Nghiên cứu độ dẫn ion của màng mỏng ceria : Luận văn ThS. Vật lý: 60 44 01

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -Z›Y - NGUYỄN DUY HÙNG NGHIÊN CỨU ĐỘ DẪN ION CỦA MÀNG MỎNG CeO2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔMEN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ HÀ NỘI, NĂM 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -Z›Y - NGUYỄN DUY HÙNG NGHIÊN CỨU ĐỘ DẪN ION CỦA MÀNG MỎNG CeO2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔMEN Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã số : 60.44.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: GS.TS VŨ VĂN HÙNG HÀ NỘI, NĂM 2012 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Đảng Nhà nước ta khẳng định phát triển khoa học công nghệ (KH&CN) với phát triển giáo dục đào tạo quốc sách hàng đầu, tảng động lực đẩy mạnh công nghiệp hoá, đại hoá Đất nước Trong năm gần đây, KH&CN có đóng góp đáng kể vào phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm quốc phòng, an ninh… Do vậy, Nhà nước quan tâm phát triển nghiên cứu khoa học tự nhiên, đặc biệt nghiên cứu định hướng ứng dụng, lĩnh vực công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ tự động hố, - điện tử, cơng nghệ vật liệu tiên tiến Chính nhu cầu phát triển KH&CN đặc biệt công nghệ chế tạo vật liệu đòi hỏi chế tạo vật liệu có tính chất học, lý học phụ thuộc vào yêu cầu KH&CN việc sử dụng vào sống người Chẳng hạn vật liệu cách điện, cách nhiệt, có độ bền học cao, có tỉ trọng nhỏ, chống ăn mịn chất hóa học… Trong năm gần màng mỏng vật liệu hấp dẫn, lý thú, thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học lý thuyết lẫn thực nghiệm Màng mỏng sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực công cụ cắt, cấy ghép y tế, yếu tố quang học, mạch tích hợp, thiết bị điện tử .Khi nghiên cứu tính chất cơ, nhiệt, điện, quang màng mỏng, nhà nghiên cứu nhận thấy tính chất khác biệt với vật liệu khối Vì vậy, nghiên cứu để hiểu cách đầy đủ tính chất màng mỏng vấn đề lý thú quan tâm Phương pháp thống kê mômen GS-TSKH Nguyễn Tăng đề xuất luận án tiến sĩ “Phương pháp đạo hàm theo thông số học thống kê” GS-TS Vũ Văn Hùng áp dụng luận án PTS “Phương pháp thống kê Mô men việc nghiên cứu tính chất nhiệt động tinh thể LPTD LPTK” [1] Dựa kết cơng trình trên, nhiều cơng trình nghiên cứu tiếp tục phát triển nhiều năm trở lại cho phép giải tốt toán nghiên cứu ảnh hưởng dao động phi điều hòa đến độ dẫn ion …của tinh thể có cấu trúc lập phương tâm diện, lập phương tâm khối, cấu trúc kim cương, cấu trúc fluorite …nhưng chưa có nghiên cứu dành cho màng mỏng [2, 3, 4, 5, 22, 36, 38, 40, 41, 42, 43] Trên sở phương pháp thống kê mơmen cơng trình nghiên cứu , áp dụng để nghiên cứu độ dẫn ion cho màng mỏng ceria, từ làm sở lý thuyết để nghiên cứu tính chất khác màng mỏng Nội dung luận văn nằm phạm vi hướng nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận văn nghiên cứu độ dẫn ion (nồng độ vacancy, lượng kích hoạt, hệ số khuếch tán, độ dẫn ion) màng mỏng ceria áp suất P=0 Mục đích phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp thống kê mômen (TKMM) học thống kê lượng tử xây dựng lý thuyết để tính tốn: - Xác định số mạng màng mỏng - Một số tính chất khuếch tán, độ dẫn ion màng mỏng ceria gần bậc khai triển momen theo độ dịch chuyển nguyên tử nút mạng - Tính số cho biểu thức thu màng mỏng ceria ứng với khác Sau đó, so sánh kết tính tốn với kết thực nghiệm kết tác giả khác công bố Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: Các kết đạt góp phần: - Hoàn thiện phát triển