Luận văn Thạc sĩ Khoa học: 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 SixGe1-x với các thành phần Si và Ge khác nhau trên nền vật liệu SiO2 bằng phương pháp phóng xạ catot; các phương pháp nghiên cứu tính chất vật lý của vật liệu nano tinh thể SixGe1-x gồm nhiễu xạ kế tia X (XRD), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện tử quét (SEM), quang phổ kế Raman, hệ hấp thụ quang học.

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 SixGe1­x TRÊN NỀN SiO2 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2015 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 SixGe1­x TRÊN NỀN SiO2 Chun ngành: Quang học Mã số: 60440109 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. NGƠ NGỌC HÀ Hà Nội – Năm 2015 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tơi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn ­ TS. Ngơ Ngọc   Hà ­ Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS) – Trường Đại học  Bách khoa Hà Nội (ĐHBKHN) đã nhiệt tình giúp đỡ  tơi trong thời gian thực   hiện luận văn này. Xin chân thành cảm ơn NCS. Nguyễn Trường Giang, Viện   ITIMS đã giúp tơi đọc, góp ý và chỉnh sửa các lỗi chính tả cũng như bố cục của   luận văn Tơi cũng xin gửi lời cảm  ơn tới TS. Nguyễn Đức Dũng – Viện Tiên   tiến về khoa học và cơng nghệ  (AIST), ĐHBKHN và các bạn của tơi đã dành   thời gian hướng dẫn, hỗ trợ tơi trong việc đo đạc, xử  lý số liệu. Những góp ý   q báu của bạn đã giúp tơi hồn thành quyển luận văn này một cách tốt nhất Tơi muốn gửi lời cảm  ơn tới tất cả  các thành viên trong nhóm quang  điện tử, Viện ITIMS đã giúp đỡ tơi trong q trình hồn thành luận văn Tơi cũng xin được cảm ơn các Thầy cơ giáo trong khoa Vật lý, Trường  Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đã dạy dỗ, dìu dắt tơi   trong suốt thời gian học tập chương trình thạc sĩ tại đây. Xin được cảm  ơn   Ban giám đốc Viện ITIMS và tồn thể các Thầy cơ giáo của Viện đã tạo điều  kiện cho tơi được làm việc tại đây để hồn thiện cuốn luận văn này Cuối cùng, tơi xin cảm ơn tới chồng con và tồn thể gia đình tơi. Đây là   nguồn động viên to lớn nhất, là sự  hỗ  trợ  khơng mệt mỏi của tơi trong suốt   thời gian học tập, nghiên cứu và hồn thành luận văn này!       Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2015                  Học viên                                                                                   Tr ương Th ị Thanh Th ủy LỜI CAM ĐOAN      Tơi xin cam đoan nội dung bản luận văn này là những gì chính tơi đã nghiên  cứu trong suốt thời gian học thạc sĩ, các số liệu và kết quả là trung thực chưa    được cơng bố ở cơng trình nào hoặc cơ sở nào khác dưới dạng luận văn Người cam đoan                                                                                       Tr ương Th ị Thanh Th ủy MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt EDS Từ đầy đủ The energy­dispersive x­ray  spectroscopy Ý nghĩa Phổ tán xạ năng lượng tia X FFT Fourier Transformation Biến đổi Fourier nhanh FCC Face­centered cubic Tinh thể lập phương tâm mặt High­resolution HR­TEM Transmission Electron  Microscopy độ phân giải cao Nhiễu xạ điện tử lựa chọn   SAED Selected area diffraction SEM Scanning Electron