Báo cáo tiểu luận Vật lý: Nghiên cứu chế tạo màng mỏng ZnO loại n

Báo cáo tiểu luận Vật lý: Nghiên cứu chế tạo màng mỏng ZnO loại n bao gồm những nội dung về giới thiệu màng ZnO, các phương pháp xác định tính chất của màng ZnO, thực nghiệm kết quả và kết luận. Mời các bạn tham khảo tài liệu để nắm bắt nội dung chi tiết.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG ĐH KHOA HỌC TỰ NHIấN ÔÔÔÔÔ KHOA VT Lí BM VT Lí NG DNG MÔN : CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM CHUYÊN NGÀNH BÁO CÁO TIỂU LUẬN : NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG MỎNG ZnO LOẠI n HVTH : Võ Kiên Trung TP.Hồ Chí Minh ngày 25 tháng 04 năm 2010 I GIỚI THIỆU MÀNG ZnO HV :Võ Kiên Trung Lớp Cao học VTĐT Khóa 19 Ngày nay, màng mỏng oxyt dẫn điện suốt (TCO) có nhiều ứng dụng nhƣ kỹ thuật hình phẳng , kính kiến trúc , lƣợng mặt trời…Một vật liệu làm màng mỏng thông dụng ZnO pha tạp với đặc tính nhƣ thân thiện môi truờng ,nguồn dồi , độ suốt vùng khả kiến độ dẫn điện cao Có nhiều tạp chất pha vào ZnO nhƣ Al,Ga,In,Sc nhiều phƣơng pháp Nhiều cơng trình nghiên cứu cho thấy màng ZnO-Al phún xạ phƣơng pháp magnetron đạt đƣợc tính chất cao độ dẫn điện nhƣ độ truyền qua, nhiên cách bố trí bia-đế (để tránh bắn phá ion âm) nên vận tốc phún xạ thấp, tiêu tốn vật liệu nhiều, nhƣ khơng có độ bền nhiệt xử lý nhiệt độ cao mơi trƣờng khơng khí , màng ZnO-Ga đƣợc nghiên cứu để khắc phục nhƣợc điểm trên.Trong xin giới thiệu màng mỏng ZnO pha Ga phƣơng pháp phún xạ magnetron Một số tính chất màng ZnO :Ga 1.1.Những đặc trƣng ZnO: ZnO có dạng cấu trúc tinh thể : haxagonal wurtzite , zinc blende , rocksalt Trong cấu trúc wurtzite có tính chất nhiệt động lực ổn định Hình 1: Cấu trúc wurtzite ZnO Một số thông số ZnO : Tính chất (Fundamental Properties): Khối lƣợng riêng (Density): 5,67 g/cm3 Khối lƣợng phân tử (Molecular weight): 81,38 u Bán kính ion (Ion radii ): 2+ o rZn = 0,60 Å 2o rO = 1,40 Å Cấu hình điện tử (Electronic configuration): Zn: [Ar] 3d104s2 O: [He] 2s22p4 HV :Võ Kiên Trung Lớp Cao học VTĐT Khóa 19 Mạng tinh thể (Crystal lattice): Hexagonal (Wurzit) Space group: P63mc – C46ν Hằng số mạng (Lattice constants): o a = 3,24 Å o c = 5,20 Å Tính chất điện (Electronic Properties): Độ rộng vùng cấm (Band gap): o Eg = 3.27 eV ( 300 K) o Eg = 3.44 eV (ở K) Hall mobility µna = 70 cm2/Vs (Dünnfilm) µnc = 170 cm2/Vs (Kristall) µna = 150 cm2/Vs (Kristall) Effective masses: o Electrons: mn* = 0.28 me o Holesr: mh* = 0.59 me Hằng số điện môi (Dielectric constants ) o ε(0)a = 7,80 o ε(0)c = 7,85 o ε(∞)a = 3,70 o ε(∞)c = 3,75 o o o Tính chất nhiệt(Thermal properties): nhiệt nóng chảy (Melting point): 2242 K -6 o Δl/l = *10 1/K o thermal