việc áp dụng phương pháp thống kê momen nghiên cứu tính chất vật liệu - Khảo sát phụ thuộc số mạng vào bề dày nhiệt độ màng mỏng ceria - Cho phép tiên đốn nhiều thơng tin tính chất màng mỏng cấu tạo từ tinh thể có cấu trúc fluorite Đóng góp luận văn : - Tìm biểu thức giải tích xác định số đại lượng nhiệt động màng mỏng ceria phụ thuộc vào nhiệt độ T, vào bề dày d áp suất P =0 - Khảo sát phụ thuộc số mạng, nồng độ vacancy, hệ số khuếch tán, độ dẫn ion màng mỏng vào nhiệt độ bề dày màng mỏng - So sánh kết nhận luận văn với kết lý thuyết khác so sánh với thực nghiệm nhằm kiểm tra tính đắn hiệu lý thuyết thu Cấu trúc luận văn Trong luận văn có 08 biểu bảng , 38 hình vẽ, 58 tài liệu tham khảo Luận án trình bày 92 trang, ngồi phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn chia làm chương Chương 1: Trình bày tổng quan màng mỏng, cách chế tạo màng mỏng , tinh thể ceria màng mỏng ceria, mục đích vai trò việc nghiên cứu tinh thể màng mỏng ceria khoa học công nghệ, đồng thời trình bày số phương pháp nghiên cứu khuếch tán độ dẫn ion tinh thể đặc biệt tinh thể có cấu trúc fluorite Chương 2: Trình bày nội dung kết phương pháp thống kê momen việc nghiên cứu tính chất nhiệt động, khuếch tán, độ dẫn ion ceria Chúng tơi thiết lập biểu thức tính lượng tự Helmholtz, nồng độ vacancy, hệ số khuyếch tán, độ dẫn ion màng mỏng ceria Xét ảnh hưởng nhiệt độ, bề dày lên tính chất màng mỏng ceria Chương 3: Thu thập liệu vẽ đồ thị phụ thuộc vào nhiệt độ bề dày số mạng, nồng độ vacancy, hệ số khuyếch tán, độ dẫn ion, màng mỏng ceria áp suất P = Đồng thời so sánh kết thu với kết lý thuyết khác với thực nghiệm nhằm kiểm tra tính đắn lý thuyết CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG, VẬT LIỆU CERIA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU I.1.Tổng quan màng mỏng I.1.1.Khái niệm màng mỏng phân loại Màng mỏng hay nhiều lớp vật liệu chế tạo cho chiều dày nhỏ nhiều so với chiều lại (chiều rộng chiều dài) Khái niệm "mỏng" màng mỏng đa dạng, từ vài lớp nguyên tử, đến vài nanomet, hay micromet Khi chiều dày màng mỏng đủ nhỏ so với quãng đường tự trung bình điện tử chiều dài tương tác tính chất màng mỏng hồn tồn thay đổi so với tính chất vật liệu khối Khi vật liệu có kích thước nanomet, số nguyên tử nằm bề mặt chiếm tỉ lệ đáng kể so với với tổng số nguyên tử Chính hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt hiệu ứng bề mặt trở nên quan trọng làm cho tính chất vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu dạng khối Ví dụ vật liệu sắt từ : dạng khối dị hướng từ tính thể ảnh hưởng tất lớn đến tính chất từ, chế tạo màng đủ mỏng dị hướng từ tinh thể biến mà thay vào dị hướng từ bề mặt Màng mỏng gắn chân đế khơng có chân đế (màng tự do) Dựa theo cấu tạo, màng mỏng phân chia làm loại : + Màng đơn lớp ( single-layer film) màng mỏng gồm lớp vật liệu chế tạo lớp đế Tính chất màng tạo từ lớp vật liệu ảnh hưởng với tác động từ lớp đế + Màng đa lớp ( multi-layer film) là màng mỏng gồm nhiều lớp vật liệu khác nhau, xếp chồng lên để thay đổi tính chất màng Hình 1.1 Ảnh chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/MgO/CoFe B/Ta/Cu/Au kính hiển vi điện tử truyền qua I.1.2.Các tính chất màng mỏng Dựa tính chất màng, người ta phân loại màng mỏng thành loại sau: màng mỏng quang học, màng mỏng điện, màng mỏng từ, màng mỏng hóa học, màng mỏng nhiệt, màng mỏng Tính chất màng mỏng phụ thuộc vào nhiệt độ, bề dày [9,10, 14,15, 23, 29,37] điều kiện nghiên cứu khác bước sóng, nồng độ chất pha, lượng, áp suất …[6,10,12, 15, 23,26,32, 