Microscope Hiển vi điện tử quét Transmission Electron  Kính hiển vi điện tử truyền   Microscopy qua X­ray diffraction Nhiễu xạ tia X TEM XRD Hiển vi điện tử truyền qua   vùng DANH MỤC ĐỒ THỊ Chương 1 Hình 2.4: Kính hiển vi điện tử qt SEM30 Hình 2.5: Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM32 Hình 2.6: Sơ đồ ngun lý hoạt động của quang phổ kế UV­VIS35      Chương 3 Hình 3.1: Ảnh nhiễu xạ tia X ứng với mẫu M337 Hình 3.2: Ảnh nhiễu xạ tia X khi thành phần x thay đổi ứng với các mẫu38 Hình 3.3: Sự phụ thuộc của tỉ phần Si, x đối với hằng số mạng a tương ứng.40 Hình 3.4: Sự phụ thuộc của kích thước tinh thể vào nồng độ tỉ phần Si,x42 Hình 3.5: Ảnh TEM, HR­TEM, SAED43 Hình 3.6: Cấu trúc vùng năng lượng của Germani trong vùng E144 Hình 3.7: Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào năng lượng photon hấp thụ của   mẫu tại 600oC45 Hình 3.8: Năng lượng hấp thụ được xác định cho phép chuyển đổi trực tiếp E1 mẫu M1­4 khi ủ ở 600 , 800 , và 1000 ° C Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ   vào năng lượng photon hấp thụ của mẫu tại 600oC48 DANH MỤC BẢNG BIỂU Chương 1 MỞ ĐẦU Khi các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ đang dần   cạn kiệt, nguồn cung cấp không ổn định với những bất lợi về điều kiện địa lý  và công nghệ  khai thác, nhiều nguồn năng lượng tái tạo như  năng lượng sinh   học, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều và sóng biển, … đang được quan tâm nghiên cứu và khai thác, trong đó và đặc biệt nhất là  một nguồn năng lượng gần như vơ tận – năng lượng mặt trời Sự phát triển nhanh chóng về khoa học và cơng nghệ, điện năng sinh ra  từ  nguồn năng lượng mặt trời khơng còn q đắt đỏ  đối với người tiêu dùng.  Hơn nữa, việc khai loại năng lượng này chỉ u cần đầu tư ban đầu một lần và   có thể dùng được trong nhiều năm tùy thuộc vào chất lượng 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 xạ  mặt trời của thế  giới, tiềm năng khai thác năng lượng mặt trời được  đánh giá rất lớn Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết  bị  thu nhận năng lượng mặt trời và chuyển đổi thành điện năng. Cấu tạo của   pin mặt trời cơ bản gồm các điốt p­n. Dưới ánh sáng mặt trời nó có khả  năng  tạo ra dòng điện nhờ  các điện tử  và lỗ  trống được sinh ra dựa trên hiệu  ứng   quang điện.  Các pin năng lượng mặt trời có rất nhiều  ứng dụng. Chúng đặc  biệt thích hợp cho các vùng mà mạng lưới điện chưa vươn tới, các loại thiết bị  viễn thám, cầm tay như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính   cầm tay, điện thoại di động,  Pin năng lượng mặt trời thường được chế  tạo   thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời nhằm tạo ra các tấm pin có   diện tích tiếp xúc với ánh sáng mặt trời lớn. Vật liệu dùng để chế tạo pin mặt   10 Hình 3.1: Ảnh nhiễu xạ tia X của hợp kim SixGe1­x được ủ ở các nhiệt độ 600,   800, và 1000oC với thành phần của Si khơng đổi x = 0.4 Các nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần được tiến hành trên mẫu ủ 1000 C Ảnh hưởng của thành phần lên cấu trúc của vật liệu Trước khi đo nhiễu xạ tia X, theo sự phán đốn nano tinh thể  SixGe1­x sẽ tồn tại  2 pha riêng biệt nghĩa là 2 hệ đỉnh nhiễu xạ  gần nhau trong kết quả phép đo,  nhưng thực tế, chỉ tồn tại một đỉnh nhiễu xạ, chỉ rõ trong Hình 3.2 Hình 3.2 trình bày  ảnh nhiễu xạ  tia X của hợp kim Si xGe1­x  với các thành  phần Si thay đổi lần lượt trong dải x = 0.8 ÷ 0.2, được đánh dấu lần lượt là  M1 ÷ M4 sau khi ủ nhiệt tại nhiệt độ 1000oC.  