conductivity: κ = 54 W/mK Tạo màng (Thin film preparation) Phún xạ (Sputtering), tráng phủ xung laser (pulsed laser deposition), MBE on sapphire 450 °C ≤ T ≤ 750 °C, p(O2) ≈ 8*10-5 Torr Pha tạp (Dopants): 20 21 o n-doping: Al, Ga, In… (n = 10 - 10 cm ) o p-doping: N,P,As o Li, Mn HV :Võ Kiên Trung Lớp Cao học VTĐT Khóa 19 Thơng số mạng ZnO : Trong đơn vị ZnO có chứa ngun tử Oxy nguyên tử Zn Zn (0 ,0 ,0) Zn (2/3 ,1/3 ,1/2) O ( ,0 ,u ) O ( 2/3, 1/3 ,1/ 2+u) Với a = b= 0,3249nm ,c = 0,5205nm => u = 0,379 1.2 Những đặc trƣng màng ZnO:Ga Khi pha tạp Ga vào mạng tinh thể ZnO : ion Ga3+ Zn2+ có bán kính xấp xỉ gần ( 0,53A0 0,72A0 )do ion Ga3+ dễ thay Zn2+ mà không phân biệt cấu trúc đơn vị cấu thành Mỗi ion Ga3+ thay vào vị trí Zn2+ cho electron tự => ZnO : Ga bán dẫn loại n 2.Phƣơng pháp tạo màng : Có nhiều phƣơng pháp tạo màng ,mỗi phƣơng pháp có ƣu điểm hạn chế riêng tuỳ mục đích chế tạo Trong xin trình bày phƣơng pháp phún xạ magnetron khơng cân 2.1 Phƣơng pháp phún xạ magnetron : Phún xạ trình đánh bật nguyên tử hay phân tử khỏi vật liệu bia ion đƣợc gia tốc từ plasma kích thích , sau ngƣng tụ đế dạng nguyên thuỷ hay biến đổi Có cách gia tốc ion nhƣ trƣờng DC , điện áp xoay chiều tần số radio (RF).Từ trƣờng dùng phún xạ magnetron tạo nam châm vĩnh cửu hoăc nam châm điện , bên hay bia 2.2 Phƣơng pháp phún xạ magnetron không cân bằng: Để gia tăng plasma vùng xa cathode đồng thời tránh tích tụ điện tích trê bề mặt bia tránh nhiễm bẩn , tích tụ vật liệu phức hợp bề mặt cathode ,ngƣời ta tác dụng đồng thời rf DC vào cathode 3.Ảnh hƣởng thông số công nghệ đến tính chất màng: 3.1 Ảnh hƣởng áp suất tổng 3.2 Ảnh hƣởng áp suất riêng phần 3.3 Ảnh hƣởng công suất 3.4 Ảnh hƣởng điện áp 3.5 Ảnh hƣởng tốc độ phún xạ 3.6 Ảnh hƣởng trình tiền xử lý bia 3.7Ảnh hƣởng bề dày màng 3.8 Ảnh hƣởng khoảng cách bia đế 3.9 Ảnh hƣởng nhiệt độ đế II CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT CỦA MÀNG Xác định cấu trúc màng : Dùng nhiễu xạ tia X Đánh giá tính chất quang :Để đo hệ số truyền qua T , hệ số phản xạ R ,hệ số hấp thụ α cách đo quang Tính chất điện: Phƣơng pháp đo bốn mũi dò Lớp Cao học VTĐT Khóa 19 HV :Võ Kiên Trung F2 l U với F : thừa số hiệu chỉnh phụ thuộc bề dày màng , khoảng I cách hai mũi dò , khoảng cách từ mũi dò đến mẫu Hình : Thiết bị đo bốn mũi dò ĐHBKHN Đánh giá độ bám dính III.THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ Thực nghiệm : Màng ZnO-Ga đƣợc phún xạ đế thuỷ tinh từ bia thiêu kết (ZnO + 4.4% at Ga) nhiệt độ 1500oC khơng khí Bia tròn có đƣờng kính 7.6 cm, dày 2.5 mm, đƣợc chế tạo phòng thí nghiệm[2] Hệ tạo màng hệ chân không UNIVEX 450 (Đức), áp suất 3x10-6 torr, áp suất làm việc 