29,46] Tính chất màng mỏng khơng giống so với tính chất vật liệu khối Các tính chất màng mỏng phụ thuộc vào kích thước chân đế Đối với chân đế khác tính chất màng mỏng khác Khi kích thước nhỏ tính chất khác hồn tồn so với khối Đối với chân đế tự do, bề dày màng mỏng tiến đến vật liệu khối tính chất màng mỏng tiến tới tính chất vật liệu khối Nhưng vật liệu có chân đế tính chất màng mỏng không hội tụ tới giá trị khối chiều dày tăng lên H1.2 Sự phụ thuộc hệ số phản xạ H1.3 Sự phụ thuộc số mạng màng mỏng CeO2 vào nhiệt độ màng mỏng CeO2 vào bước sóng ánh sáng I.1.3.Các phương pháp chế tạo màng mỏng Các phương pháp chế tạo màng mỏng chia thành hai nhóm chủ yếu phương pháp hóa học phương pháp vật lý Các phương pháp hóa học thường sử dụng phun điện thủy lực, lắng đọng điện hóa, oxi hóa anot, lắng đọng hóa học Các phương pháp vật lý tiến hành chân không phương pháp bốc nhiệt, phương pháp phun xạ, phương pháp Epitaxy chùm phân tử, I.1.3.1 Phương pháp bốc bay nhiệt: kỹ thuật tạo màng mỏng cách bay vật liệu cần tạo môi trường chân không cao ngưng tụ đế (được đốt nóng khơng đốt nóng) Kỹ thuật cịn gọi bay chân khơng dùng Phương pháp sử dụng rộng rãi điện tử, từ, quang học mục đích bảo vệ, trang trí Hình 1.4 Phương pháp bốc nhiệt I.1.3.2 Phương pháp phún xạ catốt: kỹ thuật chế màng mỏng dựa nguyên lý truyền động năngbằng cách dùng iơn khí tăng tốc điện trường bắn phá bề mặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động cho nguyên tử bay phía đế lắng đọng đế Hình 1.5 Phương pháp phún xạ catốt I.1.3.3 Phương pháp Epitaxy chùm phân tử: Là kỹ thuật chế tạo màng mỏng cách sử dụng chùm phân tử lắng đọng đế đơn tinh thể chân không siêu cao, để thu màng mỏng đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể gần với cấu trúc lớp đế Tại Bell Telephone Laboratories kỹ thuật phát minh vào năm 60 kỉ 20 Phương pháp thường chế tạo màng gốm màng oxit kim loại I.1.4 Màng mỏng ceria Cerium dioxide gọi tắt ceria (CeO2) có cấu trúc fluorite giống với cấu trúc canxiflorit (CaF2) ion Ce4+ chiếm vị trí nút tạo thành mạng lập phương tâm diện có số mạng a , xung quanh ion O2- chiếm vị trí tạo thành mạng lập phương đơn giản với độ dài cạnh a / Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể CeO2 CeO2 có cấu trúc fluorite cubic (hình 1.6).Do có cấu trúc fluorite nên CeO2 bền vững có thay đổi mạnh áp suất nhiệt độ [26] Trong năm gần đây, CeO2 đối tượng nghiên cứu mạnh mẽ khả dự trữ giải phóng oxy, liên quan đến tính chất oxy hóa độ bền vững nhiệt [5, 6, 26] CeO2 đóng vai trị chất xúc tác, chất chống ăn mịn CeO2 kích thước nano ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học cơng nghệ đời sống , chúng sử dụng gốm sứ thủy tinh, làm bột huỳnh quang, làm sơn … [5, 6, 8, 12, 14, 26] Hơn hai mươi năm qua, CeO2 kích thước nano thu hút quan tâm nghiên cứu lớn [12] Ceria oxit sử dụng rộng rãi linh kiện điện tử khác CeO2 thay SiO2 làm vật liệu dùng làm cổng điện mơi linh kiện kim loại-điện mơi-bán dẫn có đặc tính điện mơi tốt ổn định mặt nhiệt động lực học tiếp xúc với chất Si [14] Bên cạnh đó, CeO2 cịn vật liệu chống ăn mòn tốt dùng công nghệ luyện kim, làm vỏ bảo vệ nhiệt cho động Màng mỏng ceria ứng dụng rộng rãi lĩnh vực điện, quang , cơ, xúc tác, chịu mài mòn, …[9, 10, 13, 23, 26, 32, 37] Sự phát triển màng mỏng ceria cấu trúc vi mơ tính chất điện nghiên cứu báo cáo rộng rãi Màng mỏng ceria sử dụng kính hiển vi điện tử , cảm biến khí, vật liệu điện phân rắn… [21, 37] Màng mỏng CeO2 SiO2 sử dụng màng mỏng quang học đa lớp có hệ số phản xạ, truyền qua tốt vùng hồng