Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật lý của vật liệu nano tinh thể sixge1 x trên nền sio2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trƣơng Thị Thanh Thủy NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU NANO TINH THỂ SixGe1-x TRÊN NỀN SiO2 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trƣơng Thị Thanh Thủy NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU NANO TINH THỂ SixGe1-x TRÊN NỀN SiO2 Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60440109 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN: TS NGÔ NGỌC HÀ Hà Nội – Năm 2015 LỜI CẢM ƠN Lời xin chân thành cám ơn thầy hƣớng dẫn - TS Ngô Ngọc Hà - Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS) – Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội (ĐHBKHN) nhiệt tình giúp đỡ thời gian thực luận văn Xin chân thành cảm ơn NCS Nguyễn Trƣờng Giang, Viện ITIMS giúp đọc, góp ý chỉnh sửa lỗi tả nhƣ bố cục luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS Nguyễn Đức Dũng – Viện Tiên tiến khoa học công nghệ (AIST), ĐHBKHN bạn dành thời gian hƣớng dẫn, hỗ trợ việc đo đạc, xử lý số liệu Những góp ý quý báu bạn giúp hoàn thành luận văn cách tốt Tôi muốn gửi lời cảm ơn tới tất thành viên nhóm quang điện tử, Viện ITIMS giúp đỡ trình hoàn thành luận văn Tôi xin đƣợc cảm ơn Thầy cô giáo khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, dạy dỗ, dìu dắt suốt thời gian học tập chƣơng trình thạc sĩ Xin đƣợc cảm ơn Ban giám đốc Viện ITIMS toàn thể Thầy cô giáo Viện tạo điều kiện cho đƣợc làm việc để hoàn thiện luận văn Cuối cùng, xin cảm ơn tới chồng toàn thể gia đình Đây nguồn động viên to lớn nhất, hỗ trợ không mệt mỏi suốt thời gian học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn này! Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2015 Học viên Trƣơng Thị Thanh Thủy LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn nghiên cứu suốt thời gian học thạc sĩ, số liệu kết trung thực chƣa đƣợc công bố công trình sở khác dƣới dạng luận văn Ngƣời cam đoan Trƣơng Thị Thanh Thủy MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG - TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 Tính chất quang vật liệu bán dẫn Error! Bookmark not defined 1.1.1 Đặc điểm cấu trúc vùng lƣợng chất bán dẫn Error! Bookmark not defined 1.1.2 Các trình phát quang xảy vật liệu bán dẫn Error! Bookmark not defined Giới thiệu vật liệu bán dẫn Silic: Error! Bookmark not defined 1.2.1 Vật liệu bán dẫn Silic tinh thể khối Error! Bookmark not defined 1.2.2 Cấu trúc vùng lƣợng tính chất quang Silic tinh thể khối Error! Bookmark not defined 1.3 Giới thiệu vật liệu Ge Error! Bookmark not defined 1.3.1 Vật liệu Germani tinh thể khối Error! Bookmark not defined 1.3.2 Cấu trúc vùng lƣợng tính chất quang Germani tinh thể khối Error! Bookmark not defined 1.4 Vật liệu Si có cấu trúc nano Error! Bookmark not defined 1.4.1 Các cấu trúc thấp chiều vật liệu Silic Error! Bookmark not defined 1.4.2 Một số phƣơng pháp chế tạo vật liệu Silic có cấu trúc nano Error! Bookmark not defined 1.4.3 Tính chất quang vật liệu Silic có cấu trúc nano Error! Bookmark not defined 1.5 Điôxit- Silic (SiO2) Error! Bookmark not defined Từ bảng 1.3, thấy vật liệu SiO2 hoàn toàn phù hợp làm vật liệu có độ rộng vùng cấm rộng cho nano tinh