a. Mụ hỡnh thực nghiệm
Hỡnh 3.1 là mụ hỡnh thực nghiệm sử dụng chế tạo dõy nano Si bằng phƣơng phỏp bốc bay nhiệt. Theo mụ hỡnh này, vật liệu nguồn và đế Si/SiO2 phủ Au đƣợc đặt trong buồng phản ứng (ống thạch anh). Buồng phản ứng này đƣợc đặt trong một lũ ống nhiệt độ cao và khớ argon đƣợc thổi trong suốt quỏ trỡnh thớ nghiệm. Vật liệu nguồn đƣợc đặt tại vựng ở nhiệt độ cao nhất của lũ và cú nhiệt độ từ 1200 đến 1300 oC. Đế Si/SiO2 phủ Au đƣợc đặt ở vị trớ cỏch vật liệu nguồn khoảng 15 cm và cú nhiệt độ từ 900 đến 950 o
C. Ở nhiệt độ cao, vật liệu nguồn bay hơi và vận chuyển đến bề mặt đế Si/SiO2 phủ Au nhờ khớ argon. Hơi vật liệu nguồn lắng đọng lờn bề mặt đế Si/SiO2 phủ Au, cỏc nguyờn tử Si khuếch tỏn vào kim loại Au hỡnh thành hợp kim Au-Si. Khi hợp kim Au-Si đạt trạng thỏi siờu bóo hũa thỡ hợp kim này kết tinh hỡnh thành mầm dõy nano Si. Khi tiếp tục cung cấp nguồn hơi Si hơn nữa, mầm dõy nano Si phỏt triển hỡnh thành dõy nano Si theo cơ chế VLS [108]. Một số vật liệu nguồn đƣợc sử dụng đế chế tạo dõy nano Si là bột nano Si, bột nano Si trộn bột nano cỏc bon, bột SiO và bột nano Si trộn với bột micro SiO2. Đế đƣợc sử dụng để mọc dõy nano Si là đế Si/SiO2 phủ Au.
63
Hỡnh 3.1. Mụ hỡnh thực nghiệm sử dụng để chế tạo dõy nano Si b. Quy trỡnh chế tạo
Chế tạo đế Si/SiO2 phủ Au
Đầu tiờn, phiến Si loại p đƣợc làm sạch bề mặt bằng cỏch ngõm phiến này trong dung dịch HNO3 (100%) với thời gian 30 phỳt nhằm loại bỏ lớp bụi bản bỏm trờn bề mặt phiến silic này. Sau đú, phiến silic này đƣợc rửa sach bằng nƣớc khử ion và quay khụ. Tiếp theo, phiến Si đƣợc oxy húa nhiệt để hỡnh thành một lớp oxit silic cú độ dày 20 nm trờn bề mặt. Để mọc dõy nano Si theo cơ chế VLS, một lớp kim loại xỳc tỏc Au cú độ dày 10 nm đƣợc phủ lờn bề mặt của phiến silic sau khi oxy hoỏ. Quỏ trỡnh phủ lớp Au lờn trờn bề mặt phiến đế đƣợc thực hiện bằng kỹ thuật phỳn xạ rf. Cuối cựng, phiến Si/SiO2 phủ Au này đƣợc cắt thành cỏc miếng nhỏ cú kớch thƣớc 2 cm x 2 cm và cỏc miếng nhỏ này đƣợc sử dụng nhƣ làm cỏc đế để mọc dõy nano Si.
Quy trỡnh mọc dõy nano Si
Đầu tiờn, vật liệu nguồn và đế Si/SiO2 phủ Au đƣợc đƣa vào trong ống thạch anh, một đầu ống thạch anh đƣợc kết nối với hệ thống cung cấp khớ argon và đầu cũn lại là đầu khớ ra. Ống thạch anh này đƣợc đƣa vào trong lũ ống nằm ngang sao cho vật liệu nguồn ở nhiệt độ cao nhất, và đế Si/SiO2 phủ Au đƣợc đặt cỏch vật liệu nguồn một khoảng cỏch 15 cm theo chiều khớ argon thổi từ vật liệu nguồn đến đế Si/SiO2 phủ Au. Trƣớc khi tiến hành mọc dõy nano Si, buồng phản ứng đƣợc thổi khớ argon với lƣu lƣợng 200 sccm trong thời gian 30 phỳt để làm sạch ống thạch anh và đẩy khụng khớ dƣ ra khỏi buồng phản ứng. Quỏ trỡnh mọc dõy nano Si trờn bề mặt đế Si/SiO2 phủ Au đƣợc thực hiện bằng cỏch nõng nhiệt độ lũ lờn 1200 o
C hoặc 1300 oC kết hợp với việc cung cấp khớ argon thổi vào buồng phản ứng với lƣu lƣợng khớ thớch hợp theo từng giai đoạn của quỏ trỡnh điều khiển nhiệt độ lũ.
64 0 1 2 3 4 5 6 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 D C B Nh iệ t độ ( o C) )
Thời gian (giờ)
A
Hỡnh 3.2. Quy trỡnh điều khiển nhiệt độ lũ trong quỏ trỡnh mọc dõy nano Si
Hỡnh 3.2 mụ tả quy trỡnh điều khiển nhiệt độ lũ trong quỏ trỡnh mọc dõy nano Si. Đầu tiờn, nhiệt độ lũ đƣợc nõng nhiệt từ nhiệt độ phũng đến 1200 o
C với tốc độ nõng nhiệt 10 oC/phỳt. Đõy chớnh là giai đoạn màng Au co cụm hỡnh thành cỏc hạt nano Au trờn bề mặt đế Si/SiO2. Ở giai đoạn này, khớ argon thổi vào buồng với một lƣu lƣợng khớ khụng đổi là 50 sccm. Khi lũ đạt giỏ trị 1200 o
C thỡ giữ nhiệt độ lũ ở giỏ trị này trong thời gian 1 giờ. Đõy là giai đoạn hỡnh thành dõy nano Si trờn bề mặt đế Si/SiO2 phủ Au. Khớ argon thổi vào buồng trong giai đoạn này với một lƣu lƣợng khớ khụng đổi là 100 sccm. Ở nhiệt độ này, hơi Si bốc bay từ vật liệu nguồn vận chuyển đế bề mặt đế Si/SiO2 phủ Au nhờ khớ argon, lắng đọng lờn bề mặt đế Si/SiO2 phủ Au và mọc dõy nano Si theo cơ chế VLS. Cuối cựng lũ đƣợc để nguội tự nhiờn xuống nhiệt độ phũng và lƣu lƣợng khớ argon đƣợc thổi vào buồng phản ứng trong giai đoạn này là 50 sccm để hạn chế quỏ trỡnh oxy húa nhiệt dõy nano Si. Bảng 3.1 tổng kết cỏc giai đoạn điều khiển nhiệt độ lũ, lƣu lƣợng khớ cung cấp và mục đớch của từng giai đoạn trong quỏ trỡnh mọc dõy nano Si. Nhƣ võy, hệ điều khiển nhiệt độ lũ đƣợc lập trỡnh với 3 giai đoạn: giai đoạn AB là giai đoạn hỡnh thành hạt nano Au trờn bề mặt đế Si/SiO2, giai đoạn BC là giai đoạn mọc dõy nano