ngoại ánh sáng nhìn thấy [23] Các vật liệu dựa ceria thu hút ý nhà khoa học nghiên cứu công nghệ sản phẩm thương mại [12] Trước ứng dụng ceria nói chung màng mỏng ceria nói riêng tính chất độ cứng học tốt, tính chất hóa học ổn định …[32] Vì vậy, nghiên cứu để hiểu đầy đủ tính chất màng mỏng ceria điều cần quan tâm -3 Conductivity *10 (S/cm) 17 16 15 14 13 12 11 10 -1 Butler Potential Potential 1100 1200 1300 1400 1500 1400 1500 T (K) Butler -3 Conductivity *10 (S/cm) 1100 1200 1300 T (K) Hình 3.19: Sự phụ thuộc dộ dẫn ion màng mỏng Ceria theo nhiệt độ bề dày d ≈ 17 nm sử dụng Butler, potential 1, potential 78 Từ đồ thị hình 3.19 Ta nhận thấy độ dẫn tuân theo công thức σ = σ0 T exp(− Q ) k BT (3.27) Trong σ thừa đứng trước hàm mũ trung bình, Q lượng kích hoạt trung bình màng mỏng Từ ta rút Q = − k BT ln( Theo cơng thức (89), thì: σ T) σ0 (3.28) q2 σ0 = Do nυ kB a (3.29) Dựa vào kết tính phần ta có phụ thuộc lượng kích hoạt vacancy màng mỏng theo nhiệt độ bề dày khác sau Năng lợng kích hoạt: Q (eV) 2.4 30 lop 300 lop 3000 lop 510^5 lop Butler 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1100 1200 1300 1400 1500 NhiƯt ®é : T (K) Hình 3.20 Sự phụ thuộc lượng kích hoạt màng theo nhiệt độ bề dày khác sử dụng Butler vi dng 79 2.4 Năng lợng kích hoạt: Q (eV) 2.2 30 lop 300 lop 3000 lop 510^5 lop Potential 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1100 1200 1300 1400 1500 NhiƯt ®é : T (K) Hình 3.21 Sự phụ thuộc lượng kích hoạt màng theo nhiệt độ bề dày khác sử dng th Potential vi dng Năng lợng kích ho¹t: Q (eV) 2.5 30 lop 300 lop 3000 lop 510^5 lop Potential 2.0 1.5 1100 1200 1300 1400 1500 NhiƯt ®é : T (K) Hình 3.22 Sự phụ thuộc lượng kích hoạt màng theo nhiệt độ bề dày khác sử dụng Potential với dạng khối 80 1.80 T=1100 K T= 1300 K T= 1500K 1.75 Năng lợng kích hoạt: Q (eV) 1.70 1.65 1.60 1.55 1.50 1.45 1.40 1.35 1.30 1.25 500 1000 1500 2000 2500 BÒ dμy cđa mμng : d (nm) Hình 3.23 a Sự phụ thuộc lượng kích hoạt theo bề dày nhiệt độ khác sử dụng Butler 1.75 T=1100 K T= 1300 K T= 1500K 1.70 Năng lợng kích hoạt: Q (eV) 1.65 1.60 1.55 1.50 1.45 1.40 1.35 1.30 1.25 1.20 500 1000 1500 2000 2500 BỊ dμy cđa mμng : d (nm) Hình 3.24 Sự phụ thuộc lượng kích hoạt theo bề dày nhiệt độ khác sử dụng Potential 81 2.00 T=1100 K T= 1300 K T= 1500K 1.95 Năng lợng kích hoạt: Q (eV) 1.90 1.85 1.80 1.75 1.70 1.65 1.60 1.55 1.50 1.45 1.40 500 1000 1500 2000 2500 BỊ dμy cđa mμng : d (nm) Hình 3.25 Sự phụ thuộc lượng kích hoạt theo bề dày nhiệt độ khác sử dụng Potential III.3.4 Đánh giá thảo luận kết Qua kết thu phần III.1 III.2 ta nhận thấy nồng độ cân vacancy, hệ số khuếch tán, độ dẫn ion, lượng kích hoạt lớp tinh thể Ceria bên bên màng mỏng khác Cụ thể nồng độ cân vacancy, hệ số khuếch tán, độ dẫn ion lớp bên lớn nhiều lần so với lớp bên Nguyên nhân có hiệu ứng bề mặt lớp tinh thể phía ngồi màng mỏng (do thiếu hạt Ce O phía bên ngồi) Trong đồ thị hình 3.7 đến 3.8 ta thấy đường biểu diễn lg( D) ln( σ *T ) đường gần song song, chứng tỏ quy luật mà ta thu phù hợp với quy luật thực nghiệm tìm ra, tuân theo quy luật Arrhenius Trong phần III.3, từ hình 3.10 tới hình 3.18 cho thấy rằng: nồng độ cân vacancy, hệ số khuếch tán, độ dẫn ion màng mỏng CeO2 phụ thuộc vào nhiệt độ bề dày d màng mỏng Cụ thể chúng tăng theo nhiệt độ giảm nhanh theo bề dày khoảng từ 2-50 nm, bề dày 82 lớn chúng giảm chậm giá trị khối (đây lí màng mỏng đối tượng quan tâm đặc biệt lý thuyết thực nghiệm năm gần đây) Có thể lí cách giải đơn giản do, bề dày màng nhỏ ảnh hưởng hiệu ứng bề mặt