Vật liệu bán dẫn A2B6 Là những hợp chất tạo từ các nguyên tố nhóm IIb và VI. Tuy nhiên ta chỉ xét đến 9 hợp chất tạo từ các nguyên tố sau:Các thù hình của hợp chất A2B6: ZnS: Kết tinh ở dạng Wurzite ở nhiệt độ cao; Kết tinh ở dạng giả kẽm ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ chuyển thù hình xảy ra ở 1020oC.CdS: Có thể có ở 2 dạng, CdS lục giác có màu đỏ còn CdS lập phương có màu vàng. ZnSe: Tinh thể dạng giả kẽm kết tinh từ pha hơi ở T = 11201200oC; Có thể chế tạo tinh thể dạng Wurzite. ZnTe: Thường kết tinh ở dạng giả kẽm, cũng có thể ở dạng Wurzite. CdSe: Ở nhiệt độ cao kết tinh ở dạng Wurzite; Ở nhiệt độ phòng kết tinh ở dạng giả kẽm, nhiệt độ chuyển thù hình xảy ra ở 130oC. CdTe: Thường kết tinh ở dạng giả kẽm; Khi tạo màng mỏng, có thể kết tinh dạng lục giác. HgS: Chỉ kết tinh ở dạng giả kẽm.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Viện Vật Lý Kĩ Thuật Báo cáo môn học Đề tài: Vật liệu bán dẫn A2B6 Và tính chất quang vật liệu CdS, ZnO I Tổng quan vật liệu A2B6 Mục lục II Vật liệu CdS Giới thiệu chung vật liệu CdS Cấu trúc tinh thể Tính chất quang Ứng dụng Tổng quan vật liệu bán dẫn A2B6 - Là hợp chất tạo từ nguyên tố nhóm IIb VI Tuy nhiên ta xét đến hợp chất tạo từ nguyên tố sau: ZnS ZnSe ZnTe CdS CdSe CdTe HgS HgSe HgTe Tổng quan vật liệu bán dẫn A2B6 - Vật liệu bán dẫn A2B6 thường có dạng cấu trúc : cấu trúc giả kẽm wurtzite.[1] Hình 1: Cấu trúc giả kẽm Hình 2: Cấu trúc wurtzite Tổng quan vật liệu bán dẫn A2B6 Các thù hình hợp chất A2B6: ZnS: - Kết tinh dạng Wurzite nhiệt độ cao; - Kết tinh dạng giả kẽm nhiệt độ thấp, nhiệt độ chuyển thù hình xảy 1020oC CdS: - Có thể có dạng, CdS lục giác có màu đỏ cịn CdS lập phương có màu vàng ZnSe: -Tinh thể dạng giả kẽm kết tinh từ pha T = 1120-1200oC; -Có thể chế tạo tinh thể dạng Wurzite ZnTe: -Thường kết tinh dạng giả kẽm, dạng Wurzite CdSe: -Ở nhiệt độ cao kết tinh dạng Wurzite; -Ở nhiệt độ phòng kết tinh dạng giả kẽm, nhiệt độ chuyển thù hình xảy 130oC CdTe: -Thường kết tinh dạng giả kẽm; -Khi tạo màng mỏng, kết tinh dạng lục giác HgS: -Chỉ kết tinh dạng giả kẽm Tổng quan vật liệu bán dẫn A2B6 Hình 3: Giản đồ quan hệ số mạng với bề rộng vùng cấm hợp chất A2B6 Tổng quan vật liệu bán dẫn A2B6 -Bán dẫn hợp chất có vùng cấm thẳng sử dụng cho linh kiện quang điện tử Hình 4: Giản đồ lượng dạng cấu trúc vật liệu A 2B6 [2] Vật liệu CdS 2.1 Giới thiệu chung Cadmium Sulphide chất bán dẫn có vùng cấm thẳng với độ rộng vùng cấm Eg= 2,42 eV Hình 5: Các mẫu CdS phát quang màu khác với tỉ lệ Cd:S khác Vật liệu CdS 2.2 Cấu trúc tinh thể • Trong mạng tinh CdS, Các nguyên tử Cd S liên kết với theo cấu trúc tuần hoàn Tinh thể CdS có hai dạng cấu trúc mạng tinh thể wurzite mạng tinh thể giả kẽm Tuỳ thuộc vào nhiệt độ nung mà ta thu CdS có cấu trúc khác nhau, nhiệt độ nung từ 950oC CdS có cấu trúc giả kẽm, nhiệt độ từ 950oC đến 1020oC có khoảng 70% CdS có cấu wurzite Nhiệt độ từ 1020oC