3x10-3 torr, lƣu lƣợng khí làm việc Ar (99.999%) 25sccm, nhiệt độ đế từ nhiệt độ phòng đến 300oC, công suất phún xạ RF 200W Trƣớc phủ màng, đế thủy tinh đƣợc tẩy rửa phóng điện plasma chân khơng với dòng 15mA, 2000V thời gian khoảng 10 phút Bia đế đƣợc bố trí song song với khoảng cách 4.5 cm Tính chất điện đƣợc xác định phƣơng pháp mũi dò, tính chất quang đƣợc xác định phổ truyền qua UV-Vis, cấu trúc màng đƣợc phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 2.Kết bàn luận : Màng ZnO-Ga màng bán dẫn loại n, pha tạp donor Ga hay hình thành lỗ trống oxy HV :Võ Kiên Trung Lớp Cao học VTĐT Khóa 19 Ta nói khác cách bố trí thí nghiệm hai màng ZnO-Al ZnO-Ga khác bán kính ion tạp chất (Ga3+ 0.062nm, Al3+ 0.057nm[3]) Ion Ga thay Zn mạng ZnO làm mạng có xu hƣớng co lại (Zn2+ 0.083nm), thể phổ nhiễu xạ hình Nếu cƣờng độ tích phân đỉnh (002) pha ZnO hoà tan rắn Ga I1, cƣờng độ tích phân đỉnh (002) pha ZnO I2 tỉ lệ I1/I2 cơng trình 1.51, so với tài liệu [4] ta thấy thoả điều kiện có hồ tan rắn Do hồ tan tốt nên khơng dễ dàng tạo thành nút trống Shottky, đồng thời Ga khó khuếch tán mặt ngồi tinh thể, nhƣ bề mặt bia xem nhƣ đồng hóa học, cơng điện tử trungbình hầu nhƣ khơng đổi khắp bề mặt bia Phổ nhiễu xạ bia ZnO + 3.15% at Al khơng thấy xuất vạch phổ I1, chứng tỏ khơng có hoà tan Al mạng tinh thể ZnO HV :Võ Kiên Trung Lớp Cao học VTĐT Khóa 19 Ngồi ra, tính tốn cho thấy rAl/rZnO = 0.057/0.1625 = 0.35, tỉ số nhỏ 0.414 tức Al hoà tan xen kẽ vào lổ hổng mặt Do đó, bia ZnO-Al khơng có hòa tan rắn thay tốt Al, phần lớn chúng kết tủa xen kẽ nút mạng biên hạt Dƣới tác dụng nhiệt, chúng khuếch tán mặt ngồi, tích tụ mặt ngồi bia dƣới hấp thụ nên bề mặt bia khơng đồng hóa học, chúng tạo thành vết có cơng khác nhau, diện tích vết tƣơng đối f Nếu cơng bề mặt Katốt có giá trị khác thỏa điều kiện mật độ dòng ion âm phát xạ vết có dạng Theo tài liệu nghiên cứu tham khảo ảnh hƣởng nhiệt độ đế nhiệt độ ủ màng lên tính chất điện phụ thuộc nhiều vào phƣơng pháp tạo màng nhƣ chế dẫn điện màng T h eo [ 1] tạo màng ZnO-Ga có điều kiện tạo màng khác nhiệt độ ủ màng là: nhiệt độ phòng, 300oC chân khơng màng ủ 300oC khơng khí, thực nghiệm cho thấy màng có điện trở suất (~ 4.6 x 10-4 Ωcm) cƣờng độ đỉnh (002) tƣơng đƣơng (chứng tỏ hạt ngƣng tụ phƣơng pháp phún xạ magnetron có lƣợng cao) Tính chất điện nhƣ cấu trúc màng gần nhƣ không phụ thuộc vào nhiệt độ xử lý Cơ chế dẫn điện màng chủ yếu hạt tải tự sinh pha tạp donor hình thành lỗ trống oxy Màng ZnO-Ga dẫn điện chủ yếu tạp chất donor, nên không bị ảnh hƣởng nhiệt độ ủ khơng khí Trong HV :Võ Kiên Trung Lớp Cao học VTĐT Khóa 19 đó, màng ZnO-Al khơng hồ tan rắn thay tốt nên biến dạng mạng