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 NỘI TRƯỜNG 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 Fe3 5O12) 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

a, Kỹ thuật vi điện tử

-Khái niệm: Là một lĩnh vực chuyên biệt dành riêng cho việc thiết kế và phát triển vi mạch

-Quy trình sản xuất vi mạch: Gồm 6 bước (Thiết kế, mô phỏng, chế tạo và đo đạc, nghiên cứu triển khai, đóng gói và kiểm chuẩn, lập trình và điều khiển)

b, Công nghệ nano và vật liệu nano

-Khái niệm công nghệ nano: Là lĩnh vực nghiên cứu trong đó đối tượng phải

có ít nhất một chiều tính bằng nanomét (<100 nm), là việc chế tạo các vật liệu 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 sẽ đạt 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 hồng ngoại, 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 tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng 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 thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống) Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng

có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng 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 (Polyethylene terephthalate, 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 tạo LED phát quang ánh sáng xanh da trời có hiệu suất cao (Noble prize-2014)

c, Ứng dụng:

-Trong chiếu sáng và trang trí: biển quảng cáo, đèn giao thông, đèn nháy…

-Trong y học: trẻ hoá da, trị vàng da, điều trị mụn trứng cá…

-Trong nông nghiệp: hệ thống chiếu sáng cho cây quang hợp…

-Trong công nghiệp, các thiết bị nghe nhìn, biển báo…

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 và kích thước hạt bụi, áp suất, nhiệt độ, nhiễm chéo, độ ẩm…để tạo ra một môi trường không khí sạch

- Phòng sạch điện tử: là một căn phòng được thiết kế theo các tiêu chuẩn của phòng sạch 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

b, Tiêu chuẩn phòng sạch:

- Nhiệt độ, độ ẩm: cần đảm bảo phù hợp với ứng dụng của phòng sạch, giúp nhân viên làm việc trong phòng có sự thoải mái

- Áp suất: cần có độ chênh áp so với môi trường bên ngoài để tránh không khí bên ngoài tràn vào, cũng như không khí bên trong tràn ra bên ngoài (phòng áp lực âm)

- Độ bụi: Tuỳ theo cấp độ phòng sạch sẽ có lượng và kích thước hạt bụi khác nhau

- Phòng sạch điện tử: nhiệt độ (22°C± 3°C), độ ẩm (trung bình 18- 55%), áp suất (mức chênh áp từ 15- 45 Pa)

c, Ứng dụng phòng sạch điện tử: chế tạo chất bán dẫn, sản xuất sợi quang, buồng chân không, bộ nhớ chip, quy trình nhạy cảm với tia cực tím, nghiên cứu EUV, lớp phủ chân không, 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 cùng nằm 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

d, Ứng dụng:

-Cảm biến gia tốc, cảm biến con quay hồi chuyển trong hàng không, quân sự, tự động hoá,

…

-Micro MEMS trong các thiết bị di động như điện thoại di động, bộ tai nghe…

-Bio-MEMS trong các công nghệ y tế và sức khoẻ như cảm biến sinh học, cảm biến hoá học, các thành phần nhúng của thiết bị y tế…

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 sự biến 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 các mômen 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

c, Thiết kế chip

-Phân loại: chip số (digital IC), chip tương tự (analog IC), chip hỗn hợp (mixed- signal IC), hệ thống trên chip (system- on- chip- SoC)

-Chu trình nghiên cứu phát triển sản phẩm chip: MRD→System Design→Front-end Design→Middle-Design→Front-end Design→Back-Design→Front-end Design→Fabrication &

Packaging→Validation→Ship to customers

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

a, Cảm biến khí

- Khái niệm: là một loại cảm biến được sử dụng để đo lường và giám sát khí trong môi trường

- Nguyên lý hoạt động: các cảm biến thường dùng một hoặc nhiều trong các

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 xuất hoá chất, nhà máy xử lý chất thải…

b, Cảm biến sinh học

- Khái niệm: là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzym, các kháng thể, … để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hoá chất

- Nguyên lý hoạt động: Sự kết hợp giữa các yếu tố sinh học và đầu dò sẽ chuyển đổi vật liệu sinh học thành tín hiệu điện tương ứng

- Phân loại: cảm biến sinh học cộng hưởng, quang học, nhiệt, điện hoá

- Ứng dụng: Y tế, kiểm soát môi trường, công nghiệp thực phẩm, nông nghiệp…

c, Cảm biến quang

- Khái niệm: là thiết bị kết hợp các linh kiện quang điện Khi tiếp xúc với ánh sáng chúng sẽ thay đổi trạng thái dựa vào hiện tượng phát xạ điện tử ở cực Cathode tín hiệu quang sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện Từ đó có khả 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 do

có vật cản ở giữa nên cảm biến thu sẽ không thu được ánh sáng Từ đó vật thể được nhận diện

- Ứng dụng: công nghiệp, an ninh và an toàn, hệ thống tự động, y tế, robot và tự động 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 (Y 3 Fe 5 O 12 )

a Chuẩn bị thực nghiệm:

Acid Citric 3M

Acid 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 chế tạo các vật liệu dạng hạt hoặc dạng màng So với các phương pháp vật lý hoặc phương pháp gốm thì phương pháp sol-gel chỉ cần chế tạo mẫu ở nhiệt độ thấp hơn, thiết bị đơn giản hơn

- Phương pháp sol-gel đi từ các muối kim loại được để chế tạo vật liệu pherit nói chung và vật liệu pherit ganet nói riêng [55,60] bởi những ưu điểm như đơn giản, rẻ tiền, các vật chất ban đầu được trộn lẫn ở quy mô phân tử, vật liệu thu được có kích thước nhỏ nhưng vẫn có cấu trúc pha tốt, kích thước hạt tương đối đồng đều Phương pháp sol-gel cũng rất thích hợp để chế tạo các hạt pherit với một lớp màng mỏng để sử dụng trong công nghệ vi cơ Với các đặc điểm nêu trên, chúng tôi chọn phương pháp sol-gel để chế tạo các hệ hạt pherit ganet kích thước nanomet để tiến hành nghiên cứu trong bản luận án này Các pherit ganet được 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 (Y 3 Fe 5 O 12 )

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 phá

hủy, 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 bề

mặt mẫu, các chùm tia X đến mẫu này bị phân tán ngược trở lại bởi mạng tinh thể tuần hoàn, gây ra sự giao thoa, nhiễu xạ tia X Chúng ta sẽ thu được phổ nhiễu xạ tia X (peak hay đỉnh của sự giao thoa tăng cường) nếu chùm tia X chiếu tới bề mặt mẫu thỏa

mãn định luật BRAGG: 2dSin = nλƟ

Với việc bước sóng λ là hằng số đã biết, bằng cách thay đổi góc tia X chiếu tới

lớp nguyên tử cho đến khi thu được phổ nhiễu xạ, ta sẽ tính được hệ số d; các hằng số mạng 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 mạng tinh thể; cấu trúc pha; định danh và định lượng thành phần pha; tính toán kích thước và

độ kết tinh của tinh thể,

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

λ: Bước sóng tia X

D2-Phaser là Mini-XRD của

hãng Bruker từ Đức

Do kích thước nhỏ gọn, trọng

lượng nhẹ và thiết kế dễ sử dụng, hệ

thống này có tính di động thuận tiện

mà không cần cơ sở hạ tầng phức tạp,

bàn làm việc lớn, tải nặng hoặc lắp đặt

và căn chỉnh của nhà cung cấp Tất cả

những gì cần thiết là một ổ cắm điện

tiêu chuẩn và một vài phút để đưa hệ

thống từ trạng thái đóng gói hoàn

chỉnh đến kết quả vượt trội

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

20.001724.026728.051732.076736.101640.126644.151648.176552.20150

200

400

600

800

1000

1200

573 851 956

487 418

334372 319 mẫu 1

2 theta

Hình 1 Các phổ nhiễu xạ tia X của Y3 Fe 5 O 12

Cấu trúc tinh thể và pha của các mẫu hạt YIG được nghiên cứu qua phổ nhiễu xạ tia X và được so sánh với phổ chuẩn 12063-56-8 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ở các nhiệt độ nung

500oC, 700 C và 800 C trong 5 giờ được trình bày trên hình 1 Theo giản đồ nhiễu xạ tia X,o o

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

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 Các đỉnh 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

tụ cao trong chân không, thu thập thông tin (tín hiệu) từ mẫu phát ra, tái

hình ảnh lớn hơn của bề mặt mẫu và hiển thị lên màn hình