Nghiên cứu ảnh hưởng của một số điều kiện chế tạo lên tính chất quang của bán dẫn vùng cấm rộng

Đ Ạ I H Ọ C Q U Ó C G IA H À N Ộ I T R Ư Ờ N G Đ Ạ I H Ọ C K H O A H Ọ C T ự N H IÊ N Đ Ể T À I: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ ĐIỂU KIỆN CHÊ TẠO LÊN TÍNH CHÂT QUANG CỦA BÁN DẪN VÙNG CẤM RỘNG M Ã SỐ : Q T - 09 -1 C h ủ t r ì đ ề t i: TS PH Ạ M V ÃN BỂN C c c n b ộ t h a m g ia : T h s N g u y ễ n D u y T i ế n , P G S T S H o n g N a m N h ậ t, T S H u ỳ n h Đ ă n e C h ín h , T h s B ù i H n g V â n , C N P h a n T rọ n g T u ệ , C N N g u y ễ n T h ị T h a n h , C N N g u y ễn T h ị H ảo , C N V n g T h a n h H ài Ị OA! H O C a u o c MA NO l TRUNG TÂM ?' Ò N G TIN THƯ VIẼN Ị ' p r / _ „ HÀ N Ô I - 2010 BÁO CÁO TÓM TẮT Đ ẻ tà i: N G H IÊ N C Ứ U Ả N H H Ư Ở N G C Ủ A M Ộ T s ố Đ IỂ U K IỆ N C H Ế T Ạ O L Ê N T ÍN H C H Ấ T Q U A N G C Ủ A B Á N D A N v ù n g c ấ m r ộ n g M ã s ô : Q T - - 17 C h ủ tr ì đ ề tà i: T S P h m V ă n B ể n C c c n b ộ t h a m g ia : - T h s N g u y ễ n D u y T iế n , P G S T S H o n g N a m N h ậ t, T S H u ỳ n h Đ ã n g C h ín h , T h s B ù i H n g V â n , C N P h a n T rọ n g T u ệ , C N N g u y ễ n T h i T h a n h , C N N g u y ễ n T h ị H ả o , C N V n g T h a n h H ủi M ụ c t iê u v n ộ i d u n g n g h iê n u * M ụ c tiê u : N g h iê n c ứ u ả n h h n g c ú a m ộ t s ố d iề u k iệ n c h ế lạ o : n n tí đ ộ c h t p h a tạ p n h iệ t đ ộ ủ , th i g ia n ủ lê n tín h c h t q u a n g c u a b n d ẫ n v ù n g c â m rộ n g * N ộ i d u n g n g h i ê n u : + T h u th ậ p tà i liệ u v ề m ộ t s ố p h n g p h p c h ế tạ o m ẫ u v tín h c h ấ t q u a n g c u a b án d ần v ù n g c ấ m rộ n g + X â y d ự n g tu h ú t p h ụ c vụ c h o c h ế tạ o m ẫ u + K h o sái n h h n g c ủ a m ộ t s ố đ iề u k iệ n c h ế tạ o : n ố n g đ ộ c h t p h a tạ p n h iệ t đ ộ ú th i g ia n ú lê n tín h c h ấ t q u a n g c ủ a b n d ẫ n v ù n g c a m r ộ n a C c k ét q u ả đ t đ ợ c * K ế t q u vê k h o a h c : + T h u th ậ p tà i liệ u m ộ t s ố p h n g p h p c h í lạ o m ẫ u v lín h c h a t q u a n " c u a b n d ẫ n v ù n g c ấ m rộ n g + X â y d ự n g 01 tủ h ú t p h ụ c v ụ c h o c h ế tạ o m ẫ u + C h ế tạ o đ ợ c m ộ t s ố b ộ t p h t q u a n g : Z n S , Z n S : A l- C u , Z n O Z n O :C o + K h ả o s t ả n h h n g c ủ a m ộ t s ố đ iể u k iệ n c h ế tạ o n h n n g đ ộ c liâ l p h a tạ p , n h iệ t đ ộ ủ, th i g ia n ù lê n tín h c h ấ t q u a n g c ủ a b n d ẫ n v ù n g c m rộ n g * K ế t q u ả đ o tạ o Đ ã đ o tạ o đ ợ c : - T h c sĩ - C nhân * C c c ô