tăng, hình thành lỗ trống oxy nhiều, nung mơi trƣờng oxy hố, số lỗ trống oxy giảm nên điện trở suất màng tăng mạnh T > 200oC Để kiểm tra độ bền nhiệt độ cao, ta tiến hành tạo màng ZnO-Ga đế Si, sau đem nung mơi trƣờng khơng khí với thời gian ủ nhiệt 20 phút Đồ thị cho thấy điện trở mặt màng ZnO-Ga bắt đầu thay đổi nhiệt độ T > 400oC IV KẾT LUẬN : Màng ZnO-Ga đƣợc tạo phƣơng pháp phún xạ magnetron có điện trở suất khoảng 4-5 x 10-4 Ωcm , độ truyền qua trung bình vùng khả kiến T ~ 85% Màng cho tính chất quang điện tốt đƣợc phún xạ nhiệt độ phòng Tính chất điện màng cho thấy màng bị ảnh hƣởng bắn phá ion âm, nhƣ có độ bền nhiệt tốt xử lý mơi trƣờng khơng khí, điều lí giải dựa bán kính ion tạp chất so với bán kính ion nguyên tử dẫn đến hoà tan rắn thay tốt Bia-đế đƣợc bố trí song song nên vận tốc tạo màng cao, độ đồng điện trở tốt, tiết kiệm vật liệu, dễ dàng ứng dụng công nghiệp HV :Võ Kiên Trung Lớp Cao học VTĐT Khóa 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cao Thị Mỹ Dung, Trần Cao Vinh, Nguyễn Hữu Chí - Trƣờng Đại học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG – HCM , Ảnh hưởng pha tạp Ga lên tính chất điện màng ZnO phương pháp phún xạ magnetron (2007) [2] Trần Hữu Nghị ,Luận văn thạc sĩ (2006) [3] Lê Thị Mỹ Hạnh , Luận văn thạc sĩ (2008) [4] J.-E Sundgren, Structure And Properties Of Tin Coatings, Thin Solid Films, (1985) [5] H.K Pulker, Coating on Glass, Elsevier, (1984) R E I Schrop and A Madan, “Properties of Conductive Zinc Oxide Films for Transparent Electrode Applications Prepared by rf Magnetron Sputtering”, J Appl Phys., 66 (1989) 20272031 M A Martinez, J Herrero and M T Gutierrez, “Deposition of Transparent and Conductive Al-doped ZnO Thin Films for Photovoltaic Solar Cells”, Sol Energy Mater Sol Cells, 45 (1997) 75-86 J C Lee, K H Kang, S K Kim, K H Yoon, I J Park and J Song, “RF Sputter Deposition of the High-quality Intrinsic and n-type ZnO Window Layers for Cu(In,Ga)Se2-based Solar Cell Applications”, Sol Energy Mater Sol Cells, 64 (2000) 185-195 S Maniv and A Zangvil, “Controlled Texture of Reactively rf-sputtered ZnO Thin Films”, J Appl Phys., 49 (1978) 2787-2792 N Croitoru, A Seidman and K Yassin, “Some Physical Properties of ZnO Sputtered Films”, Thin Solid Films, 150 (1987) 291-301 Y Igasaki and H Saito, “The Effects of Deposition Rate on the Structural and Electrical Properties of ZnO:Al Films Deposited on (110) Oriented Sapphire Substrates”, J Appl Phys., 70 (1991) 3613-3619 J H Jou and M Y Han, “Substrate Dependent Internal Stress in Sputtered Zinc Oxide Thin Films”, J Appl Phys., 71 (1992) 4333-4336 HV :Võ Kiên Trung Lớp Cao học VTĐT Khóa 19 K B Sundaram and A