảo tận tình từ các thầy cô tham gia giảng dạy lớp Cao học K15A16, các thầy cô trong khoa Viện Khoa học và Công nghệ trường Đại học Khoa học Thái Nguyên đã truyền đạt cho em những kiến thức hết sức quý giá giúp em hoàn thành luận văn này Đầu tiên em xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến TS Lê Văn Long và PGS.TS Nguyễn Xuân Ca, hai thầy là người trực tiếp hướng dẫn em, người đã hết lòng giúp đỡ, định hướng kịp thời và luôn tạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt quá trình học tập và chuẩn bị, nghiên cứu, hoàn thành luận văn Em xin được cảm ơn các thầy cô Viện Khoa học và Công nghệ trường Đại học Khoa học, các thầy cô Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hướng dẫn em làm thí nghiệm và tạo điều kiện thuận lợi cho em về sử dụng các thiết bị trong suốt quá trình thực nghiệm Dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện nhưng chắc chắn rằng luận văn này sẽ không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn được bổ sung hoàn thiện hơn Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 30 tháng 9 năm 2023 Học viên Nông Thị Bích Ngọc ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH .v MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU INDIUM SELENIDE 3 1.1 Tổng quan về vật liệu Indium Selenide 3 1.2 Một số phương pháp chế tạo vật liệu Indium Selennide 11 1.2.1 Phương pháp bốc bay nhiệt (Thermal Evaporation) 11 1.2.2 Phương pháp phún xạ .12 1.2.3 Phương pháp phun nóng 13 CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 14 2.1 Chế tạo màng mỏng Indium Selenide bằng phương pháp phún xạ .14 2.2 Các phương pháp khảo sát đặc trưng của vật liệu 15 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X .15 2.2.2 Phương pháp phổ tán xạ Raman 16 2.2.3 Phương pháp khảo sát hình thái học bằng hiển vị điện tử quét (SEM) 19 2.2.4 Kỹ thuật phân tích thành phần bằng phổ tán sắc năng lượng tia X .21 2.2.5 Phương pháp ellipsometry 22 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Nghiên cứu cấu trúc và thành phần 30 3.1.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X .30 3.1.2 Phổ tán xạ Raman .31 3.1.3 Phân tích thành phần (EDS) .33 iii 3.2 Nghiên cứu vi hình thái 35 3.3 Phân tích ellipsometry 38 3.4 Kết quả khảo sát tính chất quang điện hóa 42 CHƯƠNG 4 .44 KẾT LUẬN 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Những ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật đo ellipsometry 22 Bảng 3.1 Thành phần hóa học của màng mỏng InSe theo thời gian phún xạ 34 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Giản đồ pha của hợp chất hai thành phần In-Se [29] 3 Hình 1.2 Một số cấu trúc tinh thể phổ biến của vật liệu InSe C0 và a0 tương ứng là các hằng số mạng theo phương vuông góc và song song với mặt phẳng tách lớp [36] 4 Hình 1.3 Giản đồ nhiễu xạ XRD của màng mỏng In3Se4 (a) – (b) trước khi ủ và (c) – (d) sau khi ủ với độ dày 250 và 300 nm [40] .5 Hình 1.4 (a) Hàm giả chiết suất e ⊥ =e ⊥1 +i e ⊥2 và (b) giả chiết suất phức N⊥ = n⊥1 +i k⊥2 của đơn tinh thể ε-InSe 6 Hình 1.5 (a) Hình ảnh và sơ đồ của ống thạch anh được sử dụng trong việc chế tạo vật liệu InxSey trên ε-GaSe Sự biến đổi nhiệt độ trong ống thạch anh cho phép hình thành các pha khác nhau của InxSey (b)-(e) Cấu