ZnO là bán dẫn loại n, trong khoa học vật liêu nó còn được gọi là bán dẫn A2B5 Có nhiều tính chất đặc biệt( như vùng cấm thẳng độ rộng vùng cấm lớn3,37eV ở nhiệt độ phòng,năng lượng liên kết exciton lên tới 60meV, độ bền cơ học và hóa học cao), Được tổng hợp dễ dàng bởi nhiều công nghệ Vật liệu ZnO có thể pha tạp để thay đổi độ rộng vùng cấm,có tiềm năng trong việc chế tạo các linh kiện điện tử hiệu suất cao Ứng dụng rất nhiều trong đời sống như pin mặt trời, vật liệu điện áp, truyền tải quang
Bài thuyết trình Nhóm VẬT LIỆU QUANG ĐIỆN TIÊN TIẾN ZnO NỘI DUNG Nội dung gồm: I Giới thiệu II Cấu Trúc III Tính Chất IV Ứng Dụng VI Kết Luận V Phương pháp Chế tạo I Giới thiệu ZnO bán dẫn loại n, khoa học vật liêu cịn gọi bán dẫn A2B5 -Có nhiều tính chất đặc biệt( vùng cấm thẳng độ rộng vùng cấm lớn3,37eV nhiệt độ phòng,năng lượng liên kết exciton lên tới 60meV, độ bền học hóa học cao), -Được tổng hợp dễ dàng nhiều công nghệ - Vật liệu ZnO pha tạp để thay đổi độ rộng vùng cấm,có tiềm việc chế tạo linh kiện điện tử hiệu suất cao - Ứng dụng nhiều đời sống pin mặt trời, vật liệu điện áp, truyền tải quang II Cấu Trúc Cấu trúc vật lý ZnO Cũng bán dẫn AIIBVI có cấu trúc phức tạp, ZnO tồn cấu trúc khác nhau: cấu trúc lập phương giả kẽm T1114oC cấu trúc lập phương kiểu NaCl áp suất cỡ 8, 57GPa Hình 1.1 Cấu trúc lục giác Wurtzite vật liệu ZnO Cấu trúc Wurtzite cấu trúc ổn định ZnO, bền vững nhiệt độ phòng áp suất khí Trong cấu trúc mỗi mạng có phần tử ZnO nguyên tử Zn vi trí(0,0,0) (1/3,1/3,1/2) cịn nguyên tử O nằm vị trí (0,0,u) (1/3,2/3,1/3+u) II Cấu trúc Cấu trúc vật lý ZnO Các ion O2- ion Zn2+ thay phiên xếp chồng lên theo mạng lục giác xếp chặt Trong anion bao quanh cation ngược lại Vì mạng lục giác Wurtzite coi mạng lục giác lồng vào nhau: mạng chứa anion O2- mạng chứa cation Zn2+ với số lừn cận gần nguyờn tử z=12 Hằng số mạng a =2,2458 ; c = 5,2060 Thể tích sở có giá trị V = 47,623 Trong hợp chất, cấu hình điện tử Zn 4s2 O 2s2 2p6 II Cấu trúc Cấu trúc vật lý ZnO Ngoài ra, điều kiện đặc biệt tinh thể ZnO cịn có thẻ tồn cấu trúc lập phương giả kẽm , hay lập phương kiểu NaCl Hình 1.2 II Cấu trúc Cấu trúc vùng lượng Các véc tơ tịch tiến sở �1 = � �2 = 1,1,0 � �3 = 1,0,1 −1 � 0,1,1 Các véc tơ không gian mạng đảo �1 = 2�� −1 0, ,0 �2 = 2 � −1 0, , �3 = 22� −1 0,0, Vùng Brilliouin tinh thể ZnO wurtzite có dạng khối lục giác tám mặt Vùng lục giác brillouin có tính đối xứng đường cao, đỉnh vùng hoá trị đáy vùng dẫn xảy số sóng k=0 Do nên ZnO bán dẫn vùng cấm thẳng, độ rộng vùng cấm Eg=3,37 eV II Cấu trúc Cấu trúc vùng lượng Hình 1.3, Cấu trúc vùng lượng ZnO Mười dải đáy (xung quanh -9 eV) tương ứng với mức 3d Zn Sáu dải từ -5 eV đến eV tương ứng với trạng thái liên kết 2p O Hai trạng thái vùng dẫn định xứ mạnh Zn phù hợp với mức 3s Zn bị trống Ở vùng dẫn cao gần trống electron Vùng 2s Ôxi liên kết với lõi trạng thái lượng, xảy xung quanh -20 eV ∗ K, phụ thuốc xacs định qua Độ rộng vùng cấm phụ thuộc vào nhiệt độ lên 5,05 đến 300 � � (�) = �� � = 10 − � 900 biểu thức: III Tính Chất 1 Tính chất vật lý học Hiệu ứng áp điện TÍNH CHẤT CỦA ZnO Tính chất điện Tính chất quang III Tính chất Tính chất vật lý tính chất học Tính chất vật lý ZnO Là chất bột mịn không mùi , không phân hủy nhiệt độ thường Tính chất vật lý ZnO Ở nhiệt độ thường có màu trắng, nung 300 ͦ C chuyển thành màu vàng Không tan nước tan axit vơ pha lỗng Tính chất học ZnO -ZnO loại vật liệu tương đối mềm với độ cứng xấp xỉ 4,5 thang Mohs -Hằng số đàn hồi ZnO nhỏ so với chất bán dẫn III-V tương tự Độ dẫn nhiệt, giãn nở nhiệt thấp nhiệt độ nóng chảy cao IV Ứng dụng Sử dụng ZnO phủ màng ứng dụng làm cửa sổ cho pin mặt trời: Lớp ZnO đóng vai trị lớp điện cực suốt phía trên, có điện trở suất độ truyền qua đủ lớn để phù hợp cấu trúc vùng lượng giảm tổn hao dòng điện qua điện trở ngắn mạch 3 V Phương pháp chế tạo Tạo màng ZnO phương pháp phun nhiệt phân hỗ trợ rung siêu âm ứng dụng cấu trúc pin mặt trời màng mỏng V Phương pháp chế tạo Tổng quan phương pháp phun nhiệt phân hỗ trợ rung siêu âm Phương pháp phun nhiệt phân hỗ trợ siêu âm (USP) sử dụng dung dịch hỗn hợp dung môi muối chứa thành phần hợp chất để lắng đọng lên bề mặt đế Các trình hóa lý xảy đồng thời lắng đọng màng: + Sự hình thành dung dịch dạng sương mù + Dịch chuyển dung dịch dạng sương mù tới bề mặt đế gia nhiệt + Bay dung mơi, hóa khơ phân hủy tạo hạt V Phương pháp chế tạo Tổng quan phương pháp phun nhiệt phân hỗ trợ rung siêu âm Hình 5.1 Sơ đồ khối hệ phun nhiệt phân hỗ trợ rung siêu âm V Phương pháp chế tạo Quy trình lắng đọng màng ZnO Hóa chất sử dụng: Bảng 5.1 Hóa chất sử dụng để tạo màng ZnO STT Tên hóa chất Cơng thức Acid axetic Muối kẽm axetat ��(�� ���� ) 2� � 99.9% Rượu isopropylic iso- � � �� 99.8% Rượu etylic � 2� 5� � 99.8% Axeton �� ���� 99.8% Axit clohidric �� ���� ��� Độ tinh khiết 6% 37% V Phương pháp chế tạo Quy trình lắng đọng màng ZnO 2.2 Quá trình thực nghiệm (1) Chuẩn bị dung dịch (2) Xử lý đế (4) Đặt đế phun (5) Ủ nhiệt (3) Chuẩn bị hệ phun V Phương pháp chế tạo Quy trình lắng đọng màng ZnO 2.2 Quá trình thực nghiệm (1) Chuẩn bị dung dịch: Dung dịch lắng đọng màng: � � = 0.005 ÷ 0.2 � với tỉ lệ � � 2� /� � 3� 7� � thay đổi + Dung môi: � � + � � �� với tỷ lệ thể tích khác + Hóa chất hịa tan: ��(�� ��� ) 2� � +Xúc tác: �� ���� V Phương pháp chế tạo Quy trình lắng đọng màng ZnO 2.2 Quá trình thực nghiệm (2) Xử lý đế: • Ngâm đế dung dịch axit HCl 5M khoảng thời gian t = 2h, T=25oC • Rửa nước khử ion, t = 30 • Ngâm dung mơi axeton kết hợp với rung siêu âm t = 20 min, T= 25 oC • Ngâm dung mơi etanol kết hợp rung siêu âm t = 20 min, T = 25 oC • Rửa nước khử ion, sấy khơ khí N2 đèn hồng ngoại t =30 V Phương pháp chế tạo Quy trình lắng đọng màng ZnO 2.2 Quá trình thực nghiệm Điều kiện công nghệ chế tạo màng: • Dung dịch lắng đọng màng:�� = 0.005 ÷ 0.2 M với tỉ lệ � � 2� /� � 3� 7� � thay đổi • Nhiệt độ lắng đọng ��= 350 ÷ 450℃, ủ nhiệt mơi trường khí � với T= 400 ÷ 500℃ với khoảng thờin gia khác • Tốc độ phun: v = 0.5 ÷ ml/min • Khoảng cách từ đầu phun tới : d = 10 ữ 15 cm ã Thi gian phun phụ thuộc bề dày màng V Phương pháp chế tạo Kết quả, thảo luận Phổ truyền qua màng ZnO: Hình Phổ truyền qua màng ZnO lắng đọng 420 ͦ C với tỷ lệ � � 2� /� � 2� 5� � 1/3 (a) (b) V Phương pháp chế tạo Kết quả, thảo luận Phổ truyền qua ZnO: Hình Phổ truyền qua màng ZnO lắng đọng nhiệt độ khác V Phương pháp chế tạo Kết quả, thảo luận Phổ truyền qua ZnO: Hình Phổ truyền qua màng ZnO lắng đọng 420 C khoảng thời gian khác nhau: (a) min; (b) 10 min; (c) 15 4 V Phương pháp chế tạo Tham khảo tài liệu: Luận văn Nghiên cứu Vật lý công nghệ màng ZnO, ZnO:In lắng đọng phương pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm ứng dụng cấu trúc pin mặt trời màng mỏng _ Lê Ngọc Minh Kết luận ZnO vật liệu có Eg = 3,37 eV, độ bền, rắn nhiệt độ nóng chảy cao, giá thành rẻ khơng độc hại, có khả hấp thụ tia tử ngoại Do tính chất điện quang vật liệu mà ZnO ứng dụng nhiều kỹ thuật đời sống Ứng dụng bật sensor pin mặt trời Phương pháp phun phủ nhiệt phân ứng dụng tạo màng ZnO có nhiều ưu điểm: thiết bị công nghệ yêu cầu đơn giản, dễ dàng điều chỉnh thông số công nghệ để khống chế thành phần mong muốn cuẩ lớp bán dẫn, lắng đọng diện tích lớn… Phổ truyền qua màng ZnO tạo phương pháp ổn định ... 2 IV Ứng dụng Ứng dụng vật liệu ZnO dựa tính chất quang điện - Ứng dụng phát quang Từ phổ huỳnh quang , ta thấy ZnO có đỉnh phát quang với cường độ mạnh cho phép ZnO sử dụng lĩnh vực chế tạo... vùng dẫn ZnO trở thành chất dẫn điện - Độ linh động điện tử ZnO thay đổi mạnh theo nhiệt độ đạt giá trị 2000 cm2 / (V · s) � 80 K Bán dẫn ZnO Bán dẫn ZnO pha tạp - Hầu hết vật liệu ZnO bán dẫn... cơng nghệ - Vật liệu ZnO pha tạp để thay đổi độ rộng vùng cấm,có tiềm việc chế tạo linh kiện điện tử hiệu suất cao - Ứng dụng nhiều đời sống pin mặt trời, vật liệu điện áp, truyền tải quang II Cấu