thể Si Ge Error! Bookmark not defined CHƢƠNG – PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined 2.1 Phƣơng pháp chế tạo vật liệu Error! Bookmark not defined 2.1.1 Phƣơng pháp phún xạ catốt Error! Bookmark not defined 2.1.2 Bia phún xạ Error! Bookmark not defined 2.1.3 Ƣu điểm hạn chế phún xạ Error! Bookmark not defined 2.2 Phƣơng pháp phân tích cấu trúc vật liệu Error! Bookmark not defined 2.2.1 Nhiễu xạ Tia X Error! Bookmark not defined 2.2.2 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét SEM Error! Bookmark not defined 2.2.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Error! Bookmark not defined 2.2.4 Quang phổ kế UV-VIS Error! Bookmark not defined CHƢƠNG - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Sự hình thành cấu trúc tinh thể đơn pha vật liệu Error! Bookmark not defined 3.2 Quá trình dịch chuyển độ rộng lƣợng trực tiếp Error! Bookmark not defined Qua (Hình 3.8) ta thấy hàm lƣợng Ge tăng Si giảm giá trị khe lƣợng tăng lên từ giá trị Ge tới giá trị Si Với nhiệt độ ủ tăng kích thƣớc hạt thay đổi hiệu ứng lƣợng tử kích thƣớc hạt có ảnh hƣởng tới cấu trúc vùng lƣợng Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ đầy đủ Ý nghĩa EDS The energy-dispersive x-ray spectroscopy Phổ tán xạ lượng tia X FFT Fourier Transformation Biến đổi Fourier nhanh FCC Face-centered cubic Tinh thể lập phương tâm mặt High-resolution Hiển vi điện tử truyền qua độ HR-TEM Transmission Electron Microscopy SAED Selected area diffraction Nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng SEM Scanning Electron Microscope Hiển vi điện tử quét TEM Transmission Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X phân giải cao DANH MỤC ĐỒ THỊ Chƣơng Hình 1.1: Mô hình tái hợp chuyển mức thẳng Hình 1.2: Mô hình tái hợp chuyển mức xiên Hình 1.3: Mô hình cấu trúc tinh thể 10 Hình 1.4: Giản đồ vùng lượng Silic 11 Hình 1.5: Giản đồ vùng lượng Germani 14 Hình 1.6: Sơ đồ mạng tinh thể Germani 14 Hình 1.7: Mô tả cấu trúc thấp chiều Silic 17 Hình 1.8: Mô tả phụ thuộc SiO2 theo nhiệt độ ủ 18 Hình 1.9: Mô tả phụ thuộc huỳnh quang mẫu màng SiO2 19 Hình 1.10: Mô hình cấu trúc thạch anh 21 Hình 1.11: Mô hình cấu trúc Tridymite 21 Hình 1.12:Mô hình cấu trúc critobalite 22 Chƣơng Hình 2.1: Sơ đồ nguyễn lý trình phún xạ 27 Hình 2.2: Giản đồ nhiễu xạ tia X mặt phẳng nguyên tử 30 Hình 2.3: Sơ đồ đo thiết bị nhiễu xạ tia X 30 Hình 2.4: Kính hiển vi điện tử quét SEM 30 Hình 2.5: Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM 32 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động quang phổ kế UV-VIS 35 Chƣơng Hình 3.1: Ảnh nhiễu xạ tia X ứng với mẫu M3 37 Hình 3.2: Ảnh nhiễu xạ tia X thành phần x thay đổi ứng với mẫu 38 Hình 3.3: Sự phụ thuộc tỉ phần Si, x số mạng a tương ứng 40 Hình 3.4: Sự phụ thuộc kích thước tinh thể vào nồng độ tỉ phần Si,x 42 Hình 3.5: Ảnh TEM, HR-TEM, SAED 43 Hình 3.6: Cấu trúc vùng lượng Germani vùng E1 44 Hình 3.7: Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ vào lượng photon hấp thụ mẫu 600oC 45 Hình 3.8: Năng lượng hấp thụ xác định cho phép chuyển đổi trực tiếp E1 mẫu M1-4 ủ 600 , 800 , 1000 ° C Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ vào lượng photon hấp thụ mẫu 600oC 48 DANH MỤC BẢNG BIỂU Chƣơng Bảng 1.1: Các thông số vật lý Silic Bảng 1.2: Các thông số