nhiều có số lớp tinh thể bên Điều cơng trình nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm khẳng định [16], [21], [50], [51] Với kết thực nghiệm [50], màng mỏng có bề dày 27nm nhiệt độ 600 K độ dẫn ion 5.94.10-3 S/cm, tính tốn bề dày nhiệt độ thu kết 5.31.10-3 S/cm Potential 1, 13.6.10-3 S/cm Potential 12.4.10-2 S/cm Butler Theo số phương pháp tính tốn khác [51] thu giá trị màng mỏng ceria khoảng 10-4 - 10-3 S/cm Điều giúp chúng tơi khẳng định tính đắn vào sở lý thuyết mà sử dụng để tính tốn luận văn Qua đồ thị Hình 3.20, 3.21, 3.22 ta thấy lượng kích hoạt Q phụ thuộc vào nhiệt độ, lại phụ thuộc nhiều vào bề dày màng mỏng Cụ thể tăng bề dày màng mỏng lên giá trị lượng kích hoạt tăng nhanh theo, dần tiến giá trị khối bề dày màng tăng tới vài trăm nm, điều xác định thực nghiệm [50] Trong phần tính tốn luận văn : với màng có bề dày 16.4 nm, nhiệt độ 1100K Q = 1.2018 eV dùng Potential 1, Q=1.4225 eV dùng Potential Q=1.2685 eV dùng Butler Trong kết thực nghiệm [50], lượng kích hoạt màng mỏng nằm khoảng 1.2-1.6 eV màng có bề dày 17 nm nhiệt độ 850 K – 1100 K Qua đó, ta thấy kết mà thu trrên khớp với kết thực nghiệm số phương pháp tính tốn khác 83 KẾT LUẬN Luận văn sử dụng phương pháp thống kê momen học thống kê nghiên cứu tính chất dự khuếch tán, độ dẫn ion màng mỏng ceria có cấu trúc fluorite, thu kết sau: Xây dựng cơng thức giải tích đại lượng nhiệt động như: lượng tự Helmholtz, độ dịch chuyển trung bình hạt khỏi vị trí cân bằng, nồng độ cân vacancy, hệ số khuếch tán, độ dẫn ion, màng mỏng ceria Các cơng thức kể tới đóng góp hiệu ứng phi điều hồ dao động mạng, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước nhiệt độ Sử tương tác dạng cặp Buckingham để tính số cho biểu thức Kết cho thấy số mạng, đại lượng nhiệt động, hệ số khuếch tán, độ dẫn ion phụ thuộc vào nhiệt độ bề dày màng mỏng Kết thu phù hợp với thực nghiệm kết nghiên cứu tác giả khác Từ làm sở để chúng tơi tiên đốn trước đại lượng nhiệt độ cao (gần với nhiệt độ nóng chảy 2950K) Điều quan trọng nhiệt độ cao tiến hành thực nghiệm khó mắc phải nhiều sai số Trong luận văn, phương pháp thống kê mômen học lượng tử nghiên cứu khuếch tán độ dẫn ion màng mỏng ceria áp suất P=0 thu số kết sau: Hằng số mạng a lượng kích hoạt Q tăng theo nhiệt độ bề dày; Nồng độ cân vacancy, hệ số khuếch tán độ dẫn ion tăng theo nhiệt độ giảm theo bề dày Trên xét trường hợp áp suất P=0, Do đề tài mở rộng hướng nghiên cứu cho độ dẫn ion màng mỏng ceria zircoria ảnh hưởng áp suất khác 84 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO I Tiếng Việt [1] Vũ Văn Hùng (1990), Luận án PTS khoa học Tốn Lí, ĐH Tổng Hợp Hà Nội [2] Vũ Văn Hùng, Phương pháp thống kê momen nghiên cứu tính chất nhiệt động đàn hồi tinh thể, NXB ĐHSP, 2009 [3] Vũ Văn Hùng, Nguyễn Thanh Hải, Lê Thị Mai Thanh (2006): “Nghiên cứu tính chất nhiệt động zirconia cấu trúc Fluorite phương pháp thống kê momen”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị vật lý toàn quốc lần thứ 6, (Hà nội-2006) 48-51 [4] Vũ Văn Hùng, Bùi Đức Tĩnh (2005): “Nghiên cứu độ dẫn ion ZrO2 CeO2 phương pháp thống kê mômen”, Luận văn thạc sĩ vật lý, Viện KH CN Việt Nam 2005 [5] Lê Thị Mai Thanh , Phương pháp thống kê momen nghiên cứu tính chất nhiệt động đàn hồi tinh thể cấu trúc fluorite, Luận án tiến sĩ vật lý , ĐHSP Hà Nội 2010 II Tiếng anh [6] A.Galtayries, R.Sporken, J.Riga, G.Blanchard, R.Caudano (1998) “ XPS comparative study of ceria/zirconia mixed oxides : powders and thin film characterisation” Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenormena, 