đến 1200oC CdS hồn tồn dạng wurzite Hình Mơ hình trực quan cấu trúc vật liệu [3] Vật liệu CdS 2.3 Tính chất quang Hình 8: Kết đo X-Ray màng mỏng CdS với thời gian lắng đọng khác [5] Hình 7: Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ theo lượng kích thích [4] Hình 9: Hình ảnh SEM màng CdS với mức độ phóng đại khác [6] 10 Ở điều kiện thường cấu trúc ZnO tồn dạng Wurtzite Mạng tinh thể ZnO dạng hình thành sở hai phân mạng lục giác xếp chặt cation Zn2+ anion O2- lồng vào khoảng cách 3/8 chiều cao anion bao quang cation ngược lại Cấu trúc lập phương giả kẽm nhiệt độ cao cấu trúc lập phương kiểu NaCl ấp suất cao ZnO pha tạp • Sự thay đổi lượng Madelung ZnO theo loại tạp chất đưa vào • ZnO loại p nên tạp Nitơ • ZnO loại n nên tạp Ga ZnO tạp Nitơ Hằng số mạng bị thay đổi Thay đổi tính chất màng Thay đổi mật độ trạng thái vật liệu So với màng ZnO thuần, màng ZnO: N có: + Bờ hấp thụ dịch chuyển phía ánh sáng có bước sóng dài + Độ truyền qua thấp ZnO tạp Ga Khi pha tạp Ga vào mạng tinh thể ZnO : ion Ga3+ Zn2+ có bán kính xấp xỉ gần ( 0,53A0 0,72A0 )do ion Ga3+ dễ thay Zn2+ mà không phân biệt cấu trúc đơn vị cấu thành Mỗi ion Ga3+ thay vào vị trí Zn2+ cho electron tự => ZnO : Ga bán dẫn loại n Màng ZnO-Ga tạo phương pháp phún xạ magnetron có điện trở suất khoảng 4-5 x 10-4 Ωcm , độ truyền qua trung bình vùng khả kiến T ~ 85% Màng cho tính chất quang điện tốt phún xạ nhiệt độ phịng Tính chất điện màng cho thấy màng bị ảnh hưởng bắn phá ion âm, có độ bền nhiệt tốt xử lý môi trường không khí, điều lí giải dựa bán kính ion tạp chất so với bán kính ion nguyên tử dẫn đến hoà tan rắn thay tốt Bia-đế bố trí song song nên vận tốc tạo màng cao, độ đồng điện trở tốt, tiết kiệm vật liệu, dễ dàng ứng dụng cơng nghiệp Tính chất ứng dụng vật liệu ZnO Chế tạo màng mỏng nano ZnO Quy trình tạo màng mỏng ZnO Màng mỏng ZnO chế tạo nhiều phương pháp khác như: • Bốc bay chân khơng • Phún xạ nhiệt phân • Phún xạ chùm ion • Lắng đọng bể hóa học, • Sol-gel, quay phủ • … 22 Hệ Sol _Gel Precursor: + Là phần tử ban đầu để tạo hạt keo + Công thức chung precursor: M(OR)x Hệ sol + Với: M: kim loại, R: nhóm ankyl có cơng thức CnH2n+1 • • Hệ sol: + Hệ hạt phân tán,kích thước: 0,1 → 1μm + Các hạt chuyển động Brown, va chạm + Lực tương tác giữacác hạt: Van der Waals Hệ gel: Sau thời gian, hạt sol hút (có thể tác động ngoại lực), đông tụ chuyển thành gel Hệ gel 23 ) Các Bước tạo màng ZnO • Bước 1: Tạo sol-gel ZnO • Bước 2: Làm đế • Bước 3: Quay phủ • Bước 4: Ủ nhiệt 24 Tạo màng ZnO • Bước 1: Tạo dung dịch sol-gel ZnO 0.3M Cadmium Acetat dihydrat (Zn (CH3COO)2 · 2H2O) + 50ml 2-methoxyethanol (CH3OCH2CH2OH) + Khuấy 2h 50ml 2-methoxyethanol (CH3OCH2CH2OH) + Khuấy 2h thêm 0,95ml Monoethanolamine ( H2NCH2CH2OH) khuấy h ủ h Sol-gel ZnO 25 Bước : Rửa Đế QUY TRÌNH RỬA ĐẾ THỦY TINH Đế sử dụng đế thủy tinh SUPERIOR (Germany) kích thước 10 2,5 cm Trước sử dụng, đế xử lý theo quy trình sau: • Ngâm hỗn hợp dung dịch HNO3 65% nước với tỉ lệ thể tích 1:10, t= 10 min, nhiệt độ phịng • Ngâm nước siêu tinh khiết, t=10 min, nhiệt độ phịng • Rửa cồn tuyệt đối bể siêu âm f= 1KHz, t=10 min, nhiệt độ phịng • Rửa nước siêu tinh khiết bể siêu âm f= 1KHz, t=10 min, nhiệt độ phịng • Sấy đèn hồng ngoại t=10 QUY TRÌNH RỬA ĐẾ SILIC Đế sử dụng đế Si (100) cắt với kích thước 1,0 1,0 cm Trước sử dụng, đế xử lý theo quy trình • Ngâm dung dịch hỗn hợp HF 65% nước với tỉ lệ thể tích 1:10, t= 10 min, nhiệt độ phịng • Ngâm nước siêu tinh khiết, t=10 min, nhiệt độ phịng • Rửa acetone bể siêu âm f= 1KHz, t=10 min, nhiệt độ phịng • Rửa nước siêu tinh khiết bể siêu âm f= 1KHz, t=10 min, nhiệt độ phịng • Sấy đèn hồng ngoại t=10 26 • Bước 3: quay phủ: Nhỏ hỗn hợp chất chuẩn bị từ từ cho phủ hết bề mặt đế mà khơng để bị rơi ngồi Tiến hành quay ly tâm (1500 vòng / phút 30 giây tương ứng) hỗn hợp chất phủ kín mặt đế Các hạt ZnO bám vào bề mặt đế, phần dung dịch bị bay Lặp lại bước đến đạt màng mong muốn 27 Tạo màng ZnO • Bước 4: Ủ nhiệt • Màng mang ủ để loại bỏ dung mơi chất hữu dư • Nhiệt độ ủ thơng số ảnh hưởng đến đặc tính cấu trúc màng Hình 11 Màng ZnO ủ 200 C 28 Ưu điểm - Nhược điểm Có thể tạo màng phủ liên kết mỏng để - Sự liên kết màng yếu mang đến dính chặt tốt vật - Độ chống mài mòn yếu kim loại màng - Rất khó để điều khiển độ xốp Có thể tạo màng dày cung cấp cho - Dễ bị rạn nứt xử lí nhiệt độ trình chống ăn mịn cao Có thể phun phủ lên hình dạng phức - Chi phí cao vật liệu thô tạp - Hao hụt nhiều trình tạo màng Có thể sản xuất sản phảm có độ tinh khiết cao Là phương pháp hiệu quả, kinh tế, đơn giản để sản xuất màng có chất lượng cao Có thể tạo màng nhiệt độ bình thường Tài liệu tham khảo [1] Giáo trình Vật lý bán dẫn, Phùng Hồ-Phan Quốc Ngô, 2001, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [2] http://hocday.com/nghin-cu-ph-hp-th-hng-ngoi-ca-cc-ht-nano-zns-pha-tp-mn.ht ml [3] http://luanvan.co/luan-van/che-tao-va-khao-sat-tinh-chat-phat-quang-cua-hat-na no-cds-364 [4] Synthesis,optoelectronic properties and photoelectrochemical performance of CdS thin films, 2012, P.A.Chate-SS.Patil [5] Formation of the bandgap energy on CdS thin films growwth by two diferent techniques, 2001, A.I.Oliva-O.Solis Canto [6] Synthesis and caracterization of CdS n-Type of semiconductor thin films ...I Tổng quan vật liệu A2B6 Mục lục II Vật liệu CdS Giới thiệu chung vật liệu CdS Cấu trúc tinh thể Tính chất quang Ứng dụng Tổng quan vật liệu bán dẫn A2B6 - Là hợp chất tạo từ nguyên tố... động vật để quan sát chụp ảnh quan tế bào • Ngồi ứng dụng việc dò ung thư, đưa thuốc đến tế bào ung thư 13 ZnO Giới thiệu nano ZnO Cấu trúc tinh thể nano ZnO ZnO pha tạp Tính chất ứng dụng vật liệu. .. suất cao ZnO pha tạp • Sự thay đổi lượng Madelung ZnO theo loại tạp chất đưa vào • ZnO loại p nên tạp Nitơ • ZnO loại n nên tạp Ga ZnO tạp Nitơ Hằng số mạng bị thay đổi Thay đổi tính chất màng