n g tr in h k h o a h ọ c c ô n g b ố \ B o cá o k h o a h ọc H ội n gh ị V ậ t lý C h ấ t R ắn v K h o a h ọ c V ậ t liệu toàn q u ố c lần th ứ , Đ ã N ắ n g , -1 /1 /2 0 : + Tinh c liấ l quang cùa Z n O :C o ch ế lạ o phương p liá p s o l-g e l Bùi H n g V â n , P h m V ă n B ền , H o n g N am N h ậ t, P h ù n g T h ị H ão + Phơ phát quang ZnS:i).fíis ch ế tạ o phương Ịìlỉáp gom Bùi H n g V â n , P h m V ă n B en , H o n g N am N h ậ t, N g u y ễ n T h ị T h a n h , N g u v ễn T h n h L o n g , P h m V ã n T hưò'ng, Đ ỗ X u ân T iến T ìn li h ìn h sir d ụ n g k in h p h í T ố n g k in h p h í đ ợ c c ấ p : 0 0 ()0 đ + T iề n đ iệ n , n c v x â y d ự n g c s v ậ t c h ấ t : + H ộ i n g h ị, in ấ n b o c o , v ã n p h ò n g p h ẩ m : 0 OOOđ + Thuê m ướn : 14 0 000c! 0 OOOđ + V é m y b ay , p h ò n g n g ủ , c h i p h í n g h iệ p v ụ c h u y ê n m ó n XÁC N H Ậ N C ỦA BCN K H O A V ẬT LÝ : 0 OOOđ CH Ủ TRÌ ĐỂ TÀI T S P h m V ãn B en Ư M n u C K H O A H Ọ C T ự N H IÊ N B R IE F R E P O R T T IT L E : S T U D Y T H E IN F L U E N C E O F S O M E P R E P A R IN G C O N D IT IO N S O N T H E O P T IC A L P R O P E R T Y O F S E M IC O N D U C T O R W IT H W ID E B A N D G A P C o d e : Q T - - 17 C o o r D im a t o r : P h a m V an B en K e y im p le m e n t s : N g u y e n D u y T ie n , H o a n g N a in N h a t , H u y n h D a n g C h in h , B u i H o n g V a n , P h a n T r o n g T u e , N g u y e n T ill T h a n h , P h u n y T ill H a o , V u o n g T h a n h H a i O b j e c t iv e a n d M a t t e r o f th is s tu d y : + S tu d y th e in f l u e n c e o f s o m e p re p a r in g c o n d i tio n s s u c h as: d o p e d c o n te n t, a n n e a llin g te m p e r a t u r e , a n n e a lli n g tim e on th e o p tic a l p ro p e r ly of s e m ic o n d u c to r w ith w id e b a n d g a p + C o lle c tin g r e f e r e n c e s f o r s o m e p r e p a r i n g m e th o d s a n d o p tic a l p r o p e r ty o f s e m ic o n d u c to r w ith w id e b a n d g a p + B u ild in g e x t r a c ti o n h o o d f o r p r e p a r in g s a m p le s + I n v e s tig a tin g th e in f lu e n c e o f s o m e p r e p a r in g c o n d i tio n s s u c h as: d o p e d c o n te n t, a n n e a lli n g te m p e r a tu r e , a n n e a llin g ti m e o n th e o p ti c a l p ro p e r ty o f s e m i c o n d u c t o r w ith w id e b a n d g a p M a in r e s u lts : W e s u c c e e d e d in : - C o ll e c t in g r e f e r e n c e s f o r s o m e p r e p a r in g m e th o d s a n d o p tic a l p r o p e r ty o f s e m