trúc của một số pha khác nhau của tinh thể InSe và In2Se3 [53] 7 Hình 1.6 (a) Phổ tán xạ Raman và (b) Raman mapping của các phiến InxSey [53] 8 Hình 1.7 (a) Phổ huỳnh quang tại nhiệt độ phòng và ở 10 K của mẫu γ-InSe, α-In2Se3, β- In2Se3 and γ- In2Se3 trên đế ε-GaSe (b) Giản đồ thể hiện sự sắp xếp năng lượng vùng cấm của các vật liệu trong các công bố trước đó [54,55] tương đối trùng khớp với kết quả trong nghiên cứu [53] 8 Hình 1.8 Hình minh họa một hệ quang điện hóa được sử dụng trong nghiên cứu [28] 9 Hình 1.9 Sự phụ thuộc của mật dộ dòng (J) vào điện thế được áp (V) của các màng γ- In2Se3 được phún xạ trong các khoảng thời gian khác nhau từ 10 đến 30 phút 10 Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý bốc bay chân không [64] 11 Hình 1.11 Sơ đồ biểu diễn thiết bị phún xạ magnetron và quá trình lắng đọng màng [65] .13 Hình 2.1 Mô tả hiện tượng nhiễu xạ của một chùm tia X có bước sóng λ chiếu tới một tinh thể chất rắn dưới góc tới θ 15 Hình 2.2 Mô hình tán xạ Raman 17 Hình 2.3 Mô hình năng lượng và quá trình tán xạ .17 Hình 2.4 Hệ huỳnh quang phân giải phổ cao iHR-550 (Viện KHVL) 18 Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc hệ đo kính hiển vi điện tử quét (SEM) 19 Hình 2.6 Hệ FE-SEM S-4800, HITACHI (Viện KHVL) .21 vi Hình 2.7 Nguyên lý đo của phương pháp ellipsometry .23 Hình 2.8 Giao thoa quang học của màng mỏng trên đế .27 Hình 2.9 Mô hình quang học đối với cấu trúc môi trường/ màng mỏng/ đế Trong hình này, rjk (t jk ) là hệ số biên độ phản xạ (truyền qua) .28 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mảng mỏng InSe (a,b) dữ liệu mô phỏng của các cấu trúc lập phương InSe và lục giác γ-InSe (c) Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu màng lắng đọng trong 30 phút (d-g) Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu được phún xạ và được ủ trong khí N2 ở 300 oC trong 60 phút 31 Hình 3.2 Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng mỏng sau khi phún xạ trong khoảng thời gian (a) 5 phút, (b) 10 phút, (c) 20 phút và (d) 30 phút 32 Hình 3.3 Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng mỏng sau khi ủ ở 300oC trong khí N2 trong 60 phút với thời gian phún xạ khác nhau (a) 5 phút, (b) 10 phút, (c) 20 phút và (d) 30 phút 33 Hình 3.4 Phổ EDS của màng InSe được chế tạo với thời gian phún xạ (a) 5 phút, (b) 10 phút, (c) 20 phút và (d) 30 phút 34 Hình 3.5 Ảnh SEM bề mặt của các mẫu màng mỏng InSe với thời gian phún xạ lần lượt (a) 5 phút, (b) 10 phút, (c) 20 phút và (d) 30 phút 35 Hình 3.6 Ảnh FE-SEM mặt cắt của các mẫu màng mỏng InSe với thời gian phún xạ lần lượt (a) 5 phút, (b) 10 phút, (c) 20 phút và (d) 30 phút 36 Hình 3.7 Ảnh FE-SEM bề mặt của các mẫu màng mỏng InSe sau khi ủ trong khí N2 ở 300oC trong 60 phút với thời gian phún xạ lần lượt (a) 5 phút, (b) 10 phút, (c) 20 phút và (d) 30 phút .37 Hình 3.8 Ảnh FE-SEM mặt cắt của các mẫu màng mỏng InSe sau khi ủ trong khí N2 ở 300oC trong 60 phút với thời gian phún xạ lần lượt (a) 5 phút, (b) 10 phút, (c) 20 phút và (d) 30 phút 37 Hình 3.9 Mô hình quang học được sử dụng để trích xuất hàm điện môi phức và chiết xuất phức của màng mỏng InSe lắng đọng trên đế Si 38 Hình 3.10 Biên độ (Ψ) và pha (Δ) của tỷ số giữa các hệ số phản xạ phân