vật lý Germani 13 Bảng 1.3: Các thông số tính chất vật lý SiO2 23 Chƣơng Bảng 3.1: Các mẫu vật liệu hợp kim SixGe1-x 36 Bảng 3.2: Giá trị phụ thuộc số mạng vào thành phần x SixGe1-x 40 Bảng 3.3: Giá trị phụ thuộc kích thước tinh thể vào thành phần x SixGe1-x 41 MỞ ĐẦU Khi nguồn lƣợng truyền thống nhƣ than đá, dầu mỏ dần cạn kiệt, nguồn cung cấp không ổn định với bất lợi điều kiện địa lý công nghệ khai thác, nhiều nguồn lƣợng tái tạo nhƣ lƣợng sinh học, lƣợng gió, lƣợng địa nhiệt, lƣợng thủy triều sóng biển,… đƣợc quan tâm nghiên cứu khai thác, đặc biệt nguồn lƣợng gần nhƣ vô tận – lƣợng mặt trời Sự phát triển nhanh chóng khoa học công nghệ, điện sinh từ nguồn lƣợng mặt trời không đắt đỏ ngƣời tiêu dùng Hơn nữa, việc khai loại lƣợng yêu cần đầu tƣ ban đầu lần dùng đƣợc nhiều năm tùy thuộc vào chất lƣợng ổn định vật liệu linh kiện chế tạo Nằm vùng khí hậu nhiệt đới cận nhiệt đới, Việt nam có giải phân bổ ánh nắng mặt trời thuộc loại cao đồ xạ mặt trời giới, tiềm khai thác lƣợng mặt trời đƣợc đánh giá lớn Pin lƣợng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) thiết bị thu nhận lƣợng mặt trời chuyển đổi thành điện Cấu tạo pin mặt trời gồm điốt p-n Dƣới ánh sáng mặt trời có khả tạo dòng điện nhờ điện tử lỗ trống đƣợc sinh dựa hiệu ứng quang điện Các pin lƣợng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho vùng mà mạng lƣới điện chƣa vƣơn tới, loại thiết bị viễn thám, cầm tay nhƣ vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, điện thoại di động, Pin lƣợng mặt trời thƣờng đƣợc chế tạo thành module hay lƣợng mặt trời nhằm tạo pin có diện tích tiếp xúc với ánh sáng mặt trời lớn Vật liệu dùng để chế tạo pin mặt trời chủ yếu Si, hiệu suất loại vật liệu chƣa cao, khoảng 15% cho sản phẩm thƣơng mại Hiệu suất chuyển đổi lƣợng mặt trời lý thuyết lên đến TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Lê Công Dƣỡng (2000), “Vật liệu học”, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Phùng Hồ, Phan Quốc Phô (2001), “Vật lý bán dẫn”, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Nguyễn Đức Chiến, Phạm Thành Huy, Dƣ Thị Xuân Thảo, Nguyễn Nhƣ Toàn, Trần Kim Anh, Nguyễn Ngọc Trung, Phạm Nguyên Hải, Trịnh Xuân Anh, Vũ Anh Minh, Lƣơng Hữu Bắc, “Nghiên cứu vật lý công nghệ chế tạo vật liệu quang điện tử quang điện tử tổ hợp”, Đề án nghiên cứu 2001-2002, Bộ Khoa học công nghệ môi trƣờng, mã số: KHCB 42.17.01 [4] Vũ Đình Cự (1997), “Vật lý chất rắn”, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [5] Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh (2004), “Công nghệ nano điều khiển đến phân tử nguyên tử”, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [6] Nguyễn Hoàng Nghị (2003), “Các phương pháp thực nghiệm phân tích cấu trúc” NXB Giáo dục, Hà Nội [7] Vũ Đăng Độ - Triệu Thị Nguyệt (2010), “ Hóa học vô cơ, Quyển 1, Các nguyên tố s p” NXB Giáo dục Việt Nam Tiếng Anh [8] N N Ha, N T Giang, T.T.T Thuy, N N Trung, N D Dung, S Saeed and T Gregorkiewicz, “Single phase Si1−xGex nanocrystals and the shifting of the E1 direct energy transition”, Nanotechnology 26 (2015) 375701 [9] K Seeger (1991), “Semiconductor Physics”, the edition, Springer - Verlag [10] J I Pankove (1971), “Optical Properties in Semiconductors”, Dover Publications, New York [11] Lorenzo Pavesi (2005), “Photonics