báo cáo thu hoạch nhập môn kỹ thuật vi điện tử và công nghệ nano

Quá trình này có thể giảiphóng năng lượng dưới dạng ánh sáng hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó.-Vật liệu chế tạo LED: vật liệu vô cơ silic, photpho, Bo…; vật liệu hữu cơ Polyeth

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG VẬT LIỆU

KHOA VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ VÀ LINH KIỆN

BÁO CÁO THU HOẠCH

NHẬP MÔN KỸ THUẬT VI ĐIỆN TỬ VÀ CÔNG NGHỆ NANO

Sinh viên: Vũ Hải Ninh MSSV: 20237859 Lớp: MS2-02 Nhóm: 03

Giảng viên: Đào Thị Thuỷ Nguyệt

Hà Nội tháng 1 năm 2024

Mục Lục

I.Lý thuyết nhập môn kỹ thuật vi điện tử và công nghệ nano 3

1.1 Nội dung 1: Giới thiệu tổng quan 3

1.2 Nội dung 2: Kỹ thuật vi điện tử trong phát triển LED và ứng dụng 3

1.3 Nội dung 3: Công nghệ phòng sạch 5

1.4 Nội dung 4: Công nghệ MEMS trong kỹ thuật vi điện tử 5

1.5 Nội dung 5: Ứng dụng vật liệu từ trong linh kiện vi điện tử 6

1.6 Nội dung 6: Thiết kế vi mạch trong kỹ thuật vi điện tử 7

1.7 Nội dung 7: Kỹ thuật vi điện tử trong tích trữ năng lượng 8

1.8 Nội dung 8: Kỹ thuật vi điện tử trong cảm biến nano 8

II.Thu hoạch trải nghiệm tại phòng thí nghiệm 11

2.1 Nội dung 1: Trải nghiệm chế tạo vật liệu Yttrium Iron Garnet (Y Fe35O12) 11

2.2 Nội dung 2: Khảo sát cấu trúc vật liệu Yttrium Iron Garnet (Y3Fe5O12) 12

2.3 Nội dung 3: Quan sát hình thái vật liệu: 14

2.4 Nội dung 4: Khảo sát tính chất từ: 17

BÁO CÁO THU HOẠCH

1.1 Nội dung 1: Giới thiệu tổng quan

-Khái niệm công nghệ nano: Là lĩnh vực nghiên cứu trong đó đối tượng phảicó ít nhất một chiều tính bằng nanomét (<100 nm), là việc chế tạo các vậtliệu nano này ở dạng phù hợp cho ứng dụng mong muốn.

-Vật liệu nano: Là vật liệu có ít nhất một chiều tính bằng nanomét (<100 nm).-Ứng dụng của vật liệu nano: cảm biến sinh học, siêu tụ điện, pin Li Ion, …

1.2 Nội dung 2: Kỹ thuật vi điện tử trong phát triển LED và ứng dụng

a, Thị trường LED tạo Việt Nam

-Theo dự báo của IMARC Group, thị trường chiếu sáng LED Việt Nam được kỳ vọng sẽđạt giá trị 982,8 triệu USD vào năm 2028, với tốc độ tăng trưởng (CAGR) là 7% trong giai

đoạn 2023 - 2028.

(Hình ảnh: Thị trường chiếu sáng LED Việt Nam giai đoạn 2023 - 2028 - Đơn vị triệu USD-Nguồn: IMARC)- LED (light-emitting diode): là các loại đi-ốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồngngoại, tử ngoại.

- Cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n.

- Nguyên lí hoạt động của LED: Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tíchdương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xuhướng chuyển động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện

tích âm) từ khối n chuyển sang Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừađiện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống) Ở biên giớihai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúngcó xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này có thể giảiphóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).-Vật liệu chế tạo LED: vật liệu vô cơ (silic, photpho, Bo…); vật liệu hữu cơ (Polyethyleneterephthalate, Polycarbonates…).

b, Lịch sử phát triển của LED

-1927, Oleg Losev người đầu tiên chế tạo ra LED.

