Luận văn 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 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trương 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 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trương 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 HƯỚNG DẪN: TS NGÔ NGỌC HÀ Hà Nội LỜI CẢM ƠN Lời xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn - TS Ngô Ngọc Hà - Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS) – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (ĐHBKHN) nhiệt tình giúp đỡ thời gian thực luận văn Xin chân thành cảm ơn NCS Nguyễn Trường Giang, Viện ITIMS giúp đọc, góp ý chỉnh sửa lỗi tả 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 hướng 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 cảm ơn Thầy cô giáo khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, dạy dỗ, dìu dắt suốt thời gian học tập chương trình thạc sĩ Xin cảm ơn Ban giám đốc Viện ITIMS toàn thể Thầy cô giáo Viện tạo điều kiện cho 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! Học viên Trương 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 chưa công bố công trình sở khác dạng luận văn Người cam đoan Trương Thị Thanh Thủy MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .3 LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG - TỔNG QUAN 1.1 Tính chất quang vật liệu bán dẫn .5 1.1.1 Đặc điểm cấu trúc vùng lượng chất bán dẫn 1.1.2 Các trình phát quang xảy vật liệu bán dẫn .6 Giới thiệu vật liệu bán dẫn Silic: 1.2.1 Vật liệu bán dẫn Silic tinh thể khối .9 1.2.2 Cấu trúc vùng lượng tính chất quang Silic tinh thể khối .10 1.3 Giới thiệu vật liệu Ge 13 1.3.1 Vật liệu Germani tinh thể khối 13 1.3.2 Cấu trúc vùng lượng tính chất quang Germani tinh thể khối .14 1.4 Vật liệu Si có cấu trúc nano .17 1.4.1 Các cấu trúc thấp chiều vật liệu Silic 17 1.4.2 Một số phương pháp chế tạo vật liệu Silic có cấu trúc nano 19 1.4.3 Tính chất quang vật liệu Silic có cấu trúc nano 19 1.5 Điôxit- Silic (SiO2) 21 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 .25 CHƯƠNG – PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 26 2.1 Phương pháp chế tạo vật liệu 26 2.1.1 Phương pháp phún xạ catốt 26 2.1.2 Bia phún xạ 27 2.1.3 Ưu điểm hạn chế phún xạ .27 2.2 Phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu 28 2.2.1 Nhiễu xạ Tia X 28 2.2.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM 30 2.2.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .32 2.2.4 Quang phổ kế UV-VIS .33 CHƯƠNG - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 Sự hình thành cấu trúc tinh thể đơn pha vật liệu .35 3.2 Quá trình dịch chuyển độ rộng lượng trực tiếp .43 Qua (Hình 3.8) ta thấy hàm lượng Ge tăng Si giảm giá trị khe lượng tăng lên từ giá trị Ge tới giá trị Si Với nhiệt độ ủ tăng kích thước hạt thay đổi hiệu ứng lượng tử kích thước hạt có ảnh hưởng tới cấu trúc vùng lượng .48 KẾT LUẬN .49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 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 HR-TEM High-resolution Transmission Electron Microscopy Hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao 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 