88-91(1998) ,951-956 [7] A Nakajima, A Yoshihara, M Ishigma (1994), Phys Rev B 50, 13297 [8] A.Turkovic (2004) , “Grazing-incidence small-angle X-ray scattering and reflectivity on nano structured oxide thinfilm ” , Materials Science and Engineering B110, 68-78 [9] Anna Kossoy , Anatony I.Frenkel, Yishay Feldman, Ellan Wachtel, Alla Minlner, Igor Lubomirsky (2010)n “ The origin of elastic anomalies in thin films of oxygen deficient , CeO2-x” Solis State Ionic 181, 1473-1477 85 [10] C.Mansilla , J.P.Holgado, J.P.Espinos, A.R Gonzalez – Elipe , F.Yubero (2007) “ Microstructure and transport properties of ceria and samaria doped ceria thin films prepared by EBE-IBAD ” Surface & Coating Technology 202, 1256-1261 [11] David Fuks, Simon Dorfman, Yuri F Zhukovskii, Eugene A Kotomin, A.Marshall Stonehame, 2001, “Theory of the growth mode for a thin metallic film on an insulating substrate” Surface Science 499 (2002), 24-40 [12] F.Grasset, R.Marchand, A-M.Marie, D.Fauchadour, F.Fajadie (2006), “Synthesis of CeO2 and SiO2 core-shell nanoparticlers by water-in-oil microemulsion Preparation or functional thin film” Journal of Colloid and Interface Science., 299, 726-732 [13] F.Sutara, M.Cabala, L.Sedlacek, T.Skala, M.Skoda, V.Matolin, K.C.Prince, V.Chab (2008) “Expitaxial growth of continuos CeO2 (111) ultra-thin film on Cu (111)” Thin Solid Films 516, 6120-6124 [14] Farah Anis Jasni , Kuan Yew Cheong, Zainovia Lockman & Zainuriah Hassan (2009) “ Structural and morphological evolution of cerium oxide thin film on silicon prepared by metal-organic decomposition route” Journal of nuclear and related technologies Volume 6, No.1 [15] Feng Zhang, Chih –Hao Chen, and Joan M.Raitano, Jonathan C.Hanson, Wolfgang A.Caliebe and Syed Khalid, Siu-Wai Chan (2006) “ Phase stability in ceria-zircoria binary oxide nanoparticles: The effect of the Ce3+ concentration and the redox enviroment ” Journal of applied physics 99, 084313 [16] G V Lewis and C R A Catlow(1985), “Potential models for ionic oxides” J Phys C : Solid State Phys., 18, 1149-1161 [17] Vu Van Hung, Ph.D.; Bui Duc Tinh; Jaichan Lee, “Study of ionic conductivity in cubic ceria by the statistical moment method” StatPhys24-VVH (August 31, 2010) [18] A Fick, Phil Mag (1855), 10, 30 86 [19] I.M Kotelyanskii , V.A Luzanov , Yu.M.Dikeav, V.B.Kravchenko , B.T.Melekh (1996) “Deposition of CeO2 films including areas with the different orientation and sharp border between them” Thin Solid Films , 280, 163-166 [20] L.A Girifaco, Statistical physics of material, Interscience Publ, NewYork, London, Sydeny, Toronto, 1973 [21] Jenifer L.M.Rupp, Ludwig J.Gauckler,“ Microstructures and electrical conductivy of nanocrystalline ceria-based thin films” , Solic State Ionic J Am Ceram Soc., 1792–1797 (2007) [22] K Masuda-Jindo, V.V Hung, and P.D Tam (2003), “Thermodynamic quantities of metals investigated by an analytic statistical moment method”, Phys Rev B 67, 094301 [23] K.Narasimha Rao, L.Shivlingappa , S.Mohan (2003) “Studies on single layer CeO2 and SiO2 films deposited by rotating crucible electron beam evaporation ”, Materials Science and Engineering B98 , 38-44 [24] L Kang, Z F Di, S Z Yang, Y J Feng and P H Wu (2002)“Epitaxial growth of YBa2Cu3O7/CeO2/YSZ thin films on silicon-on-insulator substrates ” Kang et al 2002 Supercond Sci Technol 15 320 [25] L Gerwad and J Staun-Olsen(1993), Powder diffr., 8, 127 [26] L.V.Saraf , C.M Wang, M.H Engelhard and P.Nachimuthu (2008) “Surface and interface properties