i c o n d u c t o r w ith w id e b a n d g a p - B u ild in s 01 e x t r a c ti o n h o o d fo r p re p a r in g s a m p le s - P r e p a r in g s o m e lu m in e s c e n c e p o w d e r: Z n S , Z n S :A l- C u Z n O Z n O :C o - S tu d y th e i n f l u e n c e o f s o m e p re p a r in g c o n d i tio n s s u c h a s : d o p e d c o n te n t, a n n e a llin g te m p e r a t u r e , a n n e a lli n g tim e on th e o p tic a l p ro p e r ty of s e m i c o n d u c t o r w ith w id e b a n d g a p + E d u c a t io n r e s u lt s : m a s t e r th e s e s b a c h e lo r th e s e s P u b lic a t io n s : p a p e rs 011 th e S ix th N a tio n a l C o n f e re n c e o n S o lid P h y s ic s a n d M a te r ia l S c ie n c e D a N a n g , -1 /1 /2 0 : + O p tic a l p r o p e r ty of Z n O C o prepared by s o l-g d m e th o d B u i H o n g V a n , P h a m V a n B en , H o a n g N am N h a t, P h u n g T h i H ao + T he p h o to lu m in e s c e n c e sp e c tra o f ZnS:A liuiiỊ p r e p a r e d h r th e s o lid su ite rea ctio n m e th o d Bui H o n g V a n , P h a m V an B en , H o a n g N am N h a t, N g u y e n T h i T h a n h , N g u y en T h a n h L o n g , P h a m V a n T h u o n g , Đ o X uan T ien M Ụ C LỰC T rang M Ở Đ Ầ U C h n g M Ộ T S Ó P H Ư Ơ N G P H Á P C H É T Ạ O V Ậ T L I Ệ U B Á N D Â N V Ù N G C Á M R Ộ N G .2 1.1 P h n g p h p g ố m 1.2 Phương p h áp sol - g e l .4 1.3 Phương p h áp đ n g k ết t ủ a 1.4 Phương p h áp phún xạ ca tố t C hư n g M Ộ T S Ĩ T ÍN H C H Ấ T Q U A N G C Ủ A V Ậ T L IỆ U B Á N D À N V Ù N G C Á M R Ộ N G 2.1 M ộ t s ố tín h c h ấ t q u a n o c ú a Z n S v Z n S p h a tạ p M n , A l, C u 1 P h ổ h ấ p th ụ c ủ a Z n S v Z n S p h a tạ p M n , A l, C u 2 P h ổ p h t q u a n g c ủ a Z n S v v Z n S p h a tạ p M n A l, C u P h ổ tá n x R a m a n c ủ a Z n S v Z n S p h a tạ p M n , A l, C u 11 2 M ộ t s ố tín h c h ấ t q u a n g c ủ a Z n O v Z n O :C o 13 2 P h ổ h ấ p th ụ c ủ a Z n O v Z n O : C o 13 2 P h ổ p h t q u a n g c ù a Z n O v Z n O : C o 15 2 P h ổ tấ n x R a m a n c ủ a Z n O Z n O : C o 17 T h iế t b ị th ự c n g h i ệ m 18 C h n g 3: K Ế T Q U Ả T H Ự C N G H I Ệ M V À T H Ả O L U Ậ N 19 3.1 X v d ự n g tú hút p h ụ c vụ ch o c h ế tạo m ả u 19 3.2 K h o s t n h h n g c ù a m ộ t sò đ ié u k iện c h ế ta o lèn tin h c liá t q u a n g c u a Z n S : AI - C u 19 3.2.1 C h ế tạo m ẫ u ZnS : AI - C u 19 3.2.2 Ả nh hưởng c ủ a n n g độ C u cấu trúc tín h chất q u an g c ù a ZnS: AI - C u 20 3.2.3 Ả nh hưởng c ủ a n h iệ t đ ộ nung, thời