Luận văn tốt nghiệp Đại học " Màng mỏng ZnO " Phần 1 ppt

Luận văn tốt nghiệp Đại học 1 SVTH: Trần Văn Thảo MỤC LỤC TRANG Chương I – Tổng quan 1.1.Màng mỏng ZnO trên đế Si có lớp Ti đệm 1.1.1.Giới thiệu 1.1.2.Tác dụng đệm của Ti lên màng ZnO trên Si 1.1.3.Ứng dụng 1.1.4.Ưu điểm của ZnO 1.2.Tạo màng bằng phương pháp phún xạ MAGNETRON DC 1.2.1.Cơ chế vật lí của phún xạ 1.2.2.Hiệu suất phún xạ 1.2.3.Cấu tạo hệ phún xạ 1.2.4.Kĩ thuật phún xạ 1.2.5.Đặt trưng của phún xạ 1.3.Quá trình tạo bia gốm ZnO 1.4.Phép đo hall xác định đặt tính điện 1.5.Phương pháp bốn đấu dò xác định đặt tính điện 1.6.Tính chất điện 1.7.Đặt tính quang 1.8. Cấu trúc ZnO Chương II – Thực nghiệm và kết quả bàn luận 2.1.Chế tạo bia gốm ZnO 2.1.1.Chuẩn bị vật liệu bột Oxit 2.1.2.Nghiền trộn bột Oxit 2.1.3.Định hình bia ZnO 2.1.4.Nung bia ZnO 2.2.Bia kim loại Ti Luận văn tốt nghiệp Đại học 2 SVTH: Trần Văn Thảo 2.3.Làm sạch lam thủy tinh và Silic 2.4.Các bước trong quá trình phún xạ 2.5.Môi trường chế tạo màng mỏng ZnO/Si và ZnO/Ti/Si 2.6.Kết quả và thảo luận 2.6.1.Chế tạo màng ZnO trên đế thủy tinh 2.6.2.Chế tạo màng ZnO trên đế Si (111) và (100) 2.6.3.Chế tạo màng ZnO trên đế silic có lớp đệm Ti Chương III – Kết luận – hướng phát triển Tài liệu tham khảo Phụ lục Luận văn tốt nghiệp Đại học 3 SVTH: Trần Văn Thảo Chương I – TỔNG QUAN 1.1. Màng mỏng ZnO trên đế Si có lớp Ti đệm. 1.1.1.Giới thiệu ZnO là một trong những hợp chất bán dẫn thuộc nhóm II/VI nó được các nhà khoa học quan tâm hàng đầu, có độ rộng vùng cấm 3,37 eV và năng lượng liên kết exciton lớn 60 meV ở nhiệt độ phòng, nó có khả năng cung cấp sự phát xạ exciton có hiệu suất cao ở nhiệt độ phòng và được quan tâm ứng dụng đối với những thiết bị quang học như là:Diod phát quang xanh hoặc cực tím (LEDs) và những Diod Laser thế hệ đời mới (LDs). Màng ZnO được tạo ra trên những đế khác nhau, như là: Ngọc bích (sapphire), Si, ScAlMgO 4 , GaAs, CaF và SiO 2 cho đến bây giờ đế sapphire được dùng phổ biến nhất.Tuy nhiên do dộ dẫn nhiệt kém, khó cắt ra mành nhỏ và giá thành cao, nên đế sapphire có vẻ không thích hợp để phủ ZnO cho ứng dụng công nghiệp. Từ quan điểm này, Si thích hợp hơn cho việc thay thế, vì giá rẻ và độ dẫn nhiệt tuyệt vời, độ kết tinh cao, có thể có kích thước lớn được Tuy nhiên ZnO phủ lên Si là một kỹ thuật khó do bề mặt Si dễ bị Oxi hóa trong suốt quá trình phủ màng. Sự Oxi hóa bề mặt Si hình thành một lớp SiO x vô định hình, lớp này làm giảm chất lượng của màng ZnO phủ trên đế Si. Do đó, Một vài lớp đệm như: Zn, Al, Ru, AlN, MgO, CaF 2 , ZnS, và GaN, đã được đưa vào để ngăn ngừa bề mặt chất nền Si khổi bị Oxi hóa trong quá trình phủ màng ZnO. Trong những loại lớp đệm, chú ý rằng còn một vài lớp kim loại, như là: Zn, Al, Ru được dùng để làm lớp nền rất tốt. Trong bài nghiên cứu này của chúng tôi, lớp kim loại mỏng Ti được đưa vào làm lớp đệm kim loại mới cho sự phủ màng mỏng ZnO trên đế Si. Yếu tố tác đông để dùng Ti làm lớp đệm ban đầu, là do nó có điện trở hóa học cao. Điểm nóng chảy cao (1668C o ) và có cùng cấu trúc lục giác xiếc chặt (HCP) như của ZnO. Ngoài ra, sự lệch mạng giữa Ti và ZnO là 10%, nhỏ hơn sự lệch mạng giữa Si và ZnO (15%) và do đó sẽ giảm tác động của sự lệch mạng. Trong công trình