dụng cụ đo hệ số truyền qua của màng mỏng quang học.

Trang 1

Hình 17: Mô tả dụng cụ đo hệ số truyền qua của màng mỏng quang học.

Trong đó: 1 – gương cầu; 2 – nguồn sáng; 3 – ống kính; 4 – chắn sáng quay

M – đế chưa tráng phủ màng; CT – đế tráng phủ màng

QP – hệ tách chùm đơn sắc; Q/E – hệ chuyển đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện; CT – bộ chỉ thị các giá trị CT và M

Ánh sáng từ nguồn được hội tụ và đi vào máy đơn sắc, bị tán sắc bởi cách tử vàhội tụ trên khe ra Ánh sáng đơn sắc này chia làm hai tia: Một tia đi tới mẫu để đo vàmột tia còn lại thì đi đến mẫu tham chiếu như là một mẫu chuẩn Ánh sáng truyền quamẫu và mẫu tham chiếu được đo bằng đầu dò Silicon photodiode và chuyển đổi từ tínhiệu quang sang tín hiệu điện Q/E

Hệ số truyền qua Tλ được tính theo công thức sau:

(1.15)

Trong đó: CT : quang năng chùm qua đế tráng phủ màng

M



 : quang năng chùm qua đế chưa tráng phủ màng

Màng ZnO có độ truyền qua khá lớn nên có thể xác định khá chính xác các thông sốquang như chiết suất n, độ dày d, hệ số tắt k,độ rộng vùng cấm… của màng mỏngthông qua các phổ truyền qua của chúng

Trang 2

Hình 18:Đường đi của ánh sáng qua màng.

ZnO là bán dẫn có độ rộng vùng cấm tương đối lớn (3,3 - 4 eV) và có độ truyềnqua cao (>80%) trong vùng ánh sáng khả kiến (0,4 < λ< 0,8 µm) Độ truyền qua giảmm) Độ truyền qua giảmmạnh khi λ< 0,4 µm) Độ truyền qua giảmm do sự hấp thụ riêng của bán dẫn

1.8 Cấu trúc ZnO

1.8.1.Cấu trúc tinh thể của ZnO.

Hầu hết các hợp chất bán dẫn hai cấu tử II-VI kết tinh ở dạng lập phương blende (B3) hoặc sáu phương wurtzite (B4) với mỗi anion được bao quanh bởi 4cation tại các đỉnh của tứ diện và ngược lại Ở nhiệt độ phòng, wurtzite là dạng ổnđịnh nhiệt động, trong khi đó dạng zinc-blende chỉ có được khi kết tinh trên đế có cấutrúc lập phương, và dạng rocksalt (NaCl-B1) chỉ tồn tại ở áp suất cao ZnO wurtzitedạng sáu phương có cấu trúc xếp chặt như sau:

Trang 3

zinc-Hình 19

Trong cấu trúc wurtzite, các ion O2- và Zn2+ thay phiên xếp chồng lên nhau theomạng lục giác xếp chặt, trong đó mỗi anion được bao quanh bởi 4 cation và ngược lại.Các ion Zn2+ chiếm phân nửa số vị trí tứ diện trong mạng này Số phối trí 4 này đặctrưng cho liên kết cộng hoá trị sp3, tuy nhiên ZnO có bản chất liên kết chính là liênkết ion (62%) [17,19] Hằng số mạng a = 3,246 A0 và tỷ lệ trục c/a=1,602 Các nútkhuyết ôxy trong mạng là nguyên nhân làm cho ZnO mang tính bán dẫn loại n

Độ dẫn điện của màng ZnO nhiều khi không đủ cao để đáp ứng trong một sốthiết bị Để tăng thêm tính dẫn điện của màng ZnO ta phải tìm cách pha tạp Chất phatạp thường là các nguyên tố nhóm III trong bảng hệ thống tuần hoàn như Al, Ga…Việc lựa chọn chất pha tạp phụ thuộc vào phương pháp tạo màng, điều kiện tạo màng

và mục đích sử dụng Khi pha tạp nhôm (Al) vào mạng ZnO, nồng độ hạt tải electrontăng lên và vật liệu dẫn điện tốt hơn

