Chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu zno pha tạp al và mn

TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  - - ĐÀO SƠN LÂM CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU ZnO PHA TẠP Al VÀ Mn LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2012 TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  - - ĐÀO SƠN LÂM CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU ZnO PHA TẠP Al VÀ Mn Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60 44 07 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS NGÔ THU HƢƠNG Hà Nội - 2012 Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZnO………………………………… 1.1 Cấu trúc mạng tinh thể ZnO:………………………………………………… 1.1.1 Cấu trúc mạng lục giác wurtzite:…………………………………………… 1.1.2 Cấu trúc mạng lập phƣơng giả kẽm kiểu sphalerite:………………………… 1.1.3 Cấu trúc mạng lập phƣơng đơn giản kiểu NaCl:…………………………… 1.2 Cấu trúc vùng lƣợng:…………………………………………………… 1.2.1 Cấu trúc vùng lƣợng ZnO dạng lục giác wurtzite:………………….7 1.2.2 Cấu trúc vùng lƣợng ZnO dạng lập phƣơng giả kẽm sphalerite… 10 1.2.3 Cấu trúc vùng lƣợng ZnO dạng lập phƣơng đơn giản kiểu NaCl… 10 1.3 Tính chất điện ZnO:……………………………………………………… 11 1.4 Tính chất quang ZnO:…………………………………………………… 12 1.5 Tính chất từ ZnO:………………………………………………………… 12 1.6 Một số thông số vật liệu khối ZnO:……………………………………… 14 1.7 Một số ứng dụng vật liệu bán dẫn ZnO:…………………………………… 15 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM………………………………… 16 2.1 Phƣơng pháp chế tạo mẫu:…………………………………………………… 16 2.2 Các phép đo:…………………………………………………………………… 18 2.2.1 Phép đo tính chất cấu trúc:…………………………………………………… 18 2.2.2 Phép đo tính chất từ:………………………………………………………… 23 2.2.3 Phép đo tính chất quang:…………………………………………………… 24 Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm 2.2.4 Phép đo tính chất điện:……………………………………………………… 28 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……………………………………… 30 3.1 Kết hệ mẫu Zn1-xMnxO:…………………………………………… 30 3.1.1:Kết đo tính chất cấu trúc hệ mẫu Zn1-xMnxO…………………… 30 3.1.2 Kết đo Raman hệ mẫu Zn1-xMnxO………………………………… 36 3.1.3 Kết đo tính chất từ hệ mẫu Zn1-xMnxO…………………………… 41 3.2 Kết đo hệ mẫu Zn1-yAlyO…………………………………………… 43 3.2.1 Kết đo tính chất cấu trúc hệ mẫu Zn1- yAlyO……………………… 43 3.2.2 Kết đo Raman hệ mẫu Zn1-yAlyO………………………………… 47 3.2.3 Kết đo tính chất điện hệ mẫu Zn1-yAlyO………………………… 53 KẾT LUẬN………………………………………………………………………… 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………… 60 Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm BẢNG PHỤ LỤC HÌNH VẼ STT Hình 1.1: Cấu trúc lục Hình 1.2: Cấu trúc lập Hình 1.3: Cấu trúc lập p Hình 1.4: Sự chuyển ph lập phƣơng đơn giản ki Hình 1.5: Vùng Brillou Hình 1.6: Cấu trúc vùng wurtzite Hình 1.7: Sơ đồ cấu trú Hình 1.8: Vùng Brillou Hình 1.9: Sơ đồ vùng n Hình 1.10: Đƣờng cong 10 xMnxO Hình 2.1: Sơ đồ khối qu 11 12 Hình 2.2: Lị nung Carb Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm Hình 2.3: Giản đồ nung 13 Hình 2.4: Hiện tƣợng n 14 15 16 tinh thể Hình 2.5: Nhiễu xạ tia X Hình 2.6: Thiết bị nhiễu Hình 2.7: Sơ đồ cấu tạo 17 Hình 2.8 :Mơ tƣ 18 19 20 Hình 2.9: Máy SEM Jeo Hình 2.10: Thiết bị từ k Hình 2.11: Sơ đồ quang 21 22 23 Micramate Hình 2.12: Máy Hewlet Hình 3.1: Phổ nhiễu xạ 24 25 Hình 3.2: Ảnh SEM Hình 3.3: Phổ tán sắc E Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm Hình 3.4: Phổ tán sắc E 26 Hình 3.5: Phổ tán sắc E 27 28 29 30 31 32 33 Hình 3.6: Phổ tán xạ Ra Hình 3.7: Phổ tán xạ Ra Hình 3.8: Phổ tán xạ Ra Hình 3.9: Phổ tán xạ Ra Hình 3.10: Phổ tán xạ R Hình 3.11: Phổ tán xạ R Hình 3.12: Phổ tán xạ R 34 35 36 Hình 3.13: Đƣờng cong Hình 3.14: Phổ nhiễu x Hình 3.15: Ảnh SEM củ 37 38 Hình 3.16: Phổ tán sắc Luận văn cao học 3.2.3.5 Kết đo giá trị tg() tg theta Hình 3.29 phụ thuộc số tổn hao vào F (KhZ) Hình 3.29: Giá trị tg( ) phụ thuộc tần số m p̣ ẫu Zn1-yAlyO Tƣƣ̀ vào hình 3.29 ta thấy: nhìn chung giá trị tg() hệ mẫu Zn1-yAlyO có giá trị tƣơng đối nhỏ dải tần số nhỏ MHz Đối với mẫu ZnO chƣa pha tạp giá trị tg() giảm dần Nhƣng pha thêm tạp chất ta thấy: tg() nhanh chóng đạt giá trị cực tiểu có xu hƣớng tăng dần tần số tăng Điều giải thích do: Khi pha thêm tạp chất phần nguyên tử Al không vào phân mạng ZnO nên gây sai hỏng mạng tinh thể hình thành tâm tán xạ gây tổn hao điện vật liệu 58 Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm KẾT LUẬN Trong luận văn này, thu đƣợc môṭsốkết quảchinh́ nhƣ sau:  Đã chế tạo thành công hệ mẫu Zn 1- xMnxO Zn1- yAlyO phƣơng pháp gốm Kết quảnghiên cƣ́u tinh́ chất cấu trúc tƣƣ̀ phổ nhiêũ xa p̣tia X cho thấy: nồng đô p̣pha tạp Mn Al với hàm lƣợng thấp (x  0,06) mẫu đơn pha có cấu trúc lục giác wurtzite Ảnh SEM mẫu cho thấy kích thƣớc hạt đồng có kính thƣớc tinh thể trung bình cỡ 30 nm  Phổ Raman nhiệt độ phòng đƣợc cho thấy tất đỉnh ZnO xuất dải sóng khảo sát Khi nồng độ tạp chất thay đổi, phổ Raman có dịch chuyển đỉnh phổ ứng với số sóng khác Đồng thời xảy dập tắt số đỉnh phổ có xuất thêm đỉnh đặc trƣng cho Mn, Al  Đối với mẫu pha tạp Mn: Tƣƣ̀ đô p̣phụ thuộc từ trƣờng cƣcp̣ đaịcủa mâũ tăng dần đạt giá trị 0,027; 0,051, 0,048; 0,051 emu/g tƣơng ƣ́ng với nồng đô p̣ Mn pha tapp̣ x = 0,02; 0,04; 0,06 0,08 Khi nồng độ Mn lớn (x = 0,10), từ độ tăng tuyến tính đạt giá trị 0,0917 emu/g, vật liệu có tính siêu thuận từ  Đối với mẫu pha Al: Khi pha tạp hàm lƣợng nhỏ (y = 0; 0,03; 0,06) giá trị điện dung, độ dẫn tăng dần nồng độ pha tạp tăng đạt cực đại thành phần 6% điều đócho thấy đa tg̃ imƣ̀ đƣơcp̣ nồng đô pp̣ tapp̣ tối ƣu cho Z p̣ n 1yAlyO 59 Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Lê Khắc Bình, “Cơ sở vật lý chất rắn”, (2006) [2] Lê Thị Thanh Bình, “Chế tạo nghiên cứu số tính chất màng mỏng AIIBIV’, Luận án phó tiến sĩ Tốn-Lý, Hà Nội, (1996) [3].Tạ Đình Cảnh, Nguyễn Thị Thục Hiền,”Giáo Trình Vật Lý Bán Dẫn”, (1999) [4] Cao Thị Mỹ Dung, Trần Cao Vinh, Nguyễn Hữu Chí, “Tạp chí phát triển KH&CN,” tập 10, số – (2007) [5] Trần Đông Hải,” Chế tạo nghiên cứu vật liệu nano ZnO ZnO:Co phƣơng pháp hóa sử dụng sóng viba làm xúc tác”, Luận văn thạc sỹ vật lý ,ĐHSP Hà Nội (2008) [6] Phùng Hồ, Phan Quốc Phổ, ”Giáo trình vật lý bán dẫn”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật (2000) [7] Nguyễn Ngọc Long, “Vật lý chất rắn”, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội (2007) [8] Lê Thị Lụa, Báo cáo FT-Raman Micro-Raman, TP.HCM, (2010) [9] Nguyễn Duy Phƣơng, “ Nghiên cứu chế tạo khảo sát số tính chất màng mỏng sở ZnO khả ứng dụng chúng”, Luận văn tiến sỹ Vật lý, khoa Vật lý trƣờng ĐHKHTN – ĐHQGHN, 2005 [10] Lƣu Tuấn Tài, ”Giáo Trình Vật Liệu Từ”, Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội, (2008) 60 Luận văn cao học [11] Học viên: Đào Sơn Lâm Nguyễn Cao Tài,” Chế tạo khảo sát số tính chất vật liệu bán dẫn ZnO pha tạp Mn”, Luận văn thạc sỹ vật lý, ĐHSP Hà Nội (2006).8) [12] Tơ Thành Tâm, khóa luận tốt nghiệp ĐHKHTN Hà Nội ,” Chế tạo nghiên cứu tính chất điện vật liệu ZnO pha tạp P”.