Hình 3.2: Ảnh nhiễu xạ tia X của hợp kim SixGe1­x với các thành phần Si thay   đổi lần lượt trong dải x = 0.8 ÷ 0.2, được đánh dấu lần lượt là M1 ÷ M4 sau   khi ủ nhiệt tại nhiệt độ 1000oC 48 Từ giản đồ nhiễu xạ ta thấy rằng các mẫu được trộn với tỷ lệ Si: Ge=  0.8:0.2 ; 0.6:0.4 ; 0.4:0.6 ; 0.2:0.8.  Ứng với mẫu M1 nghĩa là tỷ  lệ  Si:Ge =   0.8:0.2 ta thấy hầu như chưa hình thành tinh thể  vì trong tinh thể  lúc này chủ  yếu là Si, Si có hằng số  mạng thấp dẫn đến đỉnh nhiễu xạ  tinh thể  thấp và   dẫn đến hạt tinh thể sẽ lớn, khi tăng dần lượng Ge lúc này đỉnh nhiễu xạ bắt  đầu hình thành   tương đương tại mẫu M2  và M3  nhưng tín hiệu rất yếu, khi   Si:Ge = 0.2:0.8  ứng với mẫu M4 nghĩa là lượng Ge trong tinh thể  nhiều hơn   lượng Si, lúc đó   xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ  tương  ứng với các mặt (311),  (220) và (111). Điều đó chứng tỏ kích thước các hạt nano SixGe1­x có xu hướng  tăng dần khi được xử lý ở nhiệt độ cao và cũng chứng tỏ hạt nano tinh thể lúc   này chủ  yếu là Ge. Điều này cũng chứng tỏ  hằng số  mạng của Ge lớn hơn   hằng số mạng của Si dẫn tới đỉnh nhiễu xạ  dịch dần về  phía Ge. Đỉnh nhiễu  xạ cành nhọn thì hạt sẽ càng lớn  Từ  giản đỗ nhiễu xạ  tia X hình 3.2 ta thấy tại góc 2    300 cường độ  nhiễu xạ  tăng lên và có thể  nhìn thấy rõ nét tinh thể  tại đỉnh (111). Sự  phụ  thuộc của tinh thể SixGe1­x vào hằng số mạng a đối với vật liệu Ge tương ứng   với thành phần của x trong tinh thể SixGe1­x. Với  cơng thức tính hằng số mạng,  theo định luật Bragg n  = 2dsin Trong đó:  W ­ khoảng cách giữa điểm vào ra của tia tới  ứng với góc   1800                ­ bước sóng tia X 49 Với     số   mạng     Silic    a   =   5,43   Å     số   mạng   của    Germani là a = 5,66 Å. Trong tinh thể SixGe1­x   hằng số  mạng sẽ thay đổi khi  lần lượt thay đổi giá trị  x với tỉ  lệ  cho trước, ta thấy hằng số mạng dần tăng  lên theo gần đúng hằng số mạng của Ge khi giá trị của x=0.8.  Các giá trị tính tốn hằng số mạng được trình bày trong bảng 3.2 Sự phụ thuộc của thành phần x vào hằng số mạng a Bảng 3.2. Tính tốn hằng số  mạng thơng qua định luật Bragg, lúc đầu   trong tinh thể hạt nano SixGe1­x chiếm chủ  yếu là hạt Si khi đó hằng số mạng   a=5.45(Å)  bằng với hằng số  mạng của Si  tăng dần tỷ  số  x nghĩa là Si giảm  dần còn Ge tăng dần, khi số hạt trong tinh thể nano Si xGe1­x chiếm chủ yếu là  Ge thì hằng số mạng a= 5.65(Å) gần bằng hằng số mạng của Ge lúc này trong  hạt chiếm chủ yếu là Ge.  Bảng 3.2: Các giá trị tính tốn hằng số mạng phụ thuộc vào thành phần x của   Si trong vật liệu hợp kim lai hóa SixGe1­x Giá trị x Hẳng số mạng a   (Å) 0.8 0.6 0.4 0.2 5.50 5.55 5.60 5.66 Qua đồ thị 3.3, ta có thể thấy rằng khi tỉ phần Si (x = 0.8) so với Ge (1­x =   0.2) hằng số mạng a = 5.50 Å xấp xỉ hằng số mạng của Si. Giá trị x giảm dần   đồng nghĩa với tỉ lệ Ge tăng lên, hằng số mạng dịch chuyển về phía giá trị của   tinh thể  Ge,  a  = 5,65 Å. Giá trị  x = 1 và ngoại suy hằng số  mạng được đưa   thêm vào để tham khảo 50 Hình 3.3: Sự phụ thuộc của tỉ phần Si, x đối với hằng số mạng a tương ứng Sự  nhòe rộng của các đỉnh nhiễu xạ  do hai nhóm ngun nhân chính  gồm trạng thái cấu trúc của bản thân mẫu nghiên cứu gồm  ứng suất của tinh   thể  và kích thước hạt.  