Trong các thiết bị sử dụng vật liệu ZnO, cấu trúc tinh thể màng là một đặc tínhquan trọng Ví dụ, màng ZnO cần phải định hướng chủ yếu theo trục c vuông góc vớibề mặt đế trong các bộ chuyển đổi sóng dọc (longitudinal bulk wave transducers) vàbộ lọc sóng âm bề mặt (SAW filters) Sự định hướng tinh thể theo một phương mongmuốn phụ thuộc vào điều kiện chế tạo và bản chất của vật liệu làm đế Với những điềukiện chế tạo thích hợp, màng ZnO thường có định hướng theo trục c ngay cả khi màngđược tráng phủ trên đế thuỷ tinh Điều đó được lí giải vì sắp xếp theo phương này tạo

Trang 4

cho màng có độ xít chặt cao nhất.Theo Ohyama, nhiệt độ sôi của dung môi ảnh hưởnglớn đến định hướng tinh thể màng Dung môi có nhiệt độ sôi cao (2-methoxyethanol)cho phép sự hồi phục cấu trúc trước khi hình thành màng, do đó màng có thể địnhhướng tinh thể tốt chủ yếu theo trục c.

1.8.2 Sự tạo sai hỏng trong tinh thể chất bán dẫn ZnO.

Trong phần trên ta đã xét cấu trúc mạng tinh thể ZnO lý tưởng, tức là mạngtrong đó toàn bộ các phần tử cấu tạo nên vật rắn nằm ở các vị trí nút mạng đều tuântheo qui luật đối xứng, tuần hoàn trong không gian tinh thể Tuy nhiên trong tinh thểthực luôn tồn tại các sai hỏng trong cấu trúc

1.8.3 Sai hỏng điểm trong cấu trúc.

Trong tinh thể ZnO thực luôn có những nguyên tử (hoặc ion) có khả năng bật

ra khỏi vị trí cân bằng (vị trí nút mạng) và đi vào vị trí xen kẽ giữa các nút mạng, hoặcdời khỏi mạng tinh thể, để lại một vị trí trống (nút khuyết) ở nút mạng cân bằng cũ

Có 2 dạng sai hỏng điểm (point defects):

-Sai hỏng Frenkel: nguyên tử dời khỏi nút mạng và xen lẫn giữa mạng, để lạinút khuyết tại vị trí nút mạng (không có nguyên tử)

-Sai hỏng Schottky: nguyên tử dời khỏi mạng tinh thể, để lại nút khuyết ở nútmạng

Hình 20: Mô tả sai hỏng trong cấu trúc tinh thể

Trang 5

Khi T> 0K, xét về mặt năng lượng, trong các tinh thể thực luôn tồn tại sai hỏngđiểm, điều này có thể chứng minh như sau Gọi số nút khuyết trong mạng tinh thể là n,trạng thái bền vững nhiệt động của hệ cân bằng với n nút khuyết tương đương với cựctiểu năng lượng Gibbs :

(1.16)Nếu gọi Es là năng lượng tạo một nút khuyết kiểu Schottky, có thể viết :

(1.17),

dd ch

S S

  : Biến đỏi Entropy dao động và Entropy cấu hình, gây nên do sự tạo nútkhuyết trong mạng tinh thể

k - hằng số Boltzman (k=1,38062.10-23J/K)

W -xác suất của n nút khuyết trong N nút mạng

Trang 6

(1.21)Lấy vi phân G theo n ta có :

(1.22) Kết hợp với giả thuyết ban đầu, khi cân bằng G 0

Khi T>0K  n>0, hay nói một cách khác, luôn tồn tại sai hỏng điểm trong các

tinh thể thực

Chương II – THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ BÀN LUẬN.