gian nung lẽn phổ phát q u a n g Z nS :A l - C u 24 3.2.4 Kết lu ậ n .27 3 K h ả o sá t ản h h ờn g củ a m ột sô đ iều k iện ch é tạo lên tín h ch át q u a n g cùa Z n O : C o 27 3.3.1 C h ế tạo m ẫ u Z nO : C o .27 3.3.2 Á nh hưởng c ủ a n n g độ C o lên cấu trúc tín h chất q u a n g c ủ a Z nO : C o 28 3.3 Ả nh hưởng c ù a n h iệ t độ nung, thời gian nung lên phổ p h át q u an g Z n O : C o 31 3.4 K ết l u ậ n 32 K Ế T L U Ậ N C H U N G 3 T À I L I Ệ U T H A M K H Ả O P H Ụ L Ụ C MỞ ĐẦU C c v ậ t liệ u b n d ẫ n v ù n g c ấ m rộ n g lo i A 2B \ A 'B nh : Z n S Z n O v.v đ ợ c ứ n g d ụ n g rộ n g rã i tr o n g c c d ụ n ? c ụ q u a n g đ iệ n tử C h ú n g d ù n g đ ể c h é lạo c c đ i ố t p h t q u a n g , q u a n g trở , n h ữ n g c a sổ tro n g s u ố t tro n g v ù n g k h a k ié n h ổ n g n g o i g n [1 - ] T ro n g p h ổ p h t q u a n g c ủ a c c v ật liệ u b n d ẫ n n y từ K đ ế n 0 K , n g o i n h ữ n g v c h đ ặc trư n g c h o tá i h ợ p b ứ c x c ủ a e x c ito n tự d o , e x c ito n liê n k ế t trê n c ấ c d o n o r, a c c e p to r, c c e le c tr o n tự d o từ v ù n g d ẫ n x u ố n g c c m ứ c tạ p c h ấ t, c ò n x u ấ t h iệ n c c đ m rộ n g đ ặ c trư n g c h o tái h ợ p b ứ c x c ủ a c c c ặ p d o n o r - a c c e p to r [5 - 10] K h i p h a c c k im lo i c h u y ể n tiếp n h C u , M n C o , với vò d iệ n tứ 3d c h a lấ p đ ầ y v o c c h ợ p c h ấ t b n d ẫ n v ù n g c ấ m r ộ n g tạ o th n h c c b n d ẫn h án từ C c iôn c ù a c c k im loại (g ọ i c c iô n từ ) tạ o n é n tro n g v ù n g cá m c ủ a c c h ợ p c h ấ t b n d ẫ n n y n h ữ n g m ứ c n ă n g lư ợ n g x c đ ịn h V i th ế tr o n g p h ố p h t q u a n g c ú a c c h ợ p c h ấ t h n d ẫ n v ù n g c ấ m rộ n g c ò n x u ấ t h iệ n n h ữ n a v ạch đ ặ c tr n s c h o tái h ợ p b ứ c x c ủ a cá c p ô la rô n từ liên k ế t, c c đ m p h t q u a n g m u n h : x a n h câ y d a c a m - v n g , đỏ đ c tr n s c h o c c ió n : C i r \ M r r \ C o '* v m ộ t s ố đ m p h t q u a n ? n ằ m v ù n g h ổ n g n g o i g ầ n [11 - 16], V i n h ữ n g tín h c h ấ t q u a n g v n h ữ n g ứ n s d ụ n g q u a n tr ọ n g trẽ n n ê n từ n ă m 9 đ ế n n a y b n d ẫ n b n từ v ù n g c ấ m r ộ n s lo i Z n S , Z n O p h a c c k im lo i c h u y ể n tiế p v i lớ p v ò đ iệ n từ 3d c h a lấ p đ ẩ y đ ã đ ợ c c h ế tạ o vã n e h ié n u m n h m ẽ n c ta trê n t h ế g iớ i N h n s tín h c h ấ t q u a n g c ủ a c h ú n g p h ụ th u ộ c n h iề u v o c c đ iể u k iệ n c h ế tạ o như: p h n g p h p c h ế ta o c h ấ t p h a tạ p n h iệ t đ ộ ủ th i g ia n ủ V ì th ế c h ứ n g tô i đ ã đ ă n a k ý th ự c h iệ n đ ê tà i: N g h ié n u ả n h h n g c ù a m ộ t s ô đ iê u k iệ n c h ê tạ o lê n tín h c h t q u a n g c ủ a b n d ẩ n v n g c ấ m rộ n g C H Ư Ơ N G 1: M Ộ T S Ố P H Ư Ơ N G P H Á P C H É T Ạ O V Ặ T L I Ệ U B Á N D Á N VÙNG CẤM RỘNG 1.1 P h n g p h p gốm Vật liệu g ố m : V ậ t liệu g ố m loại vật liệu có c ấ u trú c tin h thề bao g m hợp chất g iữ a kim loại v p h i kim n h : kim loại vớ i oxi (các o x it), kim loại với n itơ (các nitrua), kim loại với cá cb o n (các ca cb u a), kim loại vớ i silic (các silix u a), kim loại với lưu h u ỳ n h (các su n fu a) L iên k ết ch ủ y ếu tro n g v ật liệu gốm liên kêt ion tu y nhiên cũ n g có trư n g h ợ p liên kết c ộ n g h ó a trị đ ó n g vai trị V ật liệu g ố m có n h iề u đ ặc tín h quý g iá cơ, n hiệt, điện, từ quanơ d o đó n g vai trò q u an trọ n g tro n g h ầu h ết ngành cô n g n g h iệ p [ ] v ề đặc tín h , v ật liệu gốm có độ rắn cao n ê n đ ợ c d ù n g làm v ật liệu m ài, vật liệu g iá đỡ v ề đ ặc tín h n h iệ t, v ật liệu gốm có nhiệt độ n ó n g chày ca o , đặc b iệ t h ệ số giãn nò' nhiệt thấp nên đ ợ c d ù n g làm c c thiết bị địi hỏi có độ bền n hiệt, ch ịu x u n g nh iệt lớn (ló t lò, bọc tàu vũ trụ ) v ề đặc tín h đ iệ n , độ d ẫ n đ iện c ủ a vật liệu g ố m th a y đôi tro n g m ộ t p h ạm vi rộ n g từ d ới 10 Q ^ c m ' đ ến 10' 12 Q ^ c m '1 C ó loại v ật liệu £ốm tro n g p h ần tử dần điện electro n n h k im loại, c ũ n g có loại v ật liệu s ổ m tro n a ion đ ó n s vai trị ph ần từ d ẫn điện D o ch ú n g ta có th ể tổ n s h ợ p nhiều loại v ật liệu gốm khác nh au nh g ố m cách điện, g ố m b n d ẫn điện, gốm siêu d ẫn điện Đ ặc tín h từ c ủ a v ật liệu g ố m đ a dạng T a có th ể tồ n g h ợ p đư ợc gố m n ghịch từ, g ố m th u ậ n từ , g ố m từ vớ i độ từ cảm ứ n a th a y đổi từ đ ến 10 phụ th u ộ c đ a d ạn g v n h iệ t độ c ù n g n h từ trư n g ngồi v ề đặc tín h q u an g , ta có th ể tổ n a h ợ p đ ợ c loại v ật liệu có tính ch ất q u an g học k hác n h a u n h v ậ t liệu p h át q u a n a dư ới tác d ụ n s c ủ a d ò n s đ iện (ch ất điện p h át q u an g ), v ậ t liệu p h t q u a n g d i tá c d ụ n g cù a ánh s n a (c h ấ t lân q u a n s ) h oặc loại eố m s d ụ n a tr o n s th iế t bị ph át tia laze T ín h ch ấ t c ủ a v ật liệu eố m k h ô n g chì phụ th u ộ c vào thành p h ần h ó a học (độ n g u y ên ch ấ t, lư ợ n g v loại tạ p ch ấ t có tro n a đ ó ) m phụ th u ộ c k h n h iề u vào trạ n a thái cấu trúc c ù a P h n g p h p g ố m : P h n g p h áp g ố m p h n g p h áp th ự c p h ản ứ n g g iữ a p h a rắn n h iệ t đ ộ cao C sở củ a p h n g p h p n ày tro n g m ôi trư n g chi có khí n itơ h o ặc k h í arg o n dư ới tác d ụ n g c ủ a n h iệ t độ cao c ủ a ngu y ên từ tạp chất th a y th ế v c h ỗ c ù a n g u y ên tử c h ín h h oặc n ằm lơ lừ n g g iừ a n ú t m n tinh th ể, th ế m x u n g qu an h c c ng u y ên tử tạp ch ấ t m n g tin h th ể bị biến d ạn a [ ] Q u y trình ch ế tạ o cá c b ộ t p h át q u a n g b ằn g p h n g p h áp gốm đư ợc d ần hìn h 1.1 N ó g m c c b c sau đây: H ìn h ỉ ỉ : Q u y trìn h c h ế tạ o b ộ t p h t q u a n g b ằ n g p h n g p h p g om B c l \ C h u ẩ n bị p h ố i liệu: chất n ền, chất cần p h a tạp, xác địn h thành phần, đ ộ tin h k h iế t c ủ a m ẫu T ín h to n khối lư ợ n g chất cần p h a tạp ch o đ ạt ti lệ h ợ p th ứ c c ủ a sản ph ẩm m o n g m uốn B c 2: N g h iề n m ịn n g u y ên liệu để tă n g d iện tích tiếp x ú c g iữ a ch ất p h án ứ n g đ n g th i k h u ế c h tá n đ n g đ ề u ch ấ t vào tro n a h ỗ n h ợ p N ế u lư ợ n g phối liệu chi d ới 20 g a m có th ể n g h iề n m ịn tro n g cối m ã n ão V ì rằ n a cối c h y b n e m ă não có đ ộ c ứ n s cao , đ ặc b iệ t p h ẳn g n ên tro n g q u trìn h n e h iể n k h ô n g đ a tạp ch ấ t vào cũ n g k h ô n g để d ín h p h ố i liệu lại tro n g khe rãn h c ủ a cối làm sai lệch tý lệ ch ất tro n g p h ả n ứ ng K h i n g h iề n c ó th ể đ a vào m ộ t lư ợ n a d u n a m ôi cho dễ nơhiên C h ọ n loại d u n g m ô i n để tro n g q u trình n a h iề n dễ th o t khỏi phối liệu í có thề d ù n g rư ợ u ety lic , ax eton )B irớ c 3: E p viên, c ô n s đ o ạn nàv nh ăm tă n m ứ c độ tiẻp xúc 2ÍCra ch ât p h an ứng K ích th c v độ d ày c ủ a viên m ẫu tùy th u ộ c vào k h u ô n v độ dần n h iệ t cù a phối liệu Á p lực n én tù y th e o điều kiện đạt tới vài tấn.'cm T hự c nsiav d ù n a th iết bị n én tớ i h n g trã m tấ n tro n g viên phối liệu c ù n a có ch ứ a k h o ả n a % thề tích lồ x ố p v m ao q uàn Đ ê thu đ ợ c p h ổ i liệu có độ x ố p thấp cần p h sư d ụ n a H Ộ I N G H Ị V Ậ T LÝ C H Á T R A N VÀ K H O A H Ọ C VẬT LÍỆU TO À N Q L Ĩ C LÀ N T H Ủ 'Ỗ (SP M S -2009) Đ N ầ n g 8-10/1 1/2009 (CODE: B-046) T ÍN H C H Á T Q U A N G C Ủ A Z n O :C o C H Ê T Ạ O BANG P H Ư Ơ N G P H Á P S O L -G E L OPTICAL PROPERTY OF ZnO:Co PREPARED BY SOL-GEL METHOD Bui H n g V â n , P h m V ăn B en, H oàng Nam N h ậ t, P h ù n g T h ị H ão Khua Vật lý, Trưởng Đ ại học Khoa học Tự nhiẻn, Đ học Quoc gia Hà Nội E-mail: b uihongvanQhus edu T ó m tắ t : C ác bột phát quang Z nO :C ox (0