Ở  đây, sự  nhòe rộng bởi điều kiện thực nghiệm được   loại bỏ, khi ứng suất tinh tế vi cũng được loại bỏ hoặc được hiệu chỉnh thì độ  rộng vật lý liên quan đến kích thước tinh thể theo biểu thức: D: kích thước tinh thể, : bước sóng nhiễu xạ tia X, k: hệ số tỷ lệ Nếu độ rộng vật lý B được xác định theo Laue thì k = 1 còn khi sử dụng   theo Scherrer thì k = 0,9. Do kích thước tinh thể D theo chiều vng góc với  mặt nhiễu xạ  (hkl) tỷ  lệ  nghịch với cos  nên xác định kích thước tinh thể  với độ  chính xác cao thì phải dùng đường nhiễu xạ  đầu tiên với góc   bé  Tóm lại, nếu sự nhòe rộng của đường nhiễu xạ chỉ do ngun nhân kích  thước hạt nhỏ  gây ra thì bằng cách xác định độ  rộng vật lý của đường   51 nhiễu xạ  với góc   bé có thể dễ dàng xác định được kích thước trung bình  của hạt tinh thể theo phương vng góc với mặt nhiễu xạ đã cho.  Từ thực nghiệm ta có thể thấy được thơng qua bảng số liệu 3.3: Bảng 3.3.: Bảng số liệu về sự phụ thuộc của kích thước tinh thể vào nồng độ x x Kích thước tinh thể D  (nm) 0.8 0.6 0.4 0.2 2.3 11 Thơng qua bảng số liệu ta có thể vẽ được đồ thị về sự phụ thuộc của D vào x   được trình bày trên Hình 3.4 Hình 3.4 chỉ rõ sự phụ thuộc kích thước hạt vào tỉ lệ x đối với tinh thể   Nếu độ  rộng của tinh thể càng tăng thì dẫn đến kích thước hạt D càng giảm,   điều này thể  hiện rất rõ trên (Hình 3.2) thơng qua các đỉnh (113), (022), (111)   Tất cả  các mẫu đều được ủ tại nhiệt độ  1000oC. Ứng với mẫu M1 trong tinh  thể SixGe1­x khi tỉ phần của Si x = 0.8 (nghĩa là lúc này trong mẫu Si chiếm nồng   độ  lớn), lúc này tinh thể  có hình thành nhưng kích thước hạt (D) giảm và độ  rộng của tinh thể tăng, giảm dần tỉ phần của x trong tinh thể, đồng nghĩa với  việc tỉ phần của Ge tăng lên, kích thước hạt tăng dần khi đó độ  rộng bán phổ  trong giản đồ nhiễu xạ tia x của tinh thể giảm xuống [8] 52 Hình 3.4: Sự phụ thuộc của kích thước tinh thể vào nồng độ tỉ phần Si, x Cấu trúc đơn pha của vật liệu Phún xạ  catot bốc bay ngun tử  Si và Ge và SiO 2  lên phiến. Thay đổi  lượng Si và Ge, tăng Si thì giảm Ge để thành phần Si và Ge khác nhau, vì vật   liệu chiếm 33% trong tổng SixGe1­x và ủ lên đến nhiệt độ thích hợp nó sẽ  kết  tinh biến thành hạt nano của Si và Ge trên nền vơ định hình SiO2  (các chấm  lượng tử  của vật liệu SixGe1­x trên nền SiO2). Chúng ta có thể  quan sát được  hình ảnh của các chấm lượng tử này thơng qua ảnh hiển vi điện tử truyền qua   (TEM). Hình 3.5 trình bày  ảnh hiển vi điện tử  (a) của mẫu M4 (x = 0.8) mẫu   được  ủ    10000C. Các chấm nhỏ  với đường kính khoảng 5 10 nm là các tinh  thể SixGe1­x trên nền vơ định hình SiO2 sáng màu. Ảnh hiển vi điện tử phân giải   cao (HR TEM) của các tinh thể  này được thể  hiện trên hình 3.5 (b) với biến   đổi Fuorier nhanh (FFT) trong hình nhỏ.  