Chúng tôi tiến hành nghiên cứu gồm các bước cụ thể sau đây:

1 Tạo màng ZnO trên đế thuỷ tinh, xác định tính chất quang và cấu trúc củamàng

2 Tạo màng ZnO trên đế Si loại p(111) và loại n(100), xác định cấu trúc củamàng

3 Chế tạo màng ZnO trên đế Si(111) có lớp đệm Ti, xác định cấu trúc và so sánhvới cấu trúc màng không có lớp đệm Ti

Để thực hiện được các mục tiêu trên, trước tiên chúng tôi phải tiến hành chế tạobia (target) gốm ZnO Tạo màng bằng phương pháp phún xạ DC

silic phải được rửa bằng axit HF: H2O (1:20), sau đó đưa vào buồng chân khôngphóng điện rửa đế trong khoảng 15 phút để loại bỏ lớp oxit trên bề mặt đế

Trang 7

Lớp đệm Ti được chúng tôi chế tạo bằng phương pháp phún xạ DC từ bia kim loại

Ti Thời gian phún xạ là 3-5 giây (điều kiện phún xạ: Áp suất nền PB=10-4 torr, áp suấtlàm việc P=6.10-3 torr,dòng I=0.3 Ampe,thế V=400 Vol,công suất 120W, khoảng cáchbia đế h=5.0 cm), lớp đệm có bề dày khoảng 3-5 nm Nhiệt độ đế là 1900C

2.1 Chế tạo bia gốm ZnO.

2.1.1.Chuẩn bị vật liệu bột Oxit.

-Bột Oxit của Trung Quốc có độ tinh khiết 99.9%

-Chế tạo bia gốm: Thành phần toàn ZnO 100%

2.1.2.Nghiền trộn bột Oxit.

Chúng tôi sử dụng phương pháp nghiền ướt bằng máy nghiền bi li tâm củahãng Ceramic Instruments Italy, cối sứ và bi bằng vật liệu Al2O3 Nghiền bột với mụcđích giảm kích thước hạt Ta trộn 396g bột ZnO với 200ml nước cất và bi nghiền (70g

bi có đường kính 20mm và 100g bi có đường kính 7mm) Tổng thời gian nghiền là 5giờ Sau khi nghiền lấy bột đã nghiền ra sấy khô để bay hêt hơi nước

Được bột khô sau khi sấy, đem chúng đi rây Lỗ của rây nhỏ rây nhiều lần(khoảng 3 lần), lúc này bột đã rất mịn

2.1.3.Định hình bia ZnO.

Bột sau khi đã rây min, trộn với một lượng keo PVA để tạo kết dính Sau đó,lượng bột được tạo hình bằng máy ép của Italy, với lực ép 400 kg/cm2 Tạo hai loạibia, bia tròn và vuông

Hình 21: Sản phẩm bia ZnO sau khi hoàn thành.

2.1.4.Nung bia ZnO.

Trang 8

-Sản phẩm sau khi định hình được nung ở nhiệt độ nung cực đại là 1500oC, thờigian ủ nhiệt là 2 giờ trong lò nung VMK 1800.

-Bia sau khi nung có đường kính 75mm Vật liệu bia sau khi thành phẩm vớiđộ kết khối được đánh giá thông qua hai thông số là độ hút nước và độ co sản phẩm.Bia có độ co dài sau khi nung là khoảng 16.67% và độ hút nước là 0.002% sau khingâm trong nước 24 giờ

2.2 Bia kim loại Ti.

Bia Ti được cắt từ bản kim loại Titan

+ Bia có hình vuông: 9cm x 9cm

+Bề dầy 2mm

+được lắp vào hệ Magnetron vuông

Hình 22: Bia kim loại Ti

2.3.Làm sạch lam thủy tinh và Silic.

+Lam thủy tinh: Ngâm lam thủy tinh vào sút pha loãng khoảng 5h – 8h,sau đólấy lam ra rửa bằng xà phòng thật sạch,sấy khô,làm sạch lần nữa bằngaxeton.sau đó lắp vào buồng chân không,được tẩy một lần nữa bằng chùmelectron

+Lam Silic : lam Silic vào axit HF lỏng khoảng 1h-3h,lấy ra rửa bằng nướcsạch thật sạch (không rửa bằng xà phòng),sau đó rửa lần nữa bằng axeton Chovào buồng chân không và tẩy một lần nữa trong buồng chân không bằng chùmelectron.chùm electron có công dụng làm sạch và còn làm bay lớp SiOx trên bềmặt

Trang 9

2.4.Các bước trong quá trình phún xạ.