DANH MỤC ĐỒ THỊ Chương Hình 1.1: Mô hình tái hợp chuyển mức thẳng Hình 1.2: Mô hình tái hợp chuyển mức xiên Hình 3: (a) Mô hình cấu trúc tinh thể kiểu kim cương với hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào [2, 10] 10 Hình 1.4: Các nhánh lượng theo phương [111], [100] [110] [2, 9, 10] .11 Hình 2.4: Kính hiển vi điện tử quét SEM Hình 2.5: Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động quang phổ kế UV-VIS Chương Hình 3.1: Ảnh nhiễu xạ tia X ứng với mẫu M3 Hình 3.2: Ảnh nhiễu xạ tia X thành phần x thay đổi ứng với mẫu Hình 3.3: Sự phụ thuộc tỉ phần Si, x số mạng a tương ứng Hình 3.4: Sự phụ thuộc kích thước tinh thể vào nồng độ tỉ phần Si,x Hình 3.5: Ảnh TEM, HR-TEM, SAED Hình 3.6: Cấu trúc vùng lượng Germani vùng E1 Hình 3.7: Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ vào lượng photon hấp thụ mẫu 600oC 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 Chương Bảng 1.1: Các thông số vật lý vật liệu Si khối nhiệt độ tuyệt đối9 Bảng 1.2: Các thông số vật lý vật liệu Ge [1, 2, 4, 9] .13 Bảng 1.3: Các thông số vật lý vật liệu SiO2 24 0.8:0.2 ; 0.6:0.4 ; 0.4:0.6 ; 0.2:0.8 Ứng với mẫu M1 nghĩa tỷ lệ Si:Ge = 0.8:0.2 ta thấy chưa hình thành tinh thể tinh thể lúc chủ yếu Si, Si có số mạng thấp dẫn đến đỉnh nhiễu xạ tinh thể thấp dẫn đến hạt tinh thể lớn, tăng dần lượng Ge lúc đỉnh nhiễu xạ bắt đầu hình thành tương đương mẫu M2 M3 tín hiệu yếu, Si:Ge = 0.2:0.8 ứng với mẫu M4 nghĩa lượng Ge tinh thể nhiều lượng Si, lúc xuất đỉnh nhiễu xạ tương ứng với mặt (311), (220) (111) Điều chứng tỏ kích thước hạt nano SixGe1-x có xu hướng tăng dần xử lý nhiệt độ cao chứng tỏ hạt nano tinh thể lúc chủ yếu Ge Điều chứng tỏ số mạng Ge lớn số mạng Si dẫn tới đỉnh nhiễu xạ dịch dần phía Ge Đỉnh nhiễu xạ cành nhọn hạt lớn Từ giản đỗ nhiễu xạ tia X hình 3.2 ta thấy góc 2θ ≈ 300 cường độ nhiễu xạ tăng lên nhìn thấy rõ nét tinh thể đỉnh (111) Sự phụ thuộc tinh thể SixGe1-x vào số mạng a vật liệu Ge tương ứng với thành phần x tinh thể SixGe1-x Với công thức tính số mạng, theo định luật Bragg nλ = 2dsinθ θ= d hkl = sin θ = Trong đó: W - π S1 2W a h2 + k + l λ (h + k + l ) 4a 2 khoảng cách điểm vào tia tới ứng với góc 1800 λ - bước sóng tia X Với số mạng Silic a = 5,43 Å số mạng Germani a = 5,66 Å Trong tinh thể SixGe1-x số mạng thay đổi thay đổi giá trị x với tỉ lệ cho trước, ta thấy số mạng dần tăng lên theo gần số mạng Ge giá trị x=0.8 38 Các giá trị tính toán số mạng trình bày bảng 3.2 • Sự phụ thuộc thành phần x vào số mạng a Bảng 3.2 Tính toán số mạng thông qua định luật Bragg, lúc đầu tinh thể hạt nano SixGe1-x chiếm chủ yếu hạt Si số mạng a=5.45(Å) với số mạng Si tăng dần tỷ số x nghĩa Si giảm dần Ge tăng dần, số hạt tinh thể nano Si xGe1-x chiếm chủ yếu Ge số mạng a= 5.65(Å) gần số mạng Ge lúc hạt chiếm chủ yếu Ge Bảng 3.2: Các giá trị tính toán số mạng phụ thuộc vào thành phần x Si vật liệu hợp kim lai hóa SixGe1-x Giá trị x Hẳng số mạng a (Å) 0.8 5.50 0.6 5.55 0.4 5.60 0.2 5.66 Qua đồ thị 3.3, ta thấy tỉ phần Si (x = 0.8) so với Ge (1-x = 0.2) số mạng a = 5.50 Å xấp xỉ số mạng Si Giá trị x giảm dần đồng nghĩa với tỉ lệ Ge tăng lên, số mạng dịch chuyển phía giá trị tinh thể Ge, a = 5,65 Å