Kết quả  cho thấy hạt nano đơn tinh  thể với kích thước khoảng 10 nm được hình thành. Khoảng cách giữa hai mặt   phản xạ (002), d = 2.8 Å (a = 5.6 Å) được thể hiện rõ.  53 (a) (b) (c) Hình 3.5: (a) Ảnh chụp  TEM  của vật liệu lai hóa SixGe1­x sau khi được nung ủ  tại nhiệt độ 1000oC với thành phần x = 0.8, các điểm màu đen với đường kính   khoảng từ 5­10 nm là các đơn tinh thể; (b) Hình ảnh HR­TEM phân giải cao   của 1 đơn tinh thể, hình nhỏ phía trên góc phải là ảnh chuyển đổi Fourier   (FFT) của vật liệu; (c) Ảnh nhiễu xạ điện tử chọn lựa vùng (SAED) Ảnh nhiễu xạ  điện tử  vùng chọn lọc (SAED) được trình bày trên hình 3.5 (c)   Kết quả này hồn tồn phù hợp với nhiễu xạ tia X và đưa ra bằng chứng trực   tiếp về sự hình thành của các hạt nano đơn pha SixGe1­x trên nền vơ định hình  SiO2 [8] Từ  kết quả  nhiễu xạ  tia X và hiển vi điện tử  truyền qua độ  phân giải   cao có thể thấy rằng: ­ Hệ SixGe1­x là đơn pha chứ khơng phải hai pha riêng rẽ của Si và Ge ­ Kích thước của hạt SixGe1­x là đơn tinh thể  hình cầu khoảng từ  2­ 10   nm ­ Hằng số mạng tăng đều tuyến tính từ  hằng số mạng của Si tới hằng  số mạng của Ge khi hàm lượng Ge tăng trong hệ SixGe1­x 3.2. Q trình dịch chuyển độ rộng năng lượng trực tiếp Các chuyển mức trực tiếp 54 Các mức dịch chuyển trực tiếp dưới  5 eV trong cấu trúc vùng năng lượng  của tinh thể Ge được trình bày trong hình 3.6. Các mức dịch chuyển này được  đánh dấu lần lượt là E(0), E(0’) tại vị  trí   (k = 0), E(1) nằm  ở giữa   và L  [18, 19], và E(2’) nằm tại lân cận vị trí X trong vùng Brillouin. Ở chuyển mức   trực tiếp E(1), quan sát thấy đường (mặt) đẳng năng song song với nhau, tương   ứng với khối lượng hiệu dụng của các điện tử  và lỗ  trống là tương đồng   Điều này dẫn đến dự  chồng chéo khơng gian mạng của chuyển đổi trực tiếp  được tăng lên, xác suất dịch chuyển chính vì thế  cũng được tăng lên. Đồng  thời, sự  thay đổi của E(1) là nhỏ  trong giới hạn lượng tử  do sự  đồng điệu  trong khối lượng hiệu dụng Hình 3.6: Cấu trúc vùng năng lượng của tinh thể Ge với các mức chuyển mức   năng lượng trực tiếp được trình trong vùng năng lượng dưới 5.0 eV. Các mức   chuyển mức trực tiếp E(0) và E(0’) tại điểm  55  (k = 0) của vùng Brillouin,   chuyển mức E(1) nằm giữa điểm   và L và chuyển mức E(2’) nằm gần điểm   X Sự dịch chuyển độ rộng vùng năng lượng lượng E(1) Hệ số hấp thụ được xác định từ định luật hấp thụ ánh sáng Buger­Lamber.  Hệ số hấp thụ được xác định bởi phần cường độ ánh sáng bị suy giảm khi   qua một đơn vị độ dày của mẫu I(x)=Io (1­R).exp(­ x)     ( )= Hệ  số  hấp thụ  phụ  thuộc vào bước sóng ánh sáng tới, sự  phụ  thuộc đó   =f( ) gọi là phổ hấp thụ ( )== Hệ  số  hấp thụ  được xác định bởi cường độ  ánh sáng tới và cường độ  ánh sáng truyền qua mẫu Khi hằng số mạng của hệ  SixGe1­x biến đổi tì cấu trúc vùng năn lượng biến đổi   dẫn tới mọi tính chất vật lý thay đổi Hệ  số  hấp thụ  trong q trình biến đổi trực tiếp có liên quan đến năng  lượng hấp thụ photon theo cơng thức   (E ­ Eg) Trong đó  ­ E: năng lượng hấp thụ photon ­ Eg: năng lượng khe bán dẫn trực tiếp Bằng cách vẽ sự phụ thuộc của bình phương hệ số hấp thụ   theo năng lượng  hấp thụ ta có thể xác định được giá trị của độ rộng vùng cấm thẳng