-1952, Giáo sư Kurt Lechovec là người đầu tiên giải thích nguyên lý hoạt động của LED.-1958, Rubin Braunstein và Egon Loebner đã chế tạo được LED phát quang xanh lá cây.-1962, Nick Holonyak đã chế tạo được LED phát ánh sáng đỏ.

-1968, HP sử dụng LED trong máy tính tay.

-1971, Jacques Pankove & Edward Miller phát minh ra LED phát ánh sáng xanh da trời.-1972, M George Crawford phát minh ra LED phát ánh sáng màu vàng.

-1986, Walden C Rhines & Herbert Maruska tại đại học Stafford tạo ra LED phát ánh sáng xanh da trời, tiền thân của LED ngày nay.

-1993, Hiroshi Amano & Isamu Akaski chế tạo thành công đơn vị tinh thể GaN để chế tạoLED phát quang ánh sáng xanh da trời có hiệu suất cao (Noble prize-2014).

1.3 Nội dung 3: Công nghệ phòng sạch

a, Khái niệm: là một phòng hoặc một khu vực được kiểm soát các yếu tố: lượng vàkích thước hạt bụi, áp suất, nhiệt độ, nhiễm chéo, độ ẩm…để tạo ra một môi trườngkhông khí sạch.

- Phòng sạch điện tử: là một căn phòng được thiết kế theo các tiêu chuẩn của phòngsạch phù hợp để sản xuất các thiết bị điện tử, đặc biệt các linh kiện điện tử và vi mạch.

Phòng sạch đại học Bách Khoa Hà Nội

c, Ứng dụng phòng sạch điện tử: chế tạo chất bán dẫn, sản xuất sợi quang, buồng chânkhông, bộ nhớ chip, quy trình nhạy cảm với tia cực tím, nghiên cứu EUV, lớp phủ chânkhông, in ấn, bao bì tấm silicon và chất nền…

1.4 Nội dung 4: Công nghệ MEMS trong kỹ thuật vi điện tử

được tích hợp từ các thành phàn cơ khí, cảm biến, bộ chấp hành và các mạch điện tử cùngnằm chung trên một lớp nền silicon thông qua công nghệ vi chế tạo.

b, Vật liệu: Silicon, polyme, kim loại, gốm sứ.

c, Quy trình chế tạo thiết bị bán dẫn: thiết kế mạch tích hợp, chế biến wafer, chuẩn bị khuôn, bao bì vi mạch, kiểm tra vi mạch.

1.5 Nội dung 5: Ứng dụng vật liệu từ trong linh kiện vi điện tử

a, Điện trường và từ trường

-Điện trường: là một trường điện tạo ra từ các đường lực điện bao quanh lấy điện tích.-Từ trường: là môi trường đặc biệt sinh ra quanh các điện tích chuyển động hoặc do sựbiến thiên của điện trường hoặc có nguồn gốc từ các mômen lưỡng cực từ như nam châm.b, Các dạng vật liệu từ

-Vật liệu nghịch từ: là vật liệu chỉ chứa các nguyên tử và phân tử không có mômen từ tĩnh.(Cu, Au, Zn, Hg, Ag, Si, …)

-Vật liệu thuận từ: là vật liệu chứa các nguyên tử có mômen từ tĩnh (Fe, Cr, Mo, Na, Ti,Zr, …)

-Vật liệu sắt từ- nam châm: là vật liệu chứa các nguyên tử có mômen từ tĩnh nhưng cácmômen này liên kết chặt chẽ với nhau (Fe, Co, Ni, hợp kim của chúng)

c, Ứng dụng

-Tích trữ và chuyển đổi năng lượng.-Lưu trữ thông tin.

-Cảm biến từ trong công nghệ thông tin, điều khiển, y sinh và môi trường.