cực p và s thu được từ phép đo ellipsometry ở các góc tới (angle of incidence – AOI) 60,3; 65,3 và 70,3o của các mẫu màng InSe với thời gian phún xạ (a) 5 phút, (b) 10 phút, (c) 20 phút và (d) 30 phút 39 vii Hình 3.11 (a) Thành phần thực và (b) thành phần ảo của hàm điện mỗi của các màng mỏng InSe được trích xuất từ hình 3.10 40 Hình 3.12 Biên độ (Ψ) và pha (Δ) của tỷ số giữa các hệ số phản xạ phân cực p và s thu được từ phép đo ellipsometry ở các góc tới (angle of incidence – AOI) 60,3; 65,3 và 70,3o của các mẫu màng InSe với thời gian phún xạ (a) 5 phút, (b) 10 phút, (c) 20 phút và (d) 30 phút 41 Hình 3.13 (a) Thành phần thực và (b) thành phần ảo của hàm điện mỗi của các màng mỏng InSe được trích xuất từ hình 3.12 42 Hình 3.14 Sự phụ thuộc của mật độ dòng quang điện vào điện thế áp vào .43 1 MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Kể từ khi graphene lần đầu tiên được phát hiện vào năm 2004 [1], hàng loạt các vật liệu hai chiều (2D) đã được tập trung nghiên cứu Vật liệu 2D thu hút được sự quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ do các đặc tính vật lí thú vị của chúng, chẳng hạn như độ linh động điện tử cao và độ rộng vùng cấm có thể điều chỉnh được bằng cách thay đổi cấu trúc từ đơn lớp đến đa lớp [2] Với các tính chất thú vị kể trên, vật liệu 2D trở thành ứng cử viên tiềm năng cho các ứng dụng trong điện cực trong suốt, vật liệu tổng hợp dẫn điện, màng tách khí và quang học phi tuyến [3,4] Indium Selenide (InSe) là một thành viên của họ tinh thể bán dẫn phân lớp AIIIBVI, cũng tương tự như các tinh thể bán dẫn gallium selenide (GaSe), gallium telluride (GaTe) và gallium sulphide (GaS) Các tinh thể bán dẫn phân lớp này có tính dị hướng mạnh trong liên kết hóa học ở giữa và bên trong các lớp vì các lớp được liên kết với nhau bằng lực Van der Waals yếu trong khi bên trong các lớp, liên kết cộng hóa trị chiếm ưu thế InSe kết tinh theo kiểu xếp chồng của các lớp, mỗi đơn lớp bao gồm hai lớp con Indium và hai Selenium theo trình tự xếp chồng Se-In-In-Se dọc theo trục c [5] InSe có độ rộng vùng cấm khoảng 1,3 eV ở nhiệt độ phòng [6], đặc tính này khiến nó trở thành vật liệu tiềm năng trong ứng dụng làm pin mặt trời [7,8] và thiết bị quang điện tử [9,10] Có khá nhiều hợp chất được xác định trong giản đồ pha của In- Se như InSe, In2Se3,In3Se8, InSe2… [11] Giản đồ pha của In-Se bao gồm rất nhiều pha bền, do vậy kỹ thuật lắng đọng, các nguyên liệu ban đầu và điều kiện chế tạo rất quan trọng vì khả năng xuất hiện các pha thứ cấp khác nhau trong quá trình chế tạo màng mỏng InSe Ngoài ra, kỹ thuật lắng đọng có thể ảnh hưởng đến cấu trúc, tính chất quang và điện của màng mỏng Mặc dù đã có một số nghiên cứu về sự phát triển và đặc tính của màng mỏng InSe được lắng đọng bằng các kỹ thuật khác nhau [12–15], tuy nhiên chúng tôi nhận thấy các phương pháp trên khá phức tạp và không dễ thực hiện Thêm nữa, các công bố về ảnh hưởng của điều kiện chế tạo đến cấu trúc và các đặc tính quang, điện của màng mỏng InSe chưa có nhiều Dựa trên những điều kiện và trang thiết bị hiện có tại phòng thí nghiệm, chúng tôi lựa chọn phương pháp phún xạ để chế tạo màng mỏng InSe và khảo sát ảnh hưởng của điều kiện chế tạo lên cấu trúc và tính chất của vật liệu, nhằm