trong chất   bán dẫn như  trình bày trong Hình 3.7. Áp dụng phương pháp này với các hệ  mẫu hợp kim lai hóa  SixGe1­x  đã chế  tạo với thành phần Si khác nhau (mẫu  M1÷M4) và tại các nhiệt độ   ủ  T = 600oC, 800oC, và 1000oC  ta thu được kết  quả của độ rộng vùng cấm này như trong hình nhỏ của Hình 3.7. Cụ thể là từ  bình phương hệ số hấp thụ và năng lượng hấp thụ photon, chúng ta có thể xác  56 định được vùng cấm thẳng từ đường giao cắt giữa đường ngoại suy tuyến tính   của bình phương hệ số hấp thụ và đường gốc Hình 3.7: Sự phụ thuộc của bình phương hệ số hấp thụ vào năng lượng phơtn   hấp thụ của các mẫu tại nhiệt độ ủ 600oC. Hình nhỏ: độ rộng vùng cấm thẳng   của các mẫu với các thành phần Si và nhiệt độ ủ khác nhau Qua hình 3.7 ta thấy khi hàm lượng Ge tăng và Si giảm thì Eg giảm dần Đối chiếu với các năng lượng dịch chuyển trực tiếp trong hình 3.6, chúng ta  thấy các giá trị  năng lượng được xác định này (~2 eV) tương đối phù hợp với   các chuyển mức trực tiếp E(1). Với m ẫu M4, tỉ phần Ge là lớn nhất, vùng năng  lượng chuyển đổi trực tiếp E(1)  thay đổi nhỏ  nằm trong khoảng 2eV  [17],  trong khi các vùng cấm thẳng của các mẫu còn lại thay đổi khá lớn với các  nhiệt độ ủ khác nhau. Điều này là hồn tồn phù hợp với thảo luận phía trên về  57 tính đồng điệu của vùng dẫn và vùng hóa trị  như  trình bày trong sơ  đồ  năng  lượng trong hình 3.6 áp dụng cho bán dẫn khối Ge   Năng lượng dịch chuyển  trực tiếp của các mẫu còn lại thay đổi có thể do thành phần Si thay đổi Thơng qua 12 mẫu khi hệ  SixGe1­x  được  ủ  tại 3 nhiệt  độ  khác nhau  600oC 800oC và 1000oC (Hình 3.8) Hình 3.8­ Năng lượng hấp thụ được xác định cho phép chuyển đổi trực tiếp E1 mẫu M1­4 khi ủ ở 600 , 800 và 1000 °C [18, 19] Qua (Hình 3.8) ta thấy rằng khi hàm lượng Ge tăng và Si giảm thì giá trị  khe năng lượng tăng lên từ giá trị của Ge tới giá trị của Si. Với nhiệt độ ủ tăng  thì kích thước hạt thay đổi và hiệu ứng lượng tử do kích thước hạt cũng có  ảnh hưởng tới cấu trúc vùng năng lượng 58 KẾT LUẬN Luận văn đã đạt và giải quyết được một số vấn đề sau: ­ Hình thái và cấu trúc của nano tinh thể Si xGe1­x đã được nghiên cứu và  khảo sát bằng 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) và  nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng (SAED). Kết quả cho thấy các hạt nano   tinh thể  SixGe1­x có kích thước tương đối nhỏ  nằm trong vùng từ  3÷10   nm sau khi được nung ủ tại 1000oC trong mơi trường khí N2; kích thước  của các hạt nano và hằng số mạng tinh thể này tăng theo thành phần Ge; ­ Chọn được phương pháp thực nghiệm phù hợp với điều kiện cho phép   để chế tạo được vật liệu lai hóa SixGe1­x có cấu trúc nano; ­ 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, sự  phụ  thuộc của một số  chuyển mức cơ  bản   vào thành phần, cấu trúc và kích thước nano tinh thể;  ­ Lựa chọn được phương pháp thực nghiệm phù hợp với điều kiện cho  phép để chế tạo được vật liệu SiGe có cấu trúc nano; ­ Độ rộng của chuyển đổi năng lượng trực tiếp E(1) nằm giữa điểm Γ và  L trong vùng Brillouin tăng lên với thành phần Si tăng; ­ Các kết quả chính của luận văn được đăng trên tạp chí Nanotechnology,  nhà xuất bản Viện Vật Lý Vương Quốc Anh (IOP) có chất lượng cao,  nằm trong danh mục ISI với chỉ số “impact factor” năm 2014 là IF = 3.81 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1]. Lê Cơng Dưỡng (2000), “Vật liệu học”, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà  Nội [2]. Phùng Hồ, Phan Quốc Phơ (2001), “Vật lý bán dẫn”, NXB Khoa học và kỹ  thuật, Hà Nội [3]. Nguyễn Đức Chiến, Phạm Thành Huy, Dư Thị Xn Thảo, Nguyễn Như  Tồn, Trần Kim Anh, Nguyễn Ngọc Trung, Phạm Ngun Hải, Trịnh Xn  Anh, Vũ Anh Minh, Lương Hữu Bắc, “Nghiên cứu vật lý và cơng nghệ chế tạo   vật liệu quang điện tử và quang điện tử tổ hợp”, Đề án nghiên cứu cơ bản  2001­2002, Bộ Khoa học cơng nghệ và mơi trường, 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 Xn Chánh (2004), “Cơng nghệ nano điều khiển  đến từng phân tử ngun tử”, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội  [6]. Nguyễn Hồng 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 vơ cơ, Quyển 1, Các  ngun 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 E 1  direct energy transition”, Nanotechnology 26 (2015) 375701 [9]. K. Seeger (1991), “Semiconductor Physics”, 5 the edition, Springer ­ Verlag [10]. J. I. Pankove (1971), “Optical Properties in Semiconductors”, Dover  Publications, New York 60 [11]. Lorenzo Pavesi (2005), “Photonics applications of nano­silicon”,  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 X­Ray diffraction”, 2nd edition, Addison ­  Wesley, Reading, MA [16]. F. Hippert, E. Geissler, J.  L.  Hodeau,  E.  Lelievre, J.  R. Regnard (2006),  “Neutron and X­Ray Spectroscopy”, Springer.   [17]   R   Braunstein,   A   R   Moore,   F   Herman,   (1958),   “Intrinsic   optical   absorption in germanium­silicon alloys”, Phys. Rev. 109, 695 [18]   T   Ebner,   K   Thonke,   R   Sauer,   F   Schaffler,   H.­J   Herzog,   (1998),  “Electroreflectance   spectroscopy   of   strained   SixGe1­x  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 SixGe1­x epitaxial layers”, J. Appl. Phys. 73, 239 61 [20]  B   S   Meyerson,  (1994),  “High   speed   silicon   germanium   electronics”,  Scientific American 270, 42­47  [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 Ge­nanocrystals containing a­SiO x films”,  Superlattices Microstruct. 23, 349 [23]  K   L   Wang,   D   Cha,   J   Liu,   C   Chen,  (2007),  “Ge/Si   self­assembled   quantum dots and their optoelectronic device applications”,  Proceedings of the  IEEE 95, 1866 [24]. G. Bauer, F. Schäffler, (2006), “Self­assembled Si and SiGe nanostructures:   New growth concepts and structural analysis”, Phys. Stat. Sol. (a) 203, 3496 62 ... suất quang điện tử là cần thiết [8, 20, 22, 23, 24]. Với u cầu như trên,  chúng  tơi thực hiện đề  tài:  Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật lý của vật liệu   nano tinh thể SixGe1­x trên nền SiO2 Luận văn được tiến hành dựa trên các phương pháp thực nghiệm sẵn có tại cơ ... 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 SixGe1­x TRÊN NỀN SiO2 Chuyên ngành: Quang học... thái điện tử nên có thể thay đổi các tính chất vật lý này bằng cách thay đổi kích  thước và tính chất bề mặt của các nano tinh thể.   27 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