applications of nano-silicon”, Dipartimento di Fisica, Universita di Trento, via Sommarive 14, 38050 Povo (Trento), Italy.url: http:\\science.unitn.it\semicon [12] A Irrera, D Pacifici, M Miritello, G Franzu, F Priolo, F Iacona, D Sanfilippo, G Di Stefano and P.G Fallica (2003), “Light emitting devices based on silicon nanostructures”, NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry, Vol 93, Kluwer Academic Publishers [13] L T Canham (1990), “Si quantum wire arrays fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers”, Appl., Phys., Lett., Vol 57, pp 1046 - 1048 [14] S Z Weisz, R K Soni, L F Fonseca, O Resto, M Buzaianu (1999), “Size - dependent optical properties of silicon nanocrystals”, J Lumi., Vol 83- 84, pp 187 – 191 [15] B D Cullity (1978) “Elements of X-Ray diffraction”, 2nd edition, Addison Wesley, Reading, MA [16] F Hippert, E Geissler, J L Hodeau, E Lelievre, J R Regnard (2006), “Neutron and X-Ray Spectroscopy”, Springer [17] R Braunstein, A R Moore, F Herman, (1958), “Intrinsic optical absorption in germanium-silicon alloys”, Phys Rev 109, 695 [18] T Ebner, K Thonke, R Sauer, F Schaffler, H.-J Herzog, (1998), “Electroreflectance spectroscopy of strained SixGe1-x layers on silicon”, Phys Rev B 57, 15448 [19] C Pickering, R T Carline, D J Robbins, W Y Leong, S J Barnett, A D Pitt, and A G Cullis, (1993), “Spectroscopic ellipsometry characterization of strained and relaxed SixGe1-x epitaxial layers”, J Appl Phys 73, 239 [20] B S Meyerson, (1994), “High speed silicon germanium electronics”, Scientific American 270, 42-47 [21] S Takeoka, K Toshikiyo, M Fujii, S Hayashi, and K Yamamoto, (2000), “Photoluminescence from Si1−xGex alloy nanocrystals”, Phys Rev B 61, 15988 [22] R Weigand, M Zacharias, P Veit, J Christen, J Wendler J, (1998), “On the origin of blue light emission from Ge-nanocrystals containing a-SiOx films”, Superlattices Microstruct 23, 349 [23] K L Wang, D Cha, J Liu, C Chen, (2007), “Ge/Si self-assembled quantum dots and their optoelectronic device applications”, Proceedings of the IEEE 95, 1866 [24] G Bauer, F Schäffler, (2006), “Self-assembled Si and SiGe nanostructures: New growth concepts and structural analysis”, Phys Stat Sol (a) 203, 3496 [...]... thuyết có thể lên đến 1 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Lê Công Dƣỡng (2000), Vật liệu học”, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội [2] Phùng Hồ, Phan Quốc Phô (2001), Vật lý bán dẫn”, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội [3] Nguyễn Đức Chiến, Phạm Thành Huy, Dƣ Thị Xuân Thảo, Nguyễn Nhƣ Toàn, Trần Kim Anh, Nguyễn Ngọc Trung, Phạm Nguyên Hải, Trịnh Xuân Anh, Vũ Anh Minh, Lƣơng Hữu Bắc, Nghiên cứu vật lý và công... Nghiên cứu vật lý và công nghệ chế tạo vật liệu quang điện tử và quang điện tử tổ hợp”, Đề án nghiên cứu cơ bản 2001-2002, Bộ Khoa học công nghệ và môi trƣờng, mã số: KHCB 42.17.01 [4] Vũ Đình Cự (1997), Vật lý chất rắn”, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội [5] Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh (2004), “Công nghệ nano điều khiển đến từng phân tử nguyên tử”, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội [6] Nguyễn Hoàng... dùng Hơn nữa, việc khai loại năng lƣợng này chỉ yêu cần đầu tƣ ban đầu một lần và có thể