Luận án tiến sĩ chế tạo, nghiên cứu tính chất của màng mỏng, cấu trúc nano trên cơ sở zno pha tạp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN …  … Nguyễn Việt Tuyên CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MÀNG MỎNG, CẤU TRÚC NANO TRÊN CƠ SỞ ZnO PHA TẠP VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN …  … Nguyễn Việt Tuyên CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MÀNG MỎNG, CẤU TRÚC NANO TRÊN CƠ SỞ ZnO PHA TẠP VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ CHẤT RẮN MÃ SỐ: 62.44.07.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TẠ ĐÌNH CẢNH PGS TS NGÔ THU HƯƠNG Hà Nội – 2011 MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT V MỞ ĐẦU Chương Tổng quan vật liệu bán dẫn ZnO 1.1 Tính chất ZnO cấu trúc nano 1.1.1 Cấu trúc tinh thể ZnO 1.1.2 So sánh tính chất vật lý cấu trúc nano ZnO với ZnO dạng khối 1.1.2.1 Tính chất học 1.1.2.2 Tính chất điện 10 1.1.2.3 Tính chất quang 13 1.1.2.4 Pha tạp ion từ tính 17 1.1.2.5 Tính chất nhận biết chất hóa học 21 1.2 Tình hình nghiên cứu vật liệu ZnO hướng nghiên cứu cịn có khả phát triển 24 1.2.1 Tình hình nghiên cứu vật liệu ZnO giới nước 24 1.2.2 Những hướng nghiên cứu cịn có khả phát triển 24 1.2.2.1 Vật liệu ZnO pha tạp loại n loại p 25 1.2.2.2 Chế tạo khảo sát tính chất cấu trúc nano ZnO 27 Kết luận chương 29 Chương Một số phương pháp chế tạo màng, vật liệu nano ZnO kỹ thuật thực nghiệm 30 2.1 Các phương pháp chế tạo mẫu 30 2.1.1 Phương pháp phún xạ r.f magnetron 30 2.1.2 Phương pháp bốc bay nhiệt đơn giản có sử dụng khí mang 33 2.1.3 Phương pháp vi sóng 37 2.1.3.1 Giới thiê ̣u chung 37 2.1.3.2 Cơ sở phương pháp vi sóng 39 2.2 Một số phương pháp khảo sát tính chất vật liệu ZnO 40 2.2.1 Nghiên cứu cấu trúc phương pháp nhiễu xạ tia X 40 2.2.2 Hiển vi điện tử 41 2.2.2.1 Kính hiển vi điện tử truyền qua truyền qua phân giải cao 42 2.2.2.2 Kính hiển vi điện tử quét 44 2.2.2.3 Nhiễu xạ điện tử diện tích chọn lọc 45 2.2.2.4 Phổ tán sắc lượng 46 2.2.3 Từ kế mẫu rung (VSM) 47 I 2.2.4 Hệ đo hiệu ứng Hall 48 2.2.5 Hệ đo phổ hấp thụ truyền qua 52 2.2.6 Hệ đo phổ huỳnh quang 54 Kết luận chương 55 Chương Chế tạo màng mỏng ZnO pha tạp chất phương pháp phún xạ r.f magnetron tính chất chúng 56 3.1 Chế tạo màng mỏng ZnO pha tạp chất Indi (In) 56 3.1.1 Chế tạo mẫu 56 3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đế tới cấu trúc, tính chất điện quang màng ZnO:In 57 3.1.2.1 Tính chất cấu trúc 57 3.1.2.2 Hình thái học màng 58 3.1.2.3 Tính chất điện 59 3.1.2.4 Tính chất quang 60 3.2 Chế tạo màng mỏng ZnO pha tạp chất Phốtpho (P) 62 3.2.1 Chế tạo mẫu 62 3.2.2 Tính chất cấu trúc tính chất điện màng mỏng ZnO pha