(2011) [13] Lƣu Hồng Anh Thƣ, Khóa luận tốt nghiệp ĐHKHTN Hà Nội,” Chế tạo nghiên cứu vật liệu ZnO pha tạp Mn”.(2012) [14] Ngô Hồ Quang Vũ, Giới thiệu phương pháp SEM, TP.HCM, (2010) Tiếng Anh [15] Ahuja R., Lars Fast, Eriksson O., Wills J M and Johansson B., “Elastic and high pressure properties of ZnO”, Journal of Applied Physics, 83 (12), (1998), 8065-8067 [16] Cari F Herrmann, Frank W DelRio, David C Miller, Steven M George,Victor M Bright, Jack L Ebel, Richard E Strawser, Rebecca Cortez, Kevin D Leedy, ”Alternative dielectric films for rf MEMS capacitive switches depositedusing atomic layer deposited Al2O3 /ZnO alloys” Sensors and Actuators A 135 (2007)) [17] Chang Y.Q, Way D.B., Luo X.H, Chen X.H, “Magnetic properties of Mn_doped ZnO nanowires”, Appl Phys Lett 83, (2003), 4020 [18] David R Lide, ed., CRC Handbook of Chemistry and Physics 75th edition CRC Press, (1994), 10–227 [19] D G Thomas, J Phys Chem Solids, 15, (1960), pp.86 61 Luận văn cao học [20] Học viên: Đào Sơn Lâm D Rubi, A Calleja, J Arbiol, X.G Capdevila, M Segarra, Ll Aragonès and J Fontcuberta, ”Structural and magnetic properties of ZnO:TM (TM:Co,Mn) nanopowders”, J Magn Magn Mater 317 (2007), e211-e214 [21] Feng Zhu, Ye Zhang, Youguo Yan, Wenhai Song and Lingli Xia, Bull.Mater.Sci., Vol.31, No.2, April 2008, pp.121–124 [22] HE Qing-Bo, XU Jia-Yue, LI Xin-Hua, A.Kamzin, L.Kamzina, Chin Phys Lett., Vol.24, No.12 ,(2007), 3499 [23] Jacques I Pankove, Optical Processe in Semiconductors, New Jersey, USA, (1971) [24] Appl J G Lu, Y Z Zhang, Z Z Ye, L P Zhu, B H Zhao, and Q L Liang, Phys Lett 88, (2006), 222114 [25] J L Birman, Phys Rev Lett 2, (1959), 157 [26] Khalid Omar, ”Investigation on Dielectric Constant of Zinc Oxide”, Modern Applied Science, Vol 3, No 2,(2009), 110 - 116 [27] Khalid Omar, Investigation on Dielectric Constant of Zinc Oxide, Modern Applied Science, Vol3, No 2, (2009), 110 - 116 [28] Khan A Alim, Vladimir A Fonoberov, Manu Shamsa, and Alexander A Balandina, Micro-Raman investigation of optical phonons in ZnO nanocrystals, Nano-Device Laboratory, Department of Electrical Engineering, University of California-Riverside [29] Hsiao, K.J Chen, T.H Fang, F.Y Hung, L.W Ji, S.J Chang, S.J Young, Y.J ”The crystallization and physical properties of Al-doped ZnO nanoparticles”, Applied Surface Science 254, (2008), 5791–5795 62 Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm [30] K.J Chen, T.H Fang, F.Y Hung , L.W Ji, S.J Chang, S.J Young, Y.J Hsiao, The crystallization and physical properties of Al-doped ZnO nanoparticles, Applied Surface Science 254, (2008), 5791–5795 [31] [32] Klingshim C.F., Semiconductors Optics, Berlin, (1995) Müjdat ÇAGLAR, Saliha ILICAN, Yasemin ÇAĞLAR, ”Influence of substrate temperature on structure on structural and electrical properties of ZnO films“, Trakya Univ J Sci, 7(2), (2006), 153-159 [33] Mohd Rafie Johan, Lim May Ting, Structural, Thermal and Electrical Properties of Nano Manganese-Composite Polymer Electrolytes, Int J Electrochem Sci., vol (2011), 4737 – 4748 [34] M Tzolov, U N Tzenov, D Dimova-Malinovska, M Kalitzova, C Pizzuto, G Vitali, G Zollo, I Ivanov,“Vibrational properties and structure of undoped and Al-doped ZnO films deposited by RF magnetron sputtering” Thin Solid Films 379, (2000), 28 - 36 [35] [36] Murday, J S., AMPTIAC Newsletter (2002), Ngo Thu Huong, Nguyen Viet Tuyen, Nguyen Hoa Hong, Materials Chemistry and Physics 126, (2011), 54-57 [37] Pauling, L., The Nature of the Chemical Bond (3rd Edn.), Ithaca, NY: Cornell University Press, (1960) [38] Q.Wan, Appl Phys Lett 89, (2006), 082515 [39] S B Zhang, S H Wei, and A Zunger, Phys Rev B 63, (2001), 075205 63 Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm [40] Sedky, Ayman Al- Sawalha and Amal M Yassin, ”Enhancement of Electrical Conductivity of ZnO Ceramic Varistor by Al doping A.”, Egypt J Solids, Vol 31, No (2), (2008), 205 - 213 [41] Shih-Shou Lo, Dison Huang, Chun Hsiang Tu, Chia-Hung Hou, and ChiiChang Chen, “Raman scattering and band-gap variations of Al-doped ZnO nanoparticles synthesized by a chemical colloid process”, J Phys D: Appl Phys 42 (2009), 095420 [42] Shufen Wang, Zhicheng Zhang, Huarong Liu, Wei Zhang, Zhen Qian, Bibo Wang, Colloid Polym Sci , 288, (2010), 1031–1039 [43] T Dietl, H Ohno, F Matsukura, J Cibert, and D Ferrand, Science 287, (2000),1019 [44] Te-Hua Fang, and Shao-Hui Kang, ”Physical Properties of ZnO:Al Nanorods for Piezoelectric Nanogenerator Application” Current Nanoscience, Vol 6, No 5, (2010), 505 - 511 [45] Ü Özgür, Ya.I.Alivov, C.Liu, A.Teke, M.A.Reshchikov, S.Doan, V.Avrutin, S.-J Cho, H Morkoỗd , J.Appl.Phys 98, (2005), 041301 [46] V Vaithianathan, B T Lee, C H Chang, K Asokan, and S S Kim, Appl Phys Lett 88, (2006),112103 [47] W.-R Liua, W.F Hsieha, C.-H Hsub, K.S Liangb, F.S.-S Chienc, “Influence of the threading dislocations on the electrical properties in epitaxial ZnO thin films”, Journal of Crystal Growth 297, (2006), 294 - 299 [48] Yi-Wei Tseng, Fei-Yi Hung, Truan-Sheng Lui, Yen-Ting Chen, Ren-Syuan Xiao, and Kuan-Jen Chen, ”Research Article Electrical Crystallization Mechanism and 64 Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm Interface Characteristics of Nanowire ZnO/Al Structures Fabricated by the Solution Method”, Journal of Nanomaterials, (2012), trang [49] Z.G Yu, P Wu, H Gong, Physica B 401–402, (2007), 417–420 65 Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm ... nghiên cứu cấu trúc , tính chất quang vật liêụ ZnO pha tapp̣, trình bày kết nghiên cứu tính chất từ vật liêụ ZnO pha tapp̣ Mn v? ?tính chất điện vật liệu ZnO pha tạp Al đƣợc chếtaọ phƣơng pháp gốm... ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  - - ĐÀO SƠN LÂM CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU ZnO PHA TẠP Al VÀ Mn Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60 44 07 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời... tạp chất donor Việc trì ZnO pha tạp loại p khó khăn Vấn đề bắt nguồn từ độ hòa tan thấp chất thêm vào loại p bù đắp chúng tạp chất loại n Khi pha tạp chất thích hợp nhƣ Al, Ga, In,… hay tạp chất