of 10-12 unit cells thick sputter deposited epitaxial CeO2 films ”Meterial Science , Article ID 206019 [27] M Shelef, G.W Graham, R.W McCabe (2002), in A Trovarelli (Editor), “Catalysis by Ceria and Related Materials”, Imperial College Press; London [28] P.Fornasiero, G.Balducci, J.Kašpar, S.Meriani, R.Di Monte and M.Graziani(1996), “Metal-Loaded CeO2-CeO2 Solid Solutions as Innovative Catalysts for Automotive Catalytic Converters.", Catal.Today 29, 47 87 [29] S.Amirhagi, Y.H.Li, J.A.Kilner, Ian W.Boyd (1995) “Growth of pure and doped cerium oxide thinfilm bilayers by pulsed lase deposition ” ”, Materials Science and Engineering B34 (1995)192-198 [30] S.Andrada Maicaneanu, Dean C.Sayle and Graeme W.Watson (2001) “Evolution and atomistic structure of dislocations defects and clusters within CeO2 supported on ZrO2 ”, Chem Commun., 2001, 289-29, [31] S Bernal, G Blanco, J.J Calvino, J.M Gatica, J.A Pérez-Omil, J.M Pintado (2004), “Characterisation of three-way automotive aftertreatment catalysts and related model systems” Topics in Catalysis, 28, 31-45 [32] S.Kanakaraju, S.Mohan, A.K Sood (1997) “Optical and structural properties of reactive ion beam sputter deposited CeO2 thifilm ”, Thin Solid Thinfilm , 305, 191-195 [33] Shyam Vyas, Robin W Grimes, David H Gay and Andrew L Rohl (1998), “Structure, stability and morphology of stoichiometric ceria crystallites”, J Chem Soc., Faraday Trans., 94, 427 - 434, [34] T Ristoiu, T Petrisor Jr, M S Gabor, M Nasui, B Mos (2009) “ Atomic force microsopy study of nanocrystalline ceria thinfilms ”, Journal of Physics, Conference Series 182 012015 [35] Tanju Gürel and Resul Eryiğit (2006) “Ab initio pressure-dependent vibrational and dielectric properties of CeO2” Phys Rev B 74, 014302 [36] Tang N., Hung V V.(1988), “Investigation of the thermodynamic properties of anhamonic crystal by the moment method I General Results for FaceCentred Cubic Crystals,”, Phys stat sol(b), Vo.149, p.511-519 [37] V.Mihalache, I.Pasuk (2011) “Grain growth, microstructure and surface modification of textured CeO2 thin film on Ni substrace ” , Acta Materialia 59, 4875-4885 [38] V V Hung and K Masuda-Jindo(2000), “Application of Statistical Moment Method to Thermodynamic Properties of Metals at High Pressures”, J., Phys Soc Jpn 69, 2067-2075 88 [39] K.Masuda-Jindo, J.de Physique, 47, 2087 (1976) [40] Vu Van Hung, Jaichan Lee and K Masuda-Jindo(2006), “Investigation of thermodynamic properties of cerium dioxide by statistical moment method”Journal of Physics and Chemistry of Solids, Volume 67, 682-689 [41] V.V.Hung, H.V.Tich, and K.M.Jindo, J of Phys Soc.Jpn, 69 (2000) 2691 [42] Vu Van Hung, Do Cung Trang and Le Thi Mai Thanh (2007): “Equation of States of Zirconia” Communications in Physics,Vol 17, 141 – 147 [43] Vu Van Hung, Le Thi Mai Thanh and K Masuda-Jindo (2010): “Study of thermodynamic properties of Cerium dioxide under high pressure”, Comput Matt Science, 49, S355-S358 [44] Wang, Rong-ping Zhou, Yue-liang Pan, Shao-hua Zhang, Hao Guo, Xiangxin Xiong, Xu-ming Lu, Hui-bin Zhen, Zheng-hao Yang, Guo-zhen (1998) “Structural characteristics of CeO2 films grown on biaxially textured nickel (001)”, Journal of Applied Physics Aug 1998,1994 – 1997 [45] Yu A Boikov, T Claeson, and D Erts (1997) “CeO2 compatibility with YBa2Cu3O7-δ in superconducting-film multilayers” Phys Rev B 56, 11312– 11319 [46] Z.Lu, R.Hiskes , S.A.DiCaolis , A.Nel, R.K.Route, R.S Feigelson (1995) “Crystalline quanlity and surface morphology of (100) CeO2 thin film