này, màng mỏng ZnO định hướng mạnh theo trục c được phủ lên lớp nền Si (111) bằng cách đưa vào lớp mỏng Ti làm lớp đệm ban đầu cho sự lắng động phún xạ Magnetron DC. So sánh với màng mỏng ZnO phủ lên đế Si (111) mà không có lớp đệm Ti, cấu trúc và tính chất quang học của màng mỏng ZnO phủ trên Ti/Si (111) cho ta được mẫu cải tiến, có tính chất tốt hơn. 1.1.2.Tác dụng đệm của Ti lên màng ZnO trên Si. Lớp Ti mỏng được dùng làm lớp đệm để bảo vệ bề mặt Si (111 ) khổi bị Oxi hóa và sự sai mạng giữa chất nền Si và màng mỏng ZnO. Tác động của lớp mỏng Ti lên chất lượng màng mỏng ZnO được nghiên cứu đánh giá bởi phương pháp: Khúc xạ tia X (XRD). Đã có nhiều công trình nghiên cứu trường hợp này. ZnO phủ lên Si là một kỹ thuật khó do bề mặt Si dễ bị Oxi hóa trong suốt quá trình phủ màng. Sự Oxi hóa bề mặt Si hình thành một lớp SiO x vô định hình, lớp này Luận văn tốt nghiệp Đại học 4 SVTH: Trần Văn Thảo làm giảm chất lượng của màng ZnO phủ trên đế Si. Trong bài nghiên cứu này, lớp kim loại mỏng Ti được đưa vào làm lớp đệm kim loại mới cho sự phủ màng mỏng ZnO trên đế Si. Yếu tố tác động để dùng Ti làm lớp đệm ban đầu, là do nó có điện trở hóa học cao. Điểm nóng chảy cao (1668C o ) và có cùng cấu trúc lục giác xiếc chặt (HCP) như của ZnO. Ngoài ra, sự lệch mạng giữa Ti và ZnO là 10%,nhỏ hơn sự lệch mạng giữa Si và ZnO (15%) và do đó sẽ giảm tác động của sự lệch mạng. 1.1.3.Ứng dụng. Xa hơn, ZnO đã được xem xét như một vật liệu đầy hứa hẹn cho nhiều ứng dụng khác nhau như là pin mặt trời, những sensors khí, máy tạo dao động siêu âm và máy chuyển đổi năng lượng. Màng mỏng ZnO là vật liệu được biết là tốt được dùng cho kích thích áp điện và tách dao động của thiết bị cộng hưởng. ZnO là một vật liệu thú vị trong ứng dụng bởi vì nó kết hợp hệ số máy năng lượng cao với IC-based quá trình dao động . Ứng dụng đặc biệt là máy đầu dò micro, dùng để đo độ lớn như là : Lực, áp suất và gia tốc. Có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng màng ZnO. 1.1.4.Ưu điểm của ZnO. ZnO được chú ý bởi nó chứa đựng rất nhiền ưu điểm: -Là hợp chất có nhiều trong tự nhiên và rẻ tiền hơn so với các vật liệu khác như: GaAs, ITO, In -Không độc hại, trong khi đó một số loại màng gây hại cho sức khỏe như: Màng Cd. -Dể gia công sản xuất bằng kĩ thuật phún xạ, một kĩ thuật khá phổ biến hiện nay. -Có khả năng hấp thụ tia tử ngoại. 1.2.Tạo màng bằng phương pháp phún xạ MAGNETRON DC. 1.2.1.Cơ chế vật lí của phún xạ. - Phún xạ là hiện tượng mà những nguyên tử bị bức ra khỏi bề mặt của một vật liệu bất kì khi nó bị bắn phá bởi những ion. -Có hai loại phún xạ: Phún xạ phản ứng và phún xạ không phản ứng. +Phún xạ không phản ứng là: Các ion bắn phá vào vật liệu bia là những ion khí trơ, do đó trong lúc chuyển động đập vào bia nó không phản ứng với bia. Vd: Màng Al, Cu, Ag trong môi trường phún xạ là khí trơ, với bia kim loại tương ứng, ion bắn phá là ion khí trơ. +Phún xạ phản ứng là: Các ion bắn phá vào vật liệu bia có phản ứng với bia tạo hợp chất. Luận văn tốt nghiệp Đại học 5 SVTH: Trần Văn Thảo Vd: Màng Al 2 O 3 , ZnO, TiO 2 với bia kim loại tương ứng, ion bắn phá tạo phản ứng là ion Oxi. Hình 1: Cơ chế vật lí của sự phún xạ. Hình2: Những hạt phún xạ. Hình 3: Các Ion trong quá trình