Bước 1:Đầu tiên vệ sinh buồng chân không thật sạch, bằng axeton và khănsạch

Bước 2:Lắp lam (thủy tinh hoặc Silic) vào đế (trên đế có bếp nung nhiệt, vàđầu dò nhiệt) , sau đó đóng kính buồng chân không, kiểm tra không bị vướng.Bước 3:Mở máy cho máy chạy,sau đó cho hút buồng chân không đến áp suấtnền 10-4 torr (10.0), trong lúc đó cho bếp nung đế

Bước 4:Cho khí Ar vào buồng chân không bằng van kim đến khi áp suất hạ đến7,5.10-2 torr (3.0), thì đóng van chính lại không cho hút buồng nữa, lúc này chotẩy đế thủy tinh bằng chùm electron trong khoảng 15 phút, sau khi kết thúc chohút buồng trở lại đến áp suất nền 10-4 torr (10.0)

Bước 5:Cho khí Ar vào buồng chân không bằng van kim cho đến khi đạt ápsuất 6.10-3 torr (9.0), thì giữ nguyên trạng thái trên đến ổn định làm tiếp bước 6.Bước 6:Cho điện vào hệ Magnetron, tẩy bia khoảng 10 phút (bia kim loại), 5phút (bia gốm), sau đó cho phún xạ lện đế và bắt đầu ghi thời gian (chú ý ápsuất buồng, và dòng phún xạ)

Bước 7:Sau khi phún xong tắt hệ, cho hút buồng,chờ đợi nhiệt độ của đế giảmxuống (càng thấp càng tốt) , lấy lam thủy tinh, được màng mỏng mong muốn.(Màng hai lớp ở bước 6 ta cho điện vào hệ Magnetron thứ hai và phún lớp kếtiếp)

2.5 Môi trường chế tạo màng mỏng ZnO/Si và ZnO/Ti/Si.

Trang 10

Hình 23: Buồng chân không dùng để chế tạo màng.

-Từ trường ngang trên bề mặt bia H=580 Gauss

-Áp suất nền PB=10-4 torr (10.0)

-Áp suất làm việc P= 6.10-3 torr (9.0)

-Dòng phún xạ ZnO I=0.2 Ampe

-Dòng phún xạ Ti lớp đệm I=0.3 Ampe

-Thế phún xạ ZnO V=300 Vol

-Thế phún xạ Ti lớp đệm V=390 Vol

-Công suất phún xạ ZnO P= 60W-70W

-Công suất phún xạ Ti lớp đệm P= 110W-130W

-Khí Ar sử dụng với độ tinh khiết 99.999%

-Nhiệt độ đế T= 1700C-2300C

Trang 11

-Khoảng cách bia đế h=5.0cm, đối với cả ZnO và Ti.

Quy trình sử lý đế từ đầu đến lúc tạo màng:

-Đế thủy tinh và Silic đều có kích thước có kích thước 25mm x 75mm x 1mm,đế Silic ở đây có hai loại (111) và (100)

-Trong quá trình chế tạo, vận chuyển hay do tiếp xúc với môi trường xungquanh mà Silic và thủy tinh thường bị nhiễm bẩn Các hiện tượng hấp thụ, các phảnứng hóa học tạo ra nhiễm bẩn bề mặt (như dầu, mỡ, mồ hôi, các axit hữu cơ, ) Khimàng mỏng ngưng tụ trên bề mặt nhiễm bẩn, độ bám dính của màng với đế khôngtốt.Do đó việc làm sạch đế là tối quang trọng

+Lam thủy tinh: Ngâm lam thủy tinh vào sút (NaOH khoảng 1%) pha loãngkhoảng 5h – 8h, sau đó lấy lam ra rửa bằng xà phòng thật sạch, sấy khô, làmsạch lần nữa bằng axeton Sau đó lắp vào buồng chân không,được tẩy một lầnnữa bằng chùm electron dưới áp suất 7,5.10-2 torr (3.0), trong môi trường có

Ar Dòng I=10mA, thế V=600 Vol thời gian tẩy t=15 phút

+Lam Silic : Ngâm lam Silic vào axit HF lỏng khoảng 1h-3h, lấy ra rửa bằngnước sạch thật sạch (không rửa bằng xà phòng), sau đó rửa lần nữa bằngaxeton.Cho vào buồng chân không và tẩy một lần nữa trong buồng chân khôngbằng chùm electron 7,5.10-2 torr (3.0) trong môi trường có Ar Dòng I=10mA,thế V=600 Vol thời gian tẩy t=15 phút.Chùm electron có công dụng làm sạch

và còn làm bay lớp SiOx trên bề mặt

2.6.Kết quả và thảo luận.

Để xác định chiết suất, độ rộng vùng cấm, độ truyền qua ta dùng phổ truyềnqua Cấu trúc, kích thước hạt và ứng suất màng được xác định bằng phương phápnhiễu xạ tia X Độ dầy của màng được xác định bằng máy đo độ dày Stylus profiler

2.6.1.Chế tạo màng ZnO trên đế thủy tinh.

Với các thông số tạo màng:

+Mẫu I:

.Áp suất nền PB=10-4 torr

.Áp suất làm việc P=6.10-3 torr

.Dòng I=0.2 Ampe

.Thế V=300 Vol

Trang 12

.Công suất 60W.

.Khoảng cách bia đế h=5.0 cm

.Nhiệt độ đế 1800C

.Thời gian phún xạ 20 phút

Tạo được một màng trên đế có độ dày 760nm

Hính 24: Phổ truyền qua của màng ZnO trên đế thủy tinh trong vùng khả kiến.

+Mẫu II:

.Áp suất nền PB=10-4 torr

.Áp suất làm việc P=6.10-3 torr

Trang 13

.Dòng I=0.2 Ampe.

.Thế V=300 Vol

.Công suất 60W

.Khoảng cách bia đế h=5.0 cm

.Nhiệt độ đế 1800C

.Thời gian phún xạ 21 phút

Tạo được một màng trên đế có độ dày 790nm

Hính 25: Phổ truyền qua của màng ZnO trên đế thủy tinh trong vùng khả kiến.

Trang 14

Hình 26: Phổ truyền qua của Mẫu I và Mẫu II

Nhận xét: MẫuII thời gian phún xạ nhiều hơn (21 phút,790nm), có độ

dầy nhiều hơn MẫuI (20 phút,760nm) MẫuII có độ truyền qua trong vùng khảkiến cao hơn MẫuI

Cách tính chiết suất của màng : Chiết suất của màng trong vùng truyền suốt là:

Trang 15

Hình 27: Mô tả màng.

.Vùng hấp thu yếu: α nhỏ nhưng độ truyền qua bắt đầu giảm

.Vùng hấp thụ trung bình: α lớn và độ truyền qua giảm do tác động của α Vùng hấp thụ mạnh: Độ truyền qua giảm mạnh chủ yếu do ảnh hưởng của α

21

S T S



Chiết suất của đế:

1 2 2

T



Đối với màng điện môi có độ truyền qua cao (hệ số hấp thu bằng 0), ta có:

Độ truyền qua cực đại: 22

1

M

S T

m

n S T

n n S S



Trang 16

Dựa vào điều kiện kết hợp để có cực đại và cực tiểu giao thoa 2d = mλ nếu tatính được n(λ) tại các giá trị suất hiện các cực đại và cực tiểu thì ta tính được độ dàycủa màng theo công thức:

Hình 28: Trong luận văn này xác định độ dày của màng ta dùng máy Stylus profiler.

Trang 17

Hình 29:Bộ phận đế của máy Stylus profiler

Cách tính độ rộng vùng cấm dựa vào phổ hấp thụ:

Bộ phận gữ kim

Trang 18

Dựa vào bờ hấp thụ của phổ hấp thụ ta tính được độ rộng vùng cấm,dựa vàocác công thức:

Đối với bán dẫn chuyển mức được phép tại Ko (chuyển mức thẳng):

2 2 2 2

d d

R e T

T d

Thực chất α nếu được tính chính xác thì rất phước tạp

Trong luận văn này tính độ rộng vùng cấm theo công thức (1) vì ZnO là bán dần dịchchuyển thẳng Kết quả sau khi tính toán độ rộng vùng cấm, và chiết suất của màng chotrong bảng sau đây

Bảng 3: Tính toán n, E g dựa vào phổ truyền qua của MẫuI, MẫuII.

Định dạng
Số trang	26
Dung lượng	7,32 MB