Giá trị x = ngoại suy số mạng đưa thêm vào để tham khảo 39 Hình 3.3: Sự phụ thuộc tỉ phần Si, x số mạng a tương ứng Sự nhòe rộng đỉnh nhiễu xạ hai nhóm nguyên nhân gồm trạng thái cấu trúc thân mẫu nghiên cứu gồm ứng suất tinh thể kích thước hạt Ở đây, nhòe rộng điều kiện thực nghiệm loại bỏ, ứng suất tinh tế vi loại bỏ hiệu chỉnh độ rộng vật lý liên quan đến kích thước tinh thể theo biểu thức: D=k λ B cos θ D: kích thước tinh thể, λ: bước sóng nhiễu xạ tia X, k: hệ số tỷ lệ Nếu độ rộng vật lý B xác định theo Laue k = sử dụng theo Scherrer k = 0,9 Do kích thước tinh thể D theo chiều vuông góc với mặt nhiễu xạ (hkl) tỷ lệ nghịch với cosθ nên xác định kích thước tinh thể với độ xác cao phải dùng đường nhiễu xạ với góc θ bé Tóm lại, nhòe rộng đường nhiễu xạ nguyên nhân kích thước hạt nhỏ gây cách xác định độ rộng vật lý đường nhiễu xạ với góc θ bé dễ dàng xác định kích thước trung bình hạt tinh thể theo phương vuông góc với mặt nhiễu xạ cho Từ thực nghiệm ta thấy thông qua bảng số liệu 3.3: Bảng 3.3.: Bảng số liệu phụ thuộc kích thước tinh thể vào nồng độ x x 0.8 0.6 0.4 0.2 Kích thước tinh thể D (nm) 2.3 11 Thông qua bảng số liệu ta vẽ đồ thị phụ thuộc D vào x trình bày Hình 3.4 Hình 3.4 rõ phụ thuộc kích thước hạt vào tỉ lệ x tinh thể Nếu độ rộng tinh thể tăng dẫn đến kích thước hạt D giảm, điều 40 thể rõ (Hình 3.2) thông qua đỉnh (113), (022), (111) Tất mẫu ủ nhiệt độ 1000 oC Ứng với mẫu M1 tinh thể SixGe1-x tỉ phần Si x = 0.8 (nghĩa lúc mẫu Si chiếm nồng độ lớn), lúc tinh thể có hình thành kích thước hạt (D) giảm độ rộng tinh thể tăng, giảm dần tỉ phần x tinh thể, đồng nghĩa với việc tỉ phần Ge tăng lên, kích thước hạt tăng dần độ rộng bán phổ giản đồ nhiễu xạ tia x tinh thể giảm xuống [8] Hình 3.4: Sự phụ thuộc kích thước tinh thể vào nồng độ tỉ phần Si, x • Cấu trúc đơn pha vật liệu Phún xạ catot bốc bay nguyên tử Si Ge SiO lên phiến Thay đổi lượng Si Ge, tăng Si giảm Ge để thành phần Si Ge khác nhau, vật liệu chiếm 33% tổng SixGe1-x ủ lên đến nhiệt độ thích hợp kết tinh biến thành hạt nano Si Ge vô định hình SiO (các chấm lượng tử vật liệu SixGe1-x SiO2) Chúng ta quan sát hình ảnh chấm lượng tử thông qua ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Hình 3.5 trình bày ảnh hiển vi điện tử (a) mẫu M4 (x = 0.8) mẫu ủ 1000 0C Các chấm nhỏ với đường kính khoảng 5−10 nm tinh thể SixGe1-x vô định hình 41 SiO2 sáng màu Ảnh hiển vi điện tử phân giải cao (HR TEM) tinh thể thể hình 3.5 (b) với biến đổi Fuorier nhanh (FFT) hình nhỏ Kết cho thấy hạt nano đơn tinh thể với kích thước khoảng 10 nm hình thành Khoảng cách hai mặt phản xạ (002), d = 2.8 Å (a = 5.6 Å) thể rõ (a) (b) (c) Hình 3.5: (a) Ảnh chụp TEM vật liệu lai hóa SixGe1-x sau nung ủ nhiệt độ 1000oC với thành phần x = 0.8, điểm màu đen với đường kính khoảng từ 5-10 nm đơn tinh thể; (b) Hình ảnh HR-TEM phân giải cao đơn tinh thể, hình nhỏ phía góc phải ảnh chuyển đổi Fourier (FFT) vật liệu; (c) Ảnh nhiễu xạ điện tử chọn lựa vùng (SAED) Ảnh nhiễu xạ điện tử vùng chọn lọc (SAED) trình bày hình 3.5 (c) Kết hoàn toàn phù hợp với nhiễu xạ tia X đưa chứng trực tiếp hình thành hạt nano đơn pha SixGe1-x vô định hình SiO2 [8] Từ kết nhiễu xạ tia X hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao thấy rằng: - Hệ SixGe1-x đơn pha hai pha riêng rẽ Si Ge - Kích thước hạt SixGe1-x đơn tinh thể hình cầu khoảng từ 2- 10 nm 42 - Hằng số mạng tăng tuyến tính từ số mạng Si tới số mạng Ge hàm lượng Ge tăng hệ SixGe1-x 3.2 Quá trình dịch chuyển độ rộng lượng trực tiếp • Các chuyển mức trực tiếp Các mức dịch chuyển trực tiếp eV cấu trúc vùng lượng tinh thể Ge trình bày hình 3.6 Các mức dịch chuyển đánh dấu E(0), E(0’) vị trí Γ (k = 0), E(1) nằm Γ L [18, 19], E(2’) nằm lân cận vị trí X vùng Brillouin Ở chuyển mức trực tiếp E(1), quan sát thấy đường (mặt) đẳng song song với nhau, tương ứng với khối lượng hiệu dụng điện tử lỗ trống tương đồng Điều dẫn đến dự chồng chéo không gian mạng chuyển đổi trực tiếp tăng lên, xác suất dịch chuyển tăng lên Đồng thời, thay đổi E(1) Năng lượng (eV) nhỏ giới hạn lượng tử đồng điệu khối lượng hiệu dụng Hình 3.6: Cấu trúc vùng lượng tinh thể Ge với mức chuyển mức 43 lượng trực tiếp trình vùng lượng 5.0 eV Các mức chuyển mức trực tiếp E(0) E(0’) điểm Γ (k = 0) vùng Brillouin, chuyển mức E(1) nằm điểm Γ L chuyển mức E(2’) nằm gần điểm X • Sự dịch chuyển độ rộng vùng lượng lượng E(1) Hệ số hấp thụ xác định từ định luật hấp thụ ánh sáng Buger-Lamber Hệ số hấp thụ xác định phần cường độ ánh sáng bị suy giảm qua đơn vị độ dày mẫu I (1 − R) ln x I ( x) I(x)=Io αx) → (1-R).exp(α(λ)= Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tới, phụ thuộc α=f(λ) gọi phổ hấp thụ 11 I 0(1(1−−RR))22 lnln X TI(Tλ ) x Hệ số hấp thụ xác α(λ)== định cường độ ánh sáng tới cường độ ánh sáng truyền qua mẫu Khi số mạng hệ SixGe1-x biến đổi tì cấu trúc vùng năn lượng biến đổi dẫn tới tính chất vật lý thay đổi Hệ số hấp thụ trình biến α đổi trực tiếp có liên quan đến lượng hấp thụ photon theo công thức ∼ (E - Eg) Trong - E: lượng hấp thụ photon - Eg: lượng khe bán dẫn trực tiếp Bằng cách vẽ phụ thuộc bình phương hệ số hấp thụ α theo lượng hấp thụ ta xác định giá trị độ rộng vùng cấm thẳng chất bán dẫn trình bày Hình 3.7 Áp dụng phương pháp với hệ mẫu hợp kim lai hóa SixGe1-x chế tạo với thành phần Si khác (mẫu M1÷M4) nhiệt độ ủ T = 600 oC, 800oC, 1000oC ta thu kết độ rộng vùng cấm hình nhỏ Hình 3.7 Cụ thể từ bình phương hệ số hấp thụ 44 lượng hấp thụ photon, xác định vùng cấm thẳng từ đường giao cắt đường ngoại suy tuyến tính bình phương hệ số hấp thụ thụ Hệ số hấp thụ đường gốc Hình 3.7: Sự phụ thuộc bình phương hệ số hấp thụ vào lượng phôtn hấp thụ mẫu nhiệt độ ủ 600oC Hình nhỏ: độ rộng vùng cấm thẳng mẫu với thành phần Si nhiệt độ ủ khác Qua hình 3.7 ta thấy hàm lượng Ge tăng Si giảm Eg giảm dần Đối chiếu với lượng dịch chuyển trực tiếp hình 3.6, thấy giá trị lượng xác định (~2 eV) tương đối phù hợp với chuyển mức trực tiếp E(1) Với mẫu M4, tỉ phần Ge lớn nhất, vùng lượng chuyển đổi trực tiếp E(1) thay đổi nhỏ nằm khoảng 2eV [17], vùng cấm thẳng mẫu lại thay đổi lớn với nhiệt độ ủ khác 45 Điều hoàn toàn phù hợp với thảo luận phía tính đồng điệu vùng dẫn vùng hóa trị trình bày sơ đồ lượng hình 3.6 áp dụng cho bán dẫn khối Ge Năng lượng dịch chuyển trực tiếp mẫu lại thay đổi thành phần Si thay đổi Thông qua 12 mẫu hệ SixGe1-x ủ nhiệt độ khác 600 oC 800oC 1000oC (Hình 3.8) 46 Hình 3.8- Năng lượng hấp thụ xác định cho phép chuyển đổi trực tiếp E1 mẫu M1-4 ủ 600 , 800 1000 °C [18, 19] 47 Qua (Hình 3.8) ta thấy hàm lượng Ge tăng Si giảm giá trị khe lượng tăng lên từ giá trị Ge tới giá trị Si Với nhiệt độ ủ tăng kích thước hạt thay đổi hiệu ứng lượng tử kích thước hạt có ảnh hưởng tới cấu trúc vùng lượng 48 KẾT LUẬN Luận văn đạt giải số vấn đề sau: - Hình thái cấu trúc nano tinh thể Si xGe1-x nghiên cứu khảo sát phương pháp nhiễu xạ tia X, ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM), Hiển vi điện tử tryền qua độ phân giải cao (HR TEM) nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng (SAED) Kết cho thấy hạt nano tinh thể SixGe1-x có kích thước tương đối nhỏ nằm vùng từ 3÷10 nm sau nung ủ 1000oC môi trường khí N 2; kích thước hạt nano số mạng tinh thể tăng theo thành phần Ge; - Chọn phương pháp thực nghiệm phù hợp với điều kiện cho phép để chế tạo vật liệu lai hóa SixGe1-x có cấu trúc nano; - Nắm bắt số tính chất vật lý vật liệu thay đổi số mạng tinh thể, chuyển mức thẳng chuyển mức xiên vật liệu bán dẫn, phụ thuộc số chuyển mức vào thành phần, cấu trúc kích thước nano tinh thể; - Lựa chọn phương pháp thực nghiệm phù hợp với điều kiện cho phép để chế tạo vật liệu SiGe có cấu trúc nano; - Độ rộng chuyển đổi lượng trực tiếp E(1) nằm điểm Γ L vùng Brillouin tăng lên với thành phần Si tăng; - Các kết luận văn đăng tạp chí Nanotechnology, nhà xuất Viện Vật Lý Vương Quốc Anh (IOP) có chất lượng cao, nằm danh mục ISI với số “impact factor” năm 2014 IF = 3.81 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Lê Công Dưỡng (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, Dư Thị Xuân Thảo, Nguyễn Như Toàn, Trần Kim Anh, Nguyễn Ngọc Trung, Phạm Nguyên Hải, Trịnh Xuân Anh, Vũ Anh Minh, Lương 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 trường, 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 E 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 50 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 Si xGe1-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-SiO x films”, Superlattices Microstruct 23, 349 51 [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 52 [...]... như trên, chúng tôi thực hiện đề tài: Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật lý của vật liệu nano tinh thể SixGe1- x trên nền SiO2 Luận văn được tiến hành dựa trên các phương pháp thực nghiệm sẵn có tại cơ sở nghiên cứu, bao gồm: * Chế tạo vật liệu nano tinh thể Si xGe1 -x với các thành phần Si và Ge khác nhau trên nền vật liệu SiO2 bằng phương pháp phún x catot * Các phương pháp nghiêu cứu tính chất vật. .. các tính chất vật lý này bằng cách thay đổi kích thước và tính chất bề mặt của các nano tinh thể 18 1.4.2 Một số phương pháp chế tạo vật liệu Silic có cấu trúc nano Vật liệu Si có cấu trúc nano có thể được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau như ăn mòn điện hóa, cấy ion, epitaxy chùm phân tử, lắng đọng hóa học, nghiền và x lý hóa học, phương pháp phún x [11] 1.4.3 Tính chất quang của vật liệu. .. vùng năng lượng của ∆Eg(Si)=1,12eV của ∆Eg(Ge)=0,66 eV Như vậy khi sử dụng chúng để nâng cao hiệu suất của Pin Mặt Trời ta sẽ kết hợp 2 tinh thể đó tạo 16 thành tinh thể nano SixGe1- x Để hình thành tinh thể SixGe1- x từ Si và Ge có rất nhiều phương pháp, trên đây tôi sử dụng phương pháp phún x dựa trên nền SiO2 1.4 Vật liệu Si có cấu trúc nano 1.4.1 Các cấu trúc thấp chiều của vật liệu Silic Quan điểm... thước hạt tinh thể so sánh được với bán kính Bohr của cặp điện tử lỗ trống (exciton) hình thành do tương tác của photon với nano tinh thể Do kích thước nhỏ nên các tính chất quang của hệ vật lý thấp chiều bị khống chế bởi kích 17 thước vật lý và tính chất hóa học bề mặt của nó Hình 1.7: Mô tả các cấu trúc thấp chiều của Silic [12] Nếu đường kính của các nano tinh thể nhỏ hơn bán kính Bohr của exciton... vật lý của vật liệu nano tinh thể Si xGe1 -x gồm nhiễu x kế tia X (XRD), hiển vi điện tư truyền qua (TEM), Hiển vi điện tử quét (SEM), quang phổ kế Raman, hệ hấp thụ quang học Để thực hiện đề tài chúng tôi đã chia đề tài thành những phần sau: Chương 1 Tổng quan về Si, Ge: Giới thiệu chung về cấu tạo, tính chất của Si, Ge, SiO2 và SixGe1- x Chương 2 Thực nghiệm: Trình bày ưu điểm cơ chế, quy trình của. .. có cấu trúc nano Tính chất quang của các tinh thể bán dẫn kích thước nano mét có cấu trúc rất khác với tính chất quang của vật liệu khối cùng thành phần Nghiên cứu chỉ ra rằng so với vật liệu Si khối, các trạng thái điện tử trong cấu trúc nano Si bị chi phối mạnh bởi cả hiệu ứng giam giữ lượng tử và hiệu ứng bề mặt Phổ huỳnh quang của các cấu trúc nano Si phụ thuộc mạnh vào kích thước tinh thể, nồng... vật lý dùng chế tạo màng mỏng có chất lượng cao Phương pháp này không chỉ chế tạo được các màng dẫn điện mà nó còn chế tạo được các màng không dẫn điện Ưu điểm của phương pháp này là có thể chế tạo được các màng vật liệu có độ dày đồng đều có tính kết dính tốt với đế, có nhiệt độ nóng chảy cao, độ lặp lại cao và khả năng giữ được hợp thức của các vật liệu gốc tốt Cơ sở của phương pháp phún x dựa trên. .. tử quét SEM và các kết quả về phép đo phổ hấp thụ 3 Kết quả thu được: - Chọn được phương pháp thực nghiệm phù hợp với điều kiện cho phép để chế tạo được vật liệu lai hóa SiGe có cấu trúc nano - Chế tạo được mẫu theo các thành phần mong muốn - Nắm bắt được một số tính chất vật lý cơ bản của vật liệu như sự thay đổi của hằng số mạng tinh thể, chuyển mức thẳng và chuyển mức xiên trong vật liệu bán dẫn,... ÷1016 Từ bảng 1.3, chúng tôi thấy vật liệu SiO 2 hoàn toàn phù hợp làm vật liệu nền có độ rộng vùng cấm rộng cho các nano tinh thể Si và Ge Trong chương 2 chúng tôi sẽ giới thiệu về các phương pháp thực nghiệm của luận văn để nghiên cứu cấu tạo vào cấu trúc bề mặt mẫu 25 CHƯƠNG 2 – PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Phương pháp chế tạo vật liệu 2.1.1 Phương pháp phún x catốt Phún x catốt là một trong những phương... quan tâm nghiên cứu từ rất sớm [8, 17-19], tùy thuộc vào cấu thành của loại hỗn hợp này người ta có thể thay đổi được độ rộng vùng cấm của vật liệu [2] Ở kích thước nano, các tính chất vật lý của các loại vật liệu này thay đổi rất lớn, đôi khi nhiều tính chất mới thú vị được đưa ra Các giải thích về sự thay đổi này chủ yếu dựa trên hiệu ứng giam cầm lượng tử [3] Những tính chất vật lý mới này đôi khi