Khan, “Characterization and Optimization of Zinc Oxide Films by r.f Magnetron Sputtering”, Thin Solid Films, 295 (1997) 87-91 P S Reddy, G R Chetty, S Uthanna, B S Naidu and P J Reddy, “Optical Properties of Spray Deposited ZnO Films, Solid State Commun 77 (1991) 899-901 10 F D Paraguay, W L Estrada, D R N Acosta, E Andrade and M Yoshida, “Growth, Structure and Optical Characterization of High Quality ZnO Thin Films Obtained by Spray Pyrolysis”, Thin Solid Films, 350 (1999) 192-202 11 M Purica, E Budianu, E Rusu, M Danila and R Gavrila, “Optical and Structural Investigation of ZnO Thin Films Prepared by Chemical Vapor Deposition (CVD)”, Thin Solid Films 403–404 (2002) 485-488 12 J S Kim, H A Marzouk, P J Reucroft and C E Hamrin, “Characterization of High Quality c Axis Oriented ZnO Thin Films Grown by Metal Organic Chemical Vapor Deposition Using Zinc Acetate as Source Material”, Thin Solid Films, 217 (1992) 133-137 13 C R Gorla, N M Emanetoglu, S Liang, W E Mayo, Y Lu, M Wraback and H Shen, “Structural, Optical, and Surface Acoustic Wave Properties of Epitaxial ZnO Films Grown on (012) Sapphire by Metalorganic Chemical Vapor Deposition”, J Appl Phys., 85 (1999) 25952602 14 Y Kashiwaba, F Katahira, K Haga, T Sekiguchi and H Watanabe, “Hetero-epitaxial Growth of ZnO Thin Films by Atmospheric Pressure CVD Method”，J Cryst Growth, 221 (2000) 431-434 15 R Ondo-Ndong, F Pascal-Delannoy, A Boyer, A Giani and A Foucaran, “Structural Properties of Zinc Oxide Thin Films Prepared by r.f Magnetron Sputtering”, Mater Sci & Eng B, 97 (2003) 68-73 16 K Yasui, N Ninagawa and T Akahane, “Improvement of the Crystallinity of 3C-SiC Films by Lowering the Electron Temperatures in Afterglow Plasma Region Using Triode Plasma CVD”, J Electron Mater., 26 (1997) 178-182 17 K Yasui, N V Phuong, Y Kuroki, M Takata and T Akahane, “Improvement in Crystallinity of ZnO Films Prepared by rf Magnetron Sputtering with Grid Electrode”, Jpn J Appl Phys., 40 (2005) 684-687 18 E Burstein, “Anomalous Optical Absorption Limit in InSb”, Phys Rev., 93 (1986) 632-633 10 ... khảo ảnh hƣởng nhiệt độ đế nhiệt độ ủ màng l n tính chất đi n phụ thuộc nhiều vào phƣơng pháp tạo màng nhƣ chế d n đi n màng T h eo [ 1] tạo màng ZnO- Ga có điều ki n tạo màng khác nhiệt độ ủ màng. .. t n vật liệu nhiều, nhƣ khơng có độ b n nhiệt xử lý nhiệt độ cao mơi trƣờng khơng khí , màng ZnO- Ga đƣợc nghi n cứu để khắc phục nhƣợc điểm tr n. Trong xin giới thiệu màng mỏng ZnO pha Ga phƣơng... Ki n Trung Lớp Cao học VTĐT Khóa 19 Ngày nay, màng mỏng oxyt d n đi n suốt (TCO) có nhiều ứng dụng nhƣ kỹ thuật hình phẳng , kính ki n trúc , lƣợng mặt trời…Một vật liệu làm màng mỏng thông dụng