phún xạ. Luận văn tốt nghiệp Đại học 6 SVTH: Trần Văn Thảo -Phún xạ là một quá trình: +Những sự va chạm của các ion – bia. +Truyền động lượng. +Bắn ra những nguyên tử, đám nguyên tử hoặc những phân tử trên bề mặt bia. -Kết quả là: +Vật liệu từ bia sẽ hình thành màng trên đế (nếu bia là đơn chất  màng đơn chất; bia là hợp chất  màng hợp chất và mang tính chất của màng mỏng). +Năng lượng trung bình của hạt thoát ra khỏi bia khoảng 1-10eV (có thể làm nóng đế). -Độ xuyên sâu của những ion +Độ xuyên sâu của những ion phụ thuộc vào: •Năng lượng của những ion. •Góc tới của ion. •Khối lượng của ion so với khối lượng của nguyên tử,phân tử bia. Độ xuyên sâu trung bình của ion khoảng 10 - 40 nm. Hình 4: Mô tả quá trình xuyên sâu của ion. 1.2.2.Hiệu suất phún xạ. Hiệu suất phún xạ = TỔNG CÁC NGUYÊN TỬ PHÚN XẠ/TỔNG CÁC ION TỚI = A I N N (1.1) -Hiệu suất phún xạ phụ thuộc vào: Luận văn tốt nghiệp Đại học 7 SVTH: Trần Văn Thảo +Bản chất của bia. +Bản chất của những ion +Năng lương tới của những ion. +Góc tới. Hình 5: Biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất phún xạ vào năng lượng ion Ar. Hình 6: Biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất vào năng lượng tới của ion bắn bia. Luận văn tốt nghiệp Đại học 8 SVTH: Trần Văn Thảo Hình 7: Sự phụ thuộc của hiệu suất vào góc tới của ion tới. Tỉ lệ hiệu suất ( 0 Y Y  ) cao nhất ở khoảng 72 0 . 1.2.3.Cấu tạo hệ phún xạ. -Hệ Magnetron bao gồm: +Bản cathode: Dùng làm nguồn điện tử. +Bản anode: Nơi thu nhận điện tử. +Kết hợp với điện từ trường vuông góc nhau. Luận văn tốt nghiệp Đại học 9 SVTH: Trần Văn Thảo Hình 8: Mô tả điện trường và từ trường vuông góc trong hệ Magnetron. Một số loại hệ Magnetron thông thường. Các loại này thường có bên trong lò Viba. Luận văn tốt nghiệp Đại học 10 SVTH: Trần Văn Thảo Hình 9: Một số hệ Magnetron thông dụng. [...]... Crytronics loại nguồn dòng 12 0 với dãy đáp ứng giữa 1 A đến 10 0 mA Thế được đo bởi điện kế nanovolt Keithley loại 18 1 với một trở kháng đầu vào cao hơn 1 giga-ohm Phương trình 3 .1 và 3.2 được dùng để xác định điện trở của lá kim loại (Rs có đơn vị là Ω/sq) và điện trở suất (ρ có đơn vị Ω.cm), theo thứ tự đó (1. 13) (1. 14) SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 21 Hình 15 : Bốn mũi dò Dựa trên thứ... được cho bởi: SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 17 dN l S Adt e (1. 11) Với S 3 4m1m2 E   V 2 4 ( m1m2 ) 2 E0 (1. 12) Trong đó: S: Hiệu suất phóng xạ m 2 : Khối lượng ion I : Dòng ion E E: Điện tích của điện tử E0 : Nhiệt thăng hoa γ : Hàm của m1/m2 β V: Điện áp m 1 : Khối lượng của nguyên tử bia : Năng lượng ion : Hệ số tỉ lệ 1. 3 Quá trình chế tạo bia gốm ZnO Quá trình chế tạo bia... tạc lên bia được xác định thông qua dòng I: SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 16 ni  It e (1. 7) Từ đó ta có : s na me  ni It  (1. 8) Hệ số phún xạ theo (1. 5) được tính bằng số nguyên tử trên số ion.Tuy nhiên, trong một số trường hợp người ta có thể biểu diễn theo đơn vị gam/coulomb, bằng cách đặt: s'  m It s '  s  e (1. 9) (1. 