dùng đƣợc trong nhiều năm tùy thuộc vào chất lƣợng và sự ổn định của vật liệu và linh kiện chế tạo Nằm trên vùng khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới, Việt nam có giải phân bổ ánh nắng mặt trời thuộc loại cao trên bản đồ bức x mặt trời của thế giới, tiềm năng khai thác năng lƣợng mặt trời đƣợc đánh giá rất lớn Pin... đất, máy tính cầm tay, điện thoại di động, Pin năng lƣợng mặt trời thƣờng đƣợc chế tạo thành các module hay các tấm năng lƣợng mặt trời nhằm tạo ra các tấm pin có diện tích tiếp x c với ánh sáng mặt trời lớn Vật liệu dùng để chế tạo pin mặt trời hiện nay chủ yếu là Si, mặc dù hiệu suất của loại vật liệu này chƣa cao, khoảng 15% cho các sản phẩm thƣơng mại Hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng mặt trời lý thuyết... định với những bất lợi về điều kiện địa lý và công nghệ khai thác, nhiều nguồn năng lƣợng tái tạo nhƣ năng lƣợng sinh học, năng lƣợng gió, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng thủy triều và sóng biển,… đang đƣợc quan tâm nghiên cứu và khai thác, trong đó và đặc biệt nhất là một nguồn năng lƣợng gần nhƣ vô tận – năng lƣợng mặt trời Sự phát triển nhanh chóng về khoa học và công nghệ, điện năng sinh ra từ nguồn... mặt trời và chuyển đổi thành điện năng Cấu tạo của pin mặt trời cơ bản gồm các điốt p-n Dƣới ánh sáng mặt trời nó có khả năng tạo ra dòng điện nhờ các điện tử và lỗ trống đƣợc sinh ra dựa trên hiệu ứng quang điện Các pin năng lƣợng mặt trời có rất nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà mạng lƣới điện chƣa vƣơn tới, các loại thiết bị viễn thám, cầm tay nhƣ các vệ tinh quay xung quanh... Sauer, F Schaffler, H.-J Herzog, (1998), “Electroreflectance spectroscopy of strained SixGe1- x layers on silicon”, Phys Rev B 57, 15448 [19] C Pickering, R T Carline, D J Robbins, W Y Leong, S J Barnett, A D Pitt, and A G Cullis, (1993), “Spectroscopic ellipsometry characterization of strained and relaxed SixGe1- x epitaxial layers”, J Appl Phys 73, 239 [20] B S Meyerson, (1994), “High speed silicon germanium... phương pháp thực nghiệm phân tích cấu trúc” NXB Giáo dục, Hà Nội [7] Vũ Đăng Độ - Triệu Thị Nguyệt (2010), “ Hóa học vô cơ, Quyển 1, Các nguyên tố s và p” NXB Giáo dục Việt Nam Tiếng Anh [8] N N Ha, N T Giang, T.T.T Thuy, N N Trung, N D Dung, S Saeed and T Gregorkiewicz, “Single phase Si1−xGex nanocrystals and the shifting of the E1 direct energy transition”, Nanotechnology 26 (2015) 375701 [9] K Seeger... 42-47 [21] S Takeoka, K Toshikiyo, M Fujii, S Hayashi, and K Yamamoto, (2000), “Photoluminescence from Si1−xGex alloy nanocrystals”, Phys Rev B 61, 15988 3 [22] R Weigand, M Zacharias, P Veit, J Christen, J Wendler J, (1998), “On the origin of blue light emission from Ge-nanocrystals containing a-SiOx films”, Superlattices Microstruct 23, 349 [23] K L Wang, D Cha, J Liu, C Chen, (2007), “Ge/Si self-assembled... Fonseca, O Resto, M Buzaianu (1999), “Size - dependent optical properties of silicon nanocrystals”, J Lumi., Vol 83- 84, pp 187 – 191 [15] B D Cullity (1978) “Elements of X- Ray diffraction”, 2nd edition, Addison Wesley, Reading, MA [16] F Hippert, E Geissler, J L Hodeau, E Lelievre, J R Regnard (2006), “Neutron and X- Ray Spectroscopy”, Springer [17] R Braunstein, A R Moore, F Herman, (1958), “Intrinsic