tạp chất Phốtpho 63 3.3 Màng ZnO pha tạp Phốtpho (P) chế tạo môi trường khí Nitơ (N 2) 64 3.3.1 Chế tạo mẫu 64 3.3.2 Tính chất cấu trúc tính chất điện màng mỏng ZnO pha tạp chất Phốtpho chế tạo mơi trường khí Nitơ 65 Kết luận chương 68 Chương Chế tạo số cấu trúc nano ZnO ZnO pha tạp chất tính chất chúng 69 4.1 Chế tạo hạt nano ZnO ZnO pha tạp chất phương pháp vi sóng 69 4.1.1 Chế tạo mẫu 69 4.1.1.1 Quá trình chuẩn bị 69 4.1.1.2 Tạo hạt nano phương pháp vi sóng 70 4.1.2 Ảnh hưởng số điều kiện cơng nghệ đến hình dạng cấu trúc ̣t nano ZnO 72 4.1.2.1 Ảnh hưởng dung mơi lên tính chất cấu trúc hạt nano 72 4.1.2.2 Ảnh hưởng chất hoạt hóa bề mặt lên hình dạng cấu trúc hạt nano ZnO chế tạo phương pháp vi sóng 76 4.1.2.3 Ảnh hưởng tỉ lệ PVP lên hình dạng kích thước cấu trúc nano ZnO pha tạp Ni 80 4.1.3 Một số tính chất hạt nano ZnO ZnO pha tạp 85 4.1.3.1 Phổ EDS 85 4.1.3.2 Nhiễu xạ tia X 86 II 4.1.3.3 Tính chất huỳnh quang 87 4.1.3.4 Tính chất từ hạt nano ZnO pha tạp kim loại chuyển tiếp 89 4.2 Chế tạo dây, nano ZnO phương pháp bốc bay nhiệt đơn giản 93 4.2.1 Chế tạo mẫu 93 4.2.2 Ảnh hưởng chế độ cơng nghệ lên hình thái kích thước dây nano ZnO 94 4.2.2.1 Ảnh hưởng độ dày màng vàng xúc tác 95 4.2.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đế 96 4.2.3 Tính chất cấu trúc, tính chất huỳnh quang dây, nano ZnO 98 4.3 Chế tạo mẫu đĩa nano ZnO pha tạp In 100 4.3.1 Ảnh hưởng chế độ công nghệ đến hình thái, kích thước cấu trúc nano ZnO pha tạp In 101 4.3.1.1 Ảnh hưởng hàm lượng In bột nguồn 101 4.3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đế 102 4.3.1.3 Cơ chế giải thích hình thành số cấu trúc nano chế tạo 106 4.3.2 Tính chất cấu trúc tính chất huỳnh quang đĩa nano ZnO:In 110 Kết luận chương 117 Chương Một vài khả ứng dụng màng mỏng vật liệu cấu trúc nano sở ZnO 119 5.1 Sử dụng màng mỏng ZnO để chế tạo cảm biến nhạy ánh sáng tử ngoại 119 5.1.1 Chế tạo màng mỏng ZnO cấu trúc Al/ZnO/Al 119 5.1.2 Khảo sát tính chất cấu trúc, tính chất quang màng mỏng ZnO cấu trúc Al/ZnO/Al 119 5.2 Sử dụng lớp chuyển tiếp dị thể n-ZnO:In/p-Si để chế tạo thiết bị tự động đóng ngắt quang điện 122 5.2.1 Chế tạo màng mỏng ZnO:In cấu trúc n-ZnO:In/p-Si 122 5.2.2 Khảo sát tính chất quang, huỳnh quang màng mỏng ZnO:In cấu trúc n-ZnO:In/p-Si 124 5.2.3 Chế tạo thiết bị đóng ngắt quang điện 125 5.3 Sử dụng dây nano ZnO để chế tạo sensor nhạy độ ẩm 127 5.3.1 Chế tạo cấu trúc Pt/nano ZnO/Pt 127 5.3.2 Khảo sát tính chất nhạy độ ẩm cấu trúc Pt/nano ZnO/Pt 128 5.3.3 Cơ chế nhạy ẩm vật liệu nano ZnO 131 Kết luận chương 134 Kết luận 135 III DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 137 Tài liệu tham khảo 139 IV MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT V MỞ ĐẦU Chương Tổng quan vật liệu bán dẫn ZnO 1.1 Tính chất ZnO cấu trúc nano 1.1.1 Cấu trúc tinh thể ZnO 1.1.2 So sánh tính chất vật lý cấu trúc nano ZnO với ZnO dạng khối 1.1.2.1 Tính chất học 1.1.2.2 Tính chất điện 10 1.1.2.3 Tính chất quang 13 1.1.2.4 Pha tạp ion từ tính 17 1.1.2.5 Tính chất nhận biết chất hóa học 21 1.2 Tình hình nghiên cứu vật liệu ZnO hướng nghiên cứu cịn có khả phát triển 24 1.2.1 Tình hình nghiên cứu vật liệu ZnO giới nước 24 1.2.2 Những hướng nghiên cứu cịn có khả phát triển 24 1.2.2.1 Vật liệu ZnO pha tạp loại n loại p 25 1.2.2.2 Chế tạo khảo sát tính chất cấu trúc nano ZnO 27 Kết luận chương 29 Chương Một số phương pháp chế tạo màng, vật liệu nano ZnO kỹ thuật thực nghiệm 30 2.1 Các phương pháp chế tạo mẫu 30 2.1.1 Phương pháp phún xạ r.f magnetron 30 2.1.2 Phương pháp bốc bay nhiệt đơn giản có sử dụng khí mang 33 2.1.3 Phương pháp vi sóng 37 2.1.3.1 Giới thiê ̣u chung 37 2.1.3.2 Cơ sở phương pháp vi sóng 39 2.2 Một số phương pháp khảo sát tính chất vật liệu ZnO 40 2.2.1 Nghiên cứu cấu trúc phương pháp nhiễu xạ tia X 40 2.2.2 Hiển vi điện tử 41 2.2.2.1 Kính hiển vi điện tử truyền qua truyền qua phân giải cao 42 2.2.2.2 Kính hiển vi điện tử quét 44 2.2.2.3 Nhiễu xạ điện tử diện tích chọn lọc 45 2.2.2.4 Phổ tán sắc lượng 46 2.2.3 Từ kế mẫu rung (VSM) 47 I 2.2.4 Hệ đo hiệu ứng Hall 48 2.2.5 Hệ đo phổ hấp thụ truyền qua 52 2.2.6 Hệ đo phổ huỳnh quang 54 Kết luận chương 55 Chương Chế tạo màng mỏng ZnO pha tạp chất phương pháp phún xạ r.f magnetron tính chất chúng 56 3.1 Chế tạo màng mỏng ZnO pha tạp chất Indi (In) 56 3.1.1 Chế tạo mẫu 56 3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đế tới cấu trúc, tính chất điện quang màng ZnO:In 57 3.1.2.1 Tính chất cấu trúc 57 3.1.2.2 Hình thái học màng 58 3.1.2.3 Tính chất điện 59 3.1.2.4 Tính chất quang 60 3.2 Chế tạo màng mỏng ZnO pha tạp chất Phốtpho (P) 62 3.2.1 Chế tạo mẫu 62 3.2.2 Tính chất cấu trúc tính chất điện màng mỏng ZnO pha tạp chất Phốtpho 63 3.3 Màng ZnO pha tạp Phốtpho (P) chế tạo mơi trường khí Nitơ (N 2) 64 3.3.1 Chế tạo mẫu 64 3.3.2 Tính chất cấu trúc tính chất điện màng mỏng ZnO pha tạp chất Phốtpho chế tạo mơi trường khí Nitơ 65 Kết luận chương 68 Chương Chế tạo số cấu trúc nano ZnO ZnO pha tạp chất tính chất chúng 69 4.1 Chế tạo hạt nano ZnO ZnO pha tạp chất phương pháp vi sóng 69 4.1.1 Chế tạo mẫu 69 4.1.1.1 Quá trình chuẩn bị 69 4.1.1.2 Tạo hạt nano phương pháp vi sóng 70 4.1.2 Ảnh hưởng số điều kiện công nghệ đến hình dạng cấu trúc ̣t nano ZnO 72 4.1.2.1 Ảnh hưởng dung môi lên tính chất cấu trúc hạt nano 72 4.1.2.2 Ảnh hưởng chất hoạt hóa bề mặt