10) Thì hệ số phún xạ s hay s’ phụ thuộc vào bản chất... giữa các nam châm  tạo ra các giá trị khác nhau của cường độ từ trường trên bề mặt bia -Vật liệu được phủ (đế): Được nối đất (áp điện thế dương) Hình 11 : Sơ đồ minh họa của hệ phún xạ magnetron SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 12 Hình 12 : Mô tả hệ Magnetron *Nguyên lý hoạt động: +Khi thế âm được áp vào hệ, giữa cathode (bia) và anode (đế -vật liệu cần phủ) sinh ra một điện trường làm... Plasma có độ linh động rất lớn Điều khiển các điện tử có độ linh động lớn này chính là đang điều khiển được Plasma Hình 13 : Bài toán tìm phương trình chuyển động của điện tử trong điện từ trường vuông góc nhau SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 14 Định luật II Newton: (1. 2) (1. 3) Từ phương trình trên, ta thấy điện trường và từ trường vuông góc với nhau thì chuyển động của hạt sẽ là tổng hợp... tiếp nhau, không thể tách riêng từng quá trình Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết khối: Thành phần hóa học, khoáng vật, trạng thái bề mặt riêng, điều kiện nung Trong đó điều kiện nung là quang trọng nhất Vế mặt hóa học vật thể kết khối hoàn SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 18 toàn khác với trước khi nung Hiện tượng kết khối chỉ xảy ra ở trang thái rắn (dạng Oxit tinh khiết)... re  meV , eB  V  B (1. 4) 1. 2.4.Kĩ thuật phún xạ a) Chân không được tạo bởi 2 loại bơm -Bơm sơ cấp (bơm rote,bơm quay dầu) -Bơm turbo (bơm khuyếch tán) b) Khí được đưa vào (thường là Ar) để thực hiện quá trình ion hóa chất khí SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 15 c) Chân không -Bơm quay (bơm rote,sơ cấp,bơm quay dầu): + Tốc độ : 30 m3/h + Áp suất tới hạn : 10 -2 torr -Bơm turbo (bơm... những giả định và hầm bẫy dưới đây là liên kết với nó Cho trường hợp tạp chất thoái hóa ZnO : Al có một vài sản phẩm thu được cần phải được xác định dạng, và một vài SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 20 giới hạn cần được làm khớp Đầu tiên là hệ số Hall (γH), nói chung được cho là bằng 1 Đây là sự xấp xỉ tốt cho nhiều chất bán dẫn, nhưng không dùng được ở độ chính xác cao nhất, giá trị nên.. .Luận văn tốt nghiệp Đại học 11 Hình 10 : Sơ đồ hệ phún xạ MAGNETRON -Vật liệu cần phủ hay vật liệu màng (bia): Dùng để phún xạ được gắn chặt với một bản giải nhiệt (bàn này được áp điện thế vào) Toàn bộ bia, bản giải nhiệt  là cathode Cathode được cách... tăng đáng kể Sự ion hóa diễn ra trong điện từ trường vuông góc nhau tạo thành Plasma SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 13 +Plasma là đám gồm ion dương và những điện tử tạo thành trạng thái gần như trung hòa về điện +Vùng Plasma hình thành trong điện từ trường vuông góc nhau +Với những ứng dụng tạo màng trong môi trường Plasma, ion dương được sinh ra bởi quá trình va chạm giữa các hạt trung . Luận văn tốt nghiệp Đại học 1 SVTH: Trần Văn Thảo MỤC LỤC TRANG Chương I – Tổng quan 1. 1 .Màng mỏng ZnO trên đế Si có lớp Ti đệm 1. 1 .1. Giới thiệu 1. 1.2.Tác dụng đệm của Ti lên màng. trong lò Viba. Luận văn tốt nghiệp Đại học 10 SVTH: Trần Văn Thảo Hình 9: Một số hệ Magnetron thông dụng. Luận văn tốt nghiệp Đại học 11 SVTH: Trần Văn Thảo Hình 10 : Sơ đồ hệ phún. trường chế tạo màng mỏng ZnO/ Si và ZnO/ Ti/Si 2.6.Kết quả và thảo luận 2.6 .1. Chế tạo màng ZnO trên đế thủy tinh 2.6.2.Chế tạo màng ZnO trên đế Si (11 1) và (10 0) 2.6.3.Chế tạo màng ZnO trên đế