Màng mỏng ZnO trên đế Si có lớp Ti đệm
Luận văn tốt nghiệp Đại học 1 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 . SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 2 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 . SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 3 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. SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 4 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. 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. SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 5 +Phún xạ phản ứng là: Các ion bắn phá vào vật liệu bia có phản ứng với bia tạo hợp chất. 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. SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 6 Hình 3: Các Ion trong quá trình phún xạ. -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. SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 7 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: +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. SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 8 Hình 6: Biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất vào năng lượng tới của ion bắn bia. Hình 7: Sự phụ thuộc của hiệu suất vào góc tới của ion tới. Tỉ lệ hiệu suất ( 0 Y Y α ) 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. SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 9 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. SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 10 Hình 9: Một số hệ Magnetron thông dụng. SVTH: Trần Văn Thảo [...]... sự ti p xúc ohmic được tạo ra bởi lớp Nhôm từ phương pháp lắng đọng chùm electron, dùng làm mẫu như một màng che trong ti p xúc gắn liền với mẫu Kích thước mẫu lớn nhất là 7 x 7 mm, với những mẫu được cắt ra từ mẫu lớn hơn bằng biện pháp vết khía và những vết nứt Lớp ti p xúc tạo thành một dạng hình vuông 4 x 4 mm,và mỗi điểm có đường kính xấp xỉ là 0,5 mm Những mẫu được tạo nên trên một tấm giữ màng. .. khiển được dòng được lựa chọn Điều này xảy ra khi điện trở của mẫu quá cao, và điển hình xảy ra màng ZnO: Al có điện trở ≥ 10 2 Ω·cm cho độ dầy màng trong thực nghiệm này Hình 16: Mô tả các điểm trên đế đặt bốn đầu dò Điện trở đo được có độ lớn biến thiên năm bậc, và không có điện trở cao hơn nào được dùng Bốn lớp của những thay đổi đã được tìm thấy ở trong dữ liệu và bao gồm cách xử lí theo vị trí, xử... thông số điện của màng 1.5 Phương pháp bốn đấu dò xác định đặt tính điện Những phương pháp đo được lấy trên Alessi bốn điểm cảm biến Một đầu cảm biến nhiệt với tim tungsten có bán kính nhọn 0,002”, một khoảng cách cảm biến 0,05”, và cảm biến có áp lực 70 đến 180 grams được dùng để đo tất cả các phép đo Dòng được đáp ứng bởi Crytronics loại nguồn dòng 120 với dãy đáp ứng giữa 1µA đến 100 mA Thế được... dễ dàng hơn (đối với đất sét và cao lanh có thể hàng trăm độ), ngược lại khoảng kết khối hẹp khó nung (sản phẩm chứa SiO 2 khoảng kết khối chỉ 10-150C) Khoảng kết khối có thể tính toán khi biết thành phần hóa học hoặc xác định bằng thực nghiệm khi nghiên cứu mẫu nhỏ bằng phương pháp DTA (Differntial Thermal Analysis) hoặc TGA (Thermal Gravimetric Analysis) Có một vài lý thuyết về kết khối, nhưng lý... phún xạ càng gần với định luật cosin d) Năng lượng hạt phún xạ: Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của màng mỏng được chế tạo bằng phương pháp phún xạ là năng lượng của các nguyên tử được phún xạ Một số công trình cho thấy, hàm phân bố theo năng lượng của các hạt phún xạ có cực đại trong khoảng từ 1-2eV và trải rộng đến hàng trăm eV Áp suất khí cũng ảnh hưởng đến năng lượng phún xạ Ở áp suất... được dùng để đánh giá những biến đổi run-to-run vì điểm tác động lớn có trên điện trở Sự biến đổi run to run trong điện trở cho màng được nung đã được trùng hợp bởi tác động khác nhau xung quanh tác động Vì vậy dữ liệu sẽ được đánh dấu về sau Ưu ti n nung trước dãy điện trở từ 0,67 đến >560 Ω.cm, 1.7x10-2 đến 190Ω·cm và 1.4x10-2 đến 35 Ω·cm của dữ liệu lấy từ điểm 1,2,và 3 theo thứ tự định sẵn.dữ liệu... mV Với phép đo này, dòng xuyên qua lớp ti p xúc ở một bên hình vuông, và độ giảm thế được đo thông qua điểm ti p xúc ở mặt đối diên của hình vuông SVTH: Trần Văn Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học 20 Thật quan trọng để hiểu chất lượng thông tin được cho bởi phép đo Hall, và 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... giữa chúng cũng sẽ khác nhau, do đó, nếu tốc độ nâng nhiệt không hợp lý sẽ dẫn đến các dạng khuyết tật Tốc độ làm nguội chẳng những có ảnh hưởng đến việc phát triển các tinh thể rắn mà còn liên quan đến sự xuất hiện ứng suất nội -Môi trường khí: Trong quá trình nung sản phẩm, môi trường khí giữ vai trò quan trọng vì nó có thể làm thay đổi thành phần hóa học và tính chất của sản phẩm 1.4 Phép đo Hall... bắt đầu đạt cực đại hay cực ti u Các tính chất mô tả cấu trúc của sản phẩm nung: Độ xốp, mật độ và khả năng hút nước Cũng có những trường hợp độ bền cơ cũng được dùng để xem xét quá trình kết khối của sản phẩm Trong các tính chất này khả năng hút nước thường được coi là ti u chuẩn đầu ti n để so sánh mức độ so sánh của sản phẩm nung Trong kĩ thuật nung, khoảng kết khối có ý nghĩa đặt biệt Khoảng kết... dùng một bơm khuyếch tán được kết nối một bằng bơm rotary chuẩn Chất thải (điện tích) của Al trong túi nguồn lắng đọng chùm electron được làm bay hơi ở chế độ ~15 Å/s để sinh ra màng mỏng khoảng ~3300 Å như được đo ở tinh thể thạch anh (SiO2) ở cân vi lượng Phần phủ kính buồng chân không bao bọc đầu dò áp suất trong phép đo Hall để ngăn cản sự ngưng tụ suốt phép đo nhiệt độ thấp, vì vậy phép đo Hall được . màng mỏng ZnO phủ trên Ti /Si (111) cho ta được mẫu cải ti n, có tính chất tốt hơn. 1.1.2.Tác dụng đệm của Ti lên màng ZnO trên Si. Lớp Ti mỏng. 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