grown on saphire substrates by solid source metalorganic chemical vapor deposition” Journal of Crystal Growth ,227-234 [47] Fuyuki Shimojo, Tsuneyasu Okabe, Fumio Tachibana, Michisuke Kobayashi and Hideo Okazaki (1992), “Molecular Dynamics Studies of Yttria Stabilized Zirconia I Structure and Oxygen Diffusion” J Phys Soc Jpn 61, pp 28482857 [48] H.W.Brinkman, W.J.Briels, and H.Verweij, (1995), “Molecular dynamics simulations of yttria-stabilized zirconia”, Chem.Phys.Lett 247, 386 [49] X Li and B Hafskjold(1995), “Molecular Dynamics Simulations of YttriumStabilized Zirconia,” J Phys.: Condens Matter, 7, 1255 89 [50] Marcus C Gobel, Giuliano Gregori, Xiangxin Guo and Joachim Maier (2010) “Boundary effects on the electrical conductivity of pure and doped cerium oxide thin films” Phys Chem Chem Phys, 2010, 12, 14351–14361 [51] B.B Patil , S.H Pawar, “Structural, morphological and electrical properties of spray deposited nano-crystalline CeO2 thin films”, Journal of Alloys and Compounds 509 (2011) 414–420 III Tiếng Nga [52] NGUYEN TANG – IZV VUZOV – FIZ (1981), 6, 38 [53] NGUYEN TANG(1982) – Luận án tiến sĩ khoa học MGU [54] Ya P TERLETSKY (1973)– Vật lí thống kê – M [55] D A KIRJNITZ (1963)–Phương pháp trường lí thuyết nhiều hạt–M [56] Ya P TERLETSKI, NGUYEN TANG (1967) – Ann Der Phys., 19, 299 IV Internet website [57] http://www.en.wikipedia.org/wiki [58] http://www.vi.wikipedia.org/wiki 90 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Mục đích phương pháp nghiên cứu .2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: Đóng góp luận văn : Cấu trúc luận văn .3 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG, VẬT LIỆU CERIA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU I.1.Tổng quan màng mỏng I.1.1.Khái niệm màng mỏng phân loại .4 I.1.2.Các tính chất màng mỏng I.1.3.Các phương pháp chế tạo màng mỏng I.1.4 Màng mỏng ceria I.2 Các phương pháp nghiên cứu khuếch tán độ dẫn ion .9 I.2.1 Khuyết tật tinh thể I.2.2 Hiện tượng khuyếch tán nguyên tử tinh thể .13 I.2.3 Cơ chế khuếch tán 16 I.2.4 Phương pháp động lực học phân tử 18 I.2.5 Phương pháp ab initio: .20 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ MOMEN TRONG NGHIÊN CỨU ĐỘ DẪN ION CỦA MÀNG MỎNG CERIA .24 II.1 Phương pháp thống kê mô men nghiên cứu đại lượng nhiệt động tinh thể Ceria .24 II.1.1 Công thức tổng quát momen 24 II.1.2 Cơng thức tổng qt tính lượng tự 29 II.1.3 Dao động phi điều hoà mạng tinh thể ceria [5] .30 II.1.4 Năng lượng tự Helmholtz số mạng tinh thể Ceria 35 II.1.5 Lý thuyết khuyếch tán tinh thể Ceria .39 II.1.6 Độ dẫn ion tinh thể Ceria .43 II.2 Thế tương tác hạt 45 II.3 Phương pháp thống kê mômen áp dụng nghiên cứu độ dẫn ion màng mỏng ceria .46 II.3.1 Các cơng thức tính thơng số k , γ , β 48 II.3.2 Hằng số mạng màng mỏng nhiệt độ T: 48 II.3.3 Độ dẫn ion màng mỏng Ceria 49 CHƯƠNG : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .53 III.1 Xác định thông số k, γ, β, màng mỏng ceria 53 III.1.1 Xác định thơng số k, γ, β lớp ngồi màng mỏng CeO2 53 III.1.2 Xác định thông số k, γ, β, a lớp màng mỏng ceria 56 III.2.Hằng số mạng màng mỏng áp suất P=0 58 III.2.1.Hằng số mạng lớp lớp màng mỏng ceria K 58 III.2.2.Hằng số mạng màng mỏng nhiệt độ T khác nhau: 65 III.3 Độ dẫn ion màng mỏng ceria áp suất P=0 .68 III.3.1 Độ dẫn ion lớp ceria bên áp suất P=0 68 III.3.2 Độ dẫn ion lớp ceria bên áp suất P=0 71 III.3.3 Độ dẫn ion màng mỏng ceria áp suất P=0 73 III.3.4 Đánh giá thảo luận kết 82 KẾT LUẬN 84 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .85