Nghiên cứu chế tạo màng dẫn điện và trong suốt dùng cho bộ vi phản ứng sinh học (bilological microreactor)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐOÀN ĐỨC CHÁNH TÍN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG DẪN ĐIỆN VÀ TRONG SUỐT DÙNG CHO BỘ VI PHẢN ỨNG SINH HỌC (BIOLOGICAL MICROREACTOR) Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU KIM LOẠI Mã số ngành : 60.52.91 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2005 ii CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Đặng Mậu Chiến (Họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: GS TS Lê khắc Bình (Chủ nhiệm Bộ môn Khoa Học Vật Liệu – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – ĐHQG TP Hồ Chí Minh) (Họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: PGS TS Trần Tuấn (Giám Đốc Trung Tâm Khoa Học Vật Liệu – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – ĐHQG TP Hồ Chí Minh) (Họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 30 tháng 09 năm 2005 iii TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH TP HCM, ngày 30 tháng năm 2005 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: ĐOÀN ĐỨC CHÁNH TÍN Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/12/1979 Nơi sinh: TP HCM Chuyên ngành: Công Nghệ Vật Liệu Kim Loại MSHV: 00303065 I - TÊN ĐỀ TÀI Nghiên cứu chế tạo màng dẫn điện suốt dùng cho vi phản ứng sinh học (biological microreactor) II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 1) Nhiệm vụ Nghiên cứu chế tạo màng dẫn điện suốt làm vật liệu Indium Tin Oxide (ITO) đế thuỷ tinh phương pháp phún xạ magnetron DC, dùng vi phản ứng sinh học biochip Màng ITO chế tạo phải đáp ứng yêu cầu ứng dụng công nghệ sinh học, nghóa phải thoả mãn năm yêu cầu sau: Có thể chế tạo dễ dàng, Có khả bám dính tốt vào đế, Có thể toả nhiệt nung nóng, tạo điều kiện cho phản ứng hoá sinh xảy ra, iv Có khả truyền quang để quan sát phản ứng xảy kính hiển vi sinh học, Có khả chống ăn mòn hoá học 2) Nội dung nghiên cứu ♦ Nghiên cứu lý thuyết: ƒ Nghiên cứu lý thuyết đặc điểm cấu trúc tính chất màng dẫn điện suốt ITO ƒ Nghiên cứu công nghệ chế tạo màng mỏng ITO, ảnh hưởng thông số công nghệ (áp suất, công suất, nhiệt độ đế, …) đến cấu trúc tính chất màng ♦ Nghiên cứu thực nghiệm: ƒ Chế tạo màng ITO với nhiệt độ đế chiều dày màng khác ƒ Đánh giá cấu trúc tính chất quang điện màng chế tạo ƒ Khảo sát mối tương quan thông số công nghệ tính chất màng thông qua kết nhận ƒ Đánh giá độ dính bám, khả toả nhiệt khả chống ăn mòn hoá học màng ITO chế tạo ƒ Lựa chọn chế độ công nghệ phù hợp chế tạo màng thoả mãn yêu cầu đề (các màng chế tạo có tính chất đáp ứng yêu cầu ứng dụng công nghệ sinh học) III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực LV ghi Quyết định giao đề tài): 17/01/2005 IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/6/2005 v V - CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ, tên): TS Đặng Mậu Chiến CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH TS Đặng Mậu Chiến TS Nguyễn Ngọc Hà TS Nguyễn Ngọc Hà (Học hàm học vị, họ tên chữ ký) Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng chuyên ngành thông qua Ngày tháng năm 2005 TRƯỞNG PHÒNG ĐT - SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH vi LỜI CÁM ƠN Quá trình học tập trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh giúp tiếp thu tích luỹ kiến thức q giá, tiền đề giúp cho hoàn thành luận văn thạc só hành trang giúp vững vàng hơn, tự tin công việc nghiên cứu sau Xin kính gửi lòng biết ơn chân thành đến tất q thầy cô khoa Công Nghệ Vật Liệu tạo điều kiện tốt cho học tập nghiên cứu, đặc biệt TS Đặng Mậu Chiến, tận tình bảo hướng dẫn suốt trình thực Luận văn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn người hỗ trợ trình thực Luận văn Xin trân trọng cảm ơn Th.S Trần Cao Vinh tập thể cán Phòng thí nghiệm kỹ thuật cao trường Đại học Khoa học Tự nhiên hỗ trợ thực tráng phủ màng đo điện trở; Th.S Trần Quang Trung - Phòng thí nghiệm Vật liệu kỹ thuật cao giúp đo độ truyền qua màng; anh Chương – Viện Dầu khí Việt Nam hỗ trợ chụp nhiễu xạ tia X Sau cùng, xin cảm ơn gia đình, bạn bè quan tâm, động viên hỗ trợ suốt năm qua Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2005 Học viên thực Đoàn Đức Chánh Tín vii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG DẪN ĐIỆN VÀ TRONG SUỐT DÙNG CHO BỘ VI PHẢN ỨNG SINH HỌC (BIOLOGICAL MICROREACTOR) Đề tài thực với mục đích nghiên cứu chế tạo màng dẫn điện suốt ITO dùng vi phản ứng sinh học biochip với đặc tính thoả mãn yêu cầu ứng dụng công nghệ sinh học: chế tạo dễ dàng, có khả bám dính tốt vào đế, toả nhiệt nung nóng đến nhiệt độ 900C, tạo điều kiện cho phản ứng hoá sinh xảy ra, có độ truyền quang cao (trên 80%) để quan sát phản ứng xảy kính hiển vi sinh học có khả chống ăn mòn hoá học hoá chất sử dụng vi phản ứng Đề tài thực nội dung sau: + Chế tạo mẫu tráng phủ màng ITO phương pháp phún xạ magnetron phẳng DC với nhiệt độ đế chiều dày màng khác + Phân tích cấu trúc đánh giá tính chất quang điện màng ITO chế tạo + Khảo sát mối tương quan hai thông số công nghệ nhiệt độ đế chiều dày màng tính chất màng thông qua kết nhận + Đánh giá độ bám dính màng đế, kiểm tra khả toả nhiệt độ bền ăn mòn hoá học màng ITO chế tạo Đây điểm Luận văn so với công trình nghiên cứu khác + Từ kết đánh giá tính chất màng ITO chế tạo, lựa chọn chế độ công nghệ phù hợp để chế tạo màng thoả mãn yêu cầu ứng dụng công nghệ sinh học viii ABSTRACT STUDY ON FABRICATION OF THE TRANSPARENT CONDUCTING THIN FILM FOR BIOLOGICAL MICROREACTOR The purpose of this thesis is study on fabrication of the transparent conducting indium tin oxide (ITO) thin film deposited on glass substrates by magnetron DC sputtering for biological microreactor Fabricated ITO thin films must satisfy the application requirements of biological technology: easily fabricated; good adhesion to substrates; heated due to resistance to 900C, creating good conditions for biochemical reactions to occur; good optical transmission (over 80%), and chemical inertia This is the new application of transparent conducting oxide ITO serving for biological technology The thesis has carried out these following contents: + Fabricating ITO thin films by DC - planar magnetron sputtering with different substrate temperatures and film thicknesses + Characterization the structure and properties of fabricated ITO thin films + Investigating the correlation between two process parameters (substrate temperature and film thickness) and the properties of fabricated thin film through received results + Testing the ability of adhesion to substrate, heating and chemical resistance of fabricated thin film These are the new features of this thesis + From the results of characterization the structure and properties of fabricated ITO thin films, choose suitable process conditions to fabricate ITO thin films satisfying specified requirements of biological technology Trang MUÏC LUÏC MUÏC LUÏC .1 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT VÀ CÁC ỨNG DỤNG 1.1 Màng mỏng dẫn điện suốt 1.1.1 Các tính chất độc đáo màng dẫn điện suốt 1.1.2 Các loại vật liệu chế tạo màng mỏng dẫn điện suốt .8 1.1.3 Chế tạo lớp phủ màng mỏng Indium Tin Oxide (ITO) 1.1.4 Các ứng dụng ITO .12 1.2 1.1.4.1 Màn hình phẳng .13 1.1.4.2 Pin maët trời 15 1.1.4.3 Màng chắn điện từ 16 1.1.4.4 Kính chức 17 Vi chip vi phản ứng dùng nghiên cứu hoá sinh .18 1.2.1 Vi chip (microchip) – Chip sinh học (biochip) .18 1.2.2 Bộ vi phản ứng (microreactor) 22 1.2.2.1 Bộ vi phản ứng dùng hoá học .22 1.2.2.2 Bộ vi phản ứng cấp nhiệt nung nóng (Joule-Heating Microreactor) dùng sinh học 24 1.3 Tình hình nghiên cứu màng dẫn điện suốt nước .25 1.4 Tình hình nghiên cứu giới 26 1.5 Mục đích nội dung nghiên cứu, ý nghóa khoa học khả ứng dụng thực tế đề tài .28 1.5.1 Mục đích phạm vi nghiên cứu đề tài 28 1.5.2 Các nội dung nghiên cứu 29 Luận Văn Thạc Só HV: Đoàn Đức Chánh Tín Trang 1.5.3 Hướng phát triển đề tài .30 1.5.4 Ý nghóa khoa học khả ứng dụng thực tế đề tài 30 CHƯƠNG : NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÀNG MỎNG ITO 33 2.1 Đặc điểm cấu trúc tính chất màng dẫn điện suốt ITO33 2.2 Các phương pháp chế tạo màng ITO 37 2.2.1 Phương pháp phún xạ (Sputtering) 38 2.2.2 Phương pháp bốc bay nhiệt (Thermal Evaporation) .44 2.2.3 Phương pháp tráng phủ màng xung laser (Pulsed Laser Deposition – PLD) 45 2.2.4 Kỹ thuật nhiệt phân phun (Spray Pyrolysis) 46 2.2.5 Kỹ thuật in phim (Screen Printing) 47 2.3 AÛnh hưởng thông số công nghệ đến tính chất màng 48 2.3.1 Ảnh hưởng áp suất tổng 48 2.3.2 AÛnh hưởng áp suất riêng phần ôxy 49 2.3.3 Ảnh hưởng công suất 50 2.3.4 AÛnh hưởng điện áp 50 2.3.5 Ảnh hưởng tốc độ tráng phủ 50 2.3.6 Ảnh hưởng trình tiền xử lý bia 51 2.3.7 Ảnh hưởng bề dày maøng 51 2.3.8 Ảnh hưởng khoảng cách từ bia đến đế 52 2.3.9 Ảnh hưởng nhiệt độ ñeá 52 2.4 Các phương pháp đánh giá cấu trúc tính chất màng mỏng dẫn điện suốt ITO 55 2.4.1 Phương pháp xác định cấu trúc màng 55 2.4.2 Phương pháp đánh giá tính chất quang màng 58 2.4.3 Phương pháp đo đặc tính điện màng ITO 60 2.4.4 Phương pháp đánh giá độ bền bám màng .63 Luận Văn Thạc Só HV: Đoàn Đức Chánh Tín Trang 110 23 S ASHOK ET AL., “Spray-Deposited ITO-Silicon SIS Heterojunction Solar Cells”, IEEE Transactions on Electron Devices, ED-27(4), 1980 24 H HAITJEMA, J J PH ELICH, “Physical Properties of Pyrolitically Sprayed Tin-Doped Indium Oxide Coatings”, Thin Solid Films, 205, 1991 25 MARC BURGELMAN, “Thin film solar cells by screen printing technology”, Proceedings of the Workshop Microtechnology and Thermal Problems in Electronics; Technical University of Lodz., 1998 26 M BUCHANAN, J B WEBB, D F WILLIAMS, “The Influence of Target Oxidation and Growth Related Effects on the Electrical Properties of Reactively Sputtered Films of Tin-Doped Indium Oxide”, Thin Solid Films, 80, 1981 27 J C C FAN, F J BACHNER, G H FOLEY, “Effect of Oxygen Partial Pressure During Deposition on Properties of r.f Sputtered Sn-Doped In2O3 Films”, Applied Physics Letters, 31(11), 1977 28 M JUST, N MAINTZER, I BLECH, “Stress in Transparent Conductive SnDoped Indium Oxide Thin Films”, Thin Solid Films, 48, 1978 29 C V R V KUMAR, A MANSINGH, “Effect of Target-Substrate Distance on the Growth and Properties of r.f Sputtered Indium Tin Oxide Films”, Journal of Applied Physics, 65(3), 1989 30 www.cerac.com 31 TRẦN ĐỊNH TƯỜNG, “Màng mỏng quang học”, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội, 2004 32 www-outreach.phy.cam.ac.uk/camphy/xraydiffraction Luận Văn Thạc Só HV: Đoàn Đức Chánh Tín Trang 111 33 PHẠM NGỌC NGUYÊN, “Giáo trình kỹ thuật phân tích vật lý”, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội, 2005 34 PHÙNG HỒ, PHAN QUỐC PHÔ, “Giáo trình vật lý bán dẫn”, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội, 2001 35 S WOLF, R N TAUBER, “Silicon Processing for the VLSI Era: Vol – Process Technology”, Lattice Press, California, 1986 36 TRẦN MINH HOÀNG, “Kiểm tra đo đạc mạ điện”, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội, 2005 37 M GEBINOGA ET AL., “Biochemical Synthesis in Microstructured Silicon Wafer”, Z Phys Chem 216, Oldenbourg Wissenschaftsverlag, Munchen, 2002 38 www.epigem.co.uk 39 JOYDEEP DUTTA, SWATI RAY, “Variations in structural and electrical properties of magnetron – sputtered indium tin oxide films with deposition parameters”, Thin Solid Films, Electronics and Optics, 1988 40 M HOFER ET AL., “New DC sputter sources for the large scale deposition of oxide films”, Society of Vacuum Coaters 505/856-7188 1, 43rd Annual Technical Conference Proceedings – Denver, 2000 41 A GUITTOUM, L KERKACHE, A LAYADI, “Effect of thickness on the physical properties of ITO thin films”, The European Physical Journal – Applied Physics 7, 1999 42 www.azom.com Luận Văn Thạc Só HV: Đoàn Đức Chánh Tín Trang 112 PHỤ LỤC KẾT QUẢ CHỤP NHIỄU XẠ TIA X CỦA CÁC MẪU STE VÀ STH Luận Văn Thạc Só HV: Đoàn Đức Chánh Tín LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: ĐOÀN ĐỨC CHÁNH TÍN Ngày, tháng, năm sinh: 12/12/1979 Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh Địa liên lạc: 333/11/22 LÝ THÁI TỔ, P9, Q10, TP HCM I - QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO (Bắt đầu từ Đại học đến nay) ♦ Từ 09/1997 đến 01/2003: học đại học (chính quy dài hạn) trường Đại học Bách Khoa TP HCM + Ngành học: Vật liệu khí + Xếp hạng tốt nghiệp: Giỏi ♦ Từ 09/1997 đến 04/2002: học đại học (tại chức) trường Đại học Khoa Học Xã Hội Nhân Văn TP HCM + Ngành học: Ngữ văn Anh + Xếp hạng tốt nghiệp: Khá ♦ Từ 09/2003 đến nay: học cao học ngành Công Nghệ Vật Liệu Kim Loại trường Đại học Bách Khoa TP HCM II - QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC (Bắt đầu từ làm đến nay) ♦ Từ 05/2003 đến 05/2005: cán giảng dạy hợp đồng Khoa Công Nghệ Vật Liệu trường Đại học Bách Khoa TP HCM ♦ Từ 07/2004 đến nay: tham gia thực tiểu Dự án “Nâng cao chất lượng đào tạo lực nghiên cứu khoa học công nghệ vật liệu – Nano” Đại Học Quốc Gia TP HCM ♦ Từ 06/2005 đến nay: cán Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano - Đại Học Quốc Gia TP HCM ... 17 Vi chip vi phản ứng dùng nghiên cứu hoá sinh .18 1.2.1 Vi chip (microchip) – Chip sinh hoïc (biochip) .18 1.2.2 Bộ vi phản ứng (microreactor) 22 1.2.2.1 Bộ vi phản ứng dùng hoá học. .. PHẢN ỨNG SINH HỌC (BIOLOGICAL MICROREACTOR) Đề tài thực với mục đích nghiên cứu chế tạo màng dẫn điện suốt ITO dùng vi phản ứng sinh học biochip với đặc tính thoả mãn yêu cầu ứng dụng công nghệ sinh. .. VỀ MÀNG MỎNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT VÀ CÁC ỨNG DUÏNG 1.1 Màng mỏng dẫn điện suốt 1.1.1 Caùc tính chất độc đáo màng dẫn điện suốt 1.1.2 Các loại vật liệu chế tạo màng mỏng dẫn điện