lên hình dạng cấu trúc hạt nano ZnO chế tạo phương pháp vi sóng 76 4.1.2.3 Ảnh hưởng tỉ lệ PVP lên hình dạng kích thước cấu trúc nano ZnO pha tạp Ni 80 4.1.3 Một số tính chất hạt nano ZnO ZnO pha tạp 85 4.1.3.1 Phổ EDS 85 4.1.3.2 Nhiễu xạ tia X 86 II 4.1.3.3 Tính chất huỳnh quang 87 4.1.3.4 Tính chất từ hạt nano ZnO pha tạp kim loại chuyển tiếp 89 4.2 Chế tạo dây, nano ZnO phương pháp bốc bay nhiệt đơn giản 93 4.2.1 Chế tạo mẫu 93 4.2.2 Ảnh hưởng chế độ cơng nghệ lên hình thái kích thước dây nano ZnO 94 4.2.2.1 Ảnh hưởng độ dày màng vàng xúc tác 95 4.2.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đế 96 4.2.3 Tính chất cấu trúc, tính chất huỳnh quang dây, nano ZnO 98 4.3 Chế tạo mẫu đĩa nano ZnO pha tạp In 100 4.3.1 Ảnh hưởng chế độ cơng nghệ đến hình thái, kích thước cấu trúc nano ZnO pha tạp In 101 4.3.1.1 Ảnh hưởng hàm lượng In bột nguồn 101 4.3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đế 102 4.3.1.3 Cơ chế giải thích hình thành số cấu trúc nano chế tạo 106 4.3.2 Tính chất cấu trúc tính chất huỳnh quang đĩa nano ZnO:In 110 Kết luận chương 117 Chương Một vài khả ứng dụng màng mỏng vật liệu cấu trúc nano sở ZnO 119 5.1 Sử dụng màng mỏng ZnO để chế tạo cảm biến nhạy ánh sáng tử ngoại 119 5.1.1 Chế tạo màng mỏng ZnO cấu trúc Al/ZnO/Al 119 5.1.2 Khảo sát tính chất cấu trúc, tính chất quang màng mỏng ZnO cấu trúc Al/ZnO/Al 119 5.2 Sử dụng lớp chuyển tiếp dị thể n-ZnO:In/p-Si để chế tạo thiết bị tự động đóng ngắt quang điện 122 5.2.1 Chế tạo màng mỏng ZnO:In cấu trúc n-ZnO:In/p-Si 122 5.2.2 Khảo sát tính chất quang, huỳnh quang màng mỏng ZnO:In cấu trúc n-ZnO:In/p-Si 124 5.2.3 Chế tạo thiết bị đóng ngắt quang điện 125 5.3 Sử dụng dây nano ZnO để chế tạo sensor nhạy độ ẩm 127 5.3.1 Chế tạo cấu trúc Pt/nano ZnO/Pt 127 5.3.2 Khảo sát tính chất nhạy độ ẩm cấu trúc Pt/nano ZnO/Pt 128 5.3.3 Cơ chế nhạy ẩm vật liệu nano ZnO 131 Kết luận chương 134 Kết luận 135 III DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 137 Tài liệu tham khảo 139 IV ... đề là: ? ?Chế tạo, nghiên cứu tính chất màng mỏng, cấu trúc nano sở ZnO pha tạp khả ứng dụng” Ở đây, phương pháp phún xạ sử dụng để chế tạo màng ZnO cấu trúc nano hạt, dây, đĩa nano ZnO chế tạo... Nguyễn Việt Tuyên CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MÀNG MỎNG, CẤU TRÚC NANO TRÊN CƠ SỞ ZnO PHA TẠP VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ CHẤT RẮN MÃ SỐ: 62.44.07.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI... loại p màng ZnO pha tạp P chế tạo mơi trường khí N2 đạt Chương Chế tạo số cấu trúc nano ZnO ZnO pha tạp chất Chương giải vấn đề chế tạo số cấu trúc nano vật liệu ZnO chế tạo hạt nano ZnO với