1.6 Nội dung 6: Thiết kế vi mạch trong kỹ thuật vi điện tử

a, Khái niệm

-Vi mạch (chip, IC) là một cấu trúc điện tử phức tạp tạo thành từ việc tích hợp hàng trăm, hàng tỷ thành phần điện tử nhỏ khác nhau (transitor, đi-ốt, tụ điện, cuộn cảm…) trên một mảnh bán dẫn (thường là silic).

b, Ngành công nghệ chip bán dẫn

-Là một ngành đa quốc gia, không một công ty, quốc gia nào tự cung tự cấp chip từ khâu thiết kế đến sản xuất, ngay cả Mỹ Tuy nhiên, Mỹ vẫn là một mắt xích quan trọng trong chuỗi.

Design→Front-1.7 Nội dung 7: Kỹ thuật vi điện tử trong tích trữ năng lượng

a, Các nguồn năng lượng

- Năng lượng không tái tạo: xăng dầu, khí đốt, than đá, điện hạt nhân, …- Năng lượng tái tạo: thuỷ điện, địa nhiệt, nhiệt đại dương, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh khối, thuỷ triều, năng lượng sóng…

b, Kỹ thuật vi điện tử trong tích trữ năng lượng

- Pin mặt trời Silic: bao gồm nhiều tế bào quang điện là các phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt nhiều cảm biến ánh sáng.

- Pin mặt trời polymer dẻo là một loại pin mặt trời linh hoạt với nhiều kích cỡ khác nhau có thể uốn cong dễ dàng và có thể được lắp đặt tại các vị trí hẹp.

- Thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ học sang năng lượng điện- Pin tích trữ

1.8 Nội dung 8: Kỹ thuật vi điện tử trong cảm biến nano

phương pháp sau:

+ Hấp phụ: cảm biến sử dụng các vật liệu hấp phụ như than hoạt tính hoặc zeolite, khi tương tác với các loại khí độc dẫn đến thay đổi điện trở của cảm biến.+ Quang phổ: cảm biến sử dụng kỹ thuật quang phổ để phát hiện sự có mặt của các loại khí trong không khí.

+ Dẫn điện: cảm biến sử dụng sự thay đổi điện trở khi khí tương tác với các vật liệu dẫn điện như bạc hoặc các loại dẫn điện khác.

- Ứng dụng: giúp phát hiện khí gas, khí độc… trong nhà, nhà máy sản xuấthoá chất, nhà máy xử lý chất thải…

c, Cảm biến quang

- Khái niệm: là thiết bị kết hợp các linh kiện quang điện Khi tiếp xúc vớiánh sáng chúng sẽ thay đổi trạng thái dựa vào hiện tượng phát xạ điện tử ởcực Cathode tín hiệu quang sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện Từ đó cókhả năng phát hiện sự hiện diện của vật thể.

- Nguyên lí hoạt động: Khi cảm biến này hoạt động có hai trạng thái duy nhất đó là trạng thái có và không có vật cản Khi không có vật cản, hai cảm biến phát sáng và thu sáng sẽ diễn ra liên tục với nhau Khi có vật cản, cảm biến phát vẫn sẽ phát ra ánh sáng nhưng docó vật cản ở giữa nên cảm biến thu sẽ không thu được ánh sáng Từ đó vật thể được nhậndiện.

- Ứng dụng: công nghiệp, an ninh và an toàn, hệ thống tự động, y tế, robot và tựđộng hoá…

d, Ứng dụng chip cảm biến trong các thiết bị điện- điện tử

- Chip cảm biến áp suất, cảm biến trong điện thoại thông minh, IoT, …

II Thu hoạch trải nghiệm tại phòng thí nghiệm

2.1 Nội dung 1: Trải nghiệm chế tạo vật liệu Yttrium Iron Garnet (Y3Fe5O12)a Chuẩn bị thực nghiệm:

Acid Citric 3MAcid Nitric H(NO )3

b Phương pháp chế tạo: Phương pháp sol-gel

- Phương pháp sol-gel là phương pháp tổng hợp hóa học, rất thích hợp để chếtạo các vật liệu dạng hạt hoặc dạng màng So với các phương pháp vật lý hoặcphương pháp gốm thì phương pháp sol-gel chỉ cần chế tạo mẫu ở nhiệt độ thấphơn, thiết bị đơn giản hơn.

- Phương pháp sol-gel đi từ các muối kim loại được để chế tạo vật liệu pheritnói chung và vật liệu pherit ganet nói riêng [55,60] bởi những ưu điểm như đơngiản, rẻ tiền, các vật chất ban đầu được trộn lẫn ở quy mô phân tử, vật liệu thuđược có kích thước nhỏ nhưng vẫn có cấu trúc pha tốt, kích thước hạt tương đốiđồng đều Phương pháp sol-gel cũng rất thích hợp để chế tạo các hạt pherit vớimột lớp màng mỏng để sử dụng trong công nghệ vi cơ Với các đặc điểm nêutrên, chúng tôi chọn phương pháp sol-gel để chế tạo các hệ hạt pherit ganet kíchthước nanomet để tiến hành nghiên cứu trong bản luận án này Các pherit ganetđược chế tạo bao gồm YIG, GdIG, TbIG, DyIG và HoIG

Quy trình công nghệ chế tạo vật liệu được tóm tắt như sau:

c Kết quả chế tạo:

2.2 Nội dung 2: Khảo sát cấu trúc vật liệu Yttrium Iron Garnet (Y3Fe5O12)a Phương pháp: Phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể và pha bằng nhiễu xạ tia X (XRD: X-ray Diffraction) Nhiễu xạ X-ray là một kỹ thuật phân tích không pháhủy, cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể, trạng thái, định hướng tinh thể, và các thông số cấu trúc khác, chẳng hạn như kích thước trung bình hạt hay các khuyết tật tinh thể.Nhiễu xạ tia X được sử dụng rộng rãi trong việc xác định các vật liệu tinh thể chưa biết (ví

dụ: khoáng chất, hợp chất vô cơ) Xác định chất rắn chưa biết rất quan trọng đối với các nghiên cứu về địa chất, khoa học môi trường, khoa học vật liệu, kỹ thuật và sinh học Phương pháp phân tích: một chùm tia X đi qua khe phân kỳ và chiếu vào bềmặt mẫu, các chùm tia X đến mẫu này bị phân tán ngược trở lại bởi mạng tinh thể tuầnhoàn, gây ra sự giao thoa, nhiễu xạ tia X Chúng ta sẽ thu được phổ nhiễu xạ tia X (peakhay đỉnh của sự giao thoa tăng cường) nếu chùm tia X chiếu tới bề mặt mẫu thỏamãn định luật BRAGG: 2dSin = nλƟ

Với việc bước sóng λ là hằng số đã biết, bằng cách thay đổi góc tia X chiếu tớilớp nguyên tử cho đến khi thu được phổ nhiễu xạ, ta sẽ tính được hệ số d; các hằng sốmạng tinh thể, các chỉ số h, k, l, đối chiếu với Trung tâm dữ liệu phổ nhiễu xạ quốc tế(ICDD - International Centre for Diffraction Data) ta sẽ xác định được cấu trúc mạngtinh thể; cấu trúc pha; định danh và định lượng thành phần pha; tính toán kích thước vàđộ kết tinh của tinh thể,

d: là khoảng cách giữa 2 lớp nguyên tử kế tiếpƟ: Góc tới của chùm tia X so với lớp nguyên tửn: thứ tự của nhiễu xạ

λ: Bước sóng tia X

D2-Phaser là Mini-XRD củahãng Bruker từ Đức.

Do kích thước nhỏ gọn, trọnglượng nhẹ và thiết kế dễ sử dụng, hệthống này có tính di động thuận tiệnmà không cần cơ sở hạ tầng phức tạp,bàn làm việc lớn, tải nặng hoặc lắp đặtvà căn chỉnh của nhà cung cấp Tất cảnhững gì cần thiết là một ổ cắm điệntiêu chuẩn và một vài phút để đưa hệthống từ trạng thái đóng gói hoànchỉnh đến kết quả vượt trội.

b Kết quả: Theo kết quả của phương pháp nhiễu xạ tia X:

334372 319mẫu 1

2 theta

Hình 1 Các phổ nhiễu xạ tia X của Y3Fe5O12

Cấu trúc tinh thể và pha của các mẫu hạt YIG được nghiên cứu qua phổ nhiễu xạ tia X vàđược so sánh với phổ chuẩn 12063-56-8 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ở các nhiệt độ nung500oC, 700 C và 800 C trong 5 giờ được trình bày trên hình 1 Theo giản đồ nhiễu xạ tia X,oo

mẫu có cấu trúc vô định hình khi nung ở 500 C và khi nung ở 700 C quá trình tinh thể hóa bắtoo

đầu xảy ra trong mẫu, được biểu hiện qua sự xuất hiện của một số cực đại nhiễu xạ (487),(418), (334), (372), (319) tuy nhiên các đỉnh có với cường độ thấp chứng tỏ các tinh thể chưa

đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho cấu trúc ganet như chỉ ra trên đồ thị trên cùng của hình 1 Cácđỉnh nhiễu xạ mở rộng, chứng tỏ mẫu bao gồm các hạt có kích thước ở thang nanomet.

2.3 Nội dung 3: Quan sát hình thái vật liệu:

- Hình thái học của mẫu hạt đơn pha được khảo sát bằng hiển vi điện tử truyền qua (SEM).Kính hiển vi điện tử quét (SEM) quét bề mặt mẫu bằng một chùm tia

Hình 2.3.1 Nguyên lí hoạt động kính hiển vi điện tử quét SEM

- Khi chiếu vào mẫu bằng chùm tia điện tử trong chân không: điện tử thứ cấp (SE), điện tử tán xạ ngược (BSE), tia X đặc trưng, và các tín hiệu khác được hình thành như mô tả ở hình bên trên Trong kính hiển vi điện tử quét SEM các tín hiệu SE và BSE

thường được sử dụng để tạo nên ảnh Các điện tử thứ cấp SE được sinh ra ở lớp gần bề

mặt mẫu, và ảnh SE thu được từ các điện tử này phản ánh chi tiết cấu trúc địa hình mẫu.

- Kĩ thuật này cho ta quan sát được vật thể ở cấp độ kích thước nhỏ màkính hiển

vi quang học không thể quan sát được Qua SEM, ta có thể quan sát được DNA hay

những con transitor có trong chip bán dẫn với kích thước 1/1000000 sợi tóc Do đó

phương pháp này được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học.

Hình 2.3.2 Các khoảng quan sát được

- Các bước thí nghiệm:

• Đối tượng thí nghiệm: Các sợi dây nano mọc trên điện cực• Tiến hành:

sao cho mặt cắt của con chip hướng về phía đầu phát chùm điện tử, hệ thống hútchân không không tự động bật.

- B3: Điều chỉnh thông số máy đo trên máy tính và thu hình ảnh trên

JCM-Hình 2.3.3.: Ảnh chụp SEM các dây nano mọc trên điện cực trên thang 20

micro mét (phải)

2.4 Nội dung 4: Khảo sát tính chất từ:

- Các tính chất từ của mẫu hạt nano pherit YIG được nghiên cứu dựa trên các đường từ hóaban đầu và các đường từ trễ của mẫu ở các nhiệt độ khác nhau Các đường từ độ phụ thuộc từtrường M(H) của mẫu trong dải nhiệt độ từ 5 K đến 300 K được thực hiện trên hệ đo SQUIDtrong từ trường cực đại 20 kOe và các đường ở trên nhiệt độ phòng được thực hiện trên hệ VSMtrong dải nhiệt độ từ 300 K đến 600 K trong từ trường cực đại 10 kOe.

-3-2-101234mẫu 3

-2-1.5-1-0.500.511.52mẫu 4

Hình 2.4.2 Đường cong từ trễ M(H) của mẫu hạt nano YIG

=> Ở vùng nhiệt độ thấp 5 K < T < 300 K mẫu ở trạng thái pheri từ, mômen từ bão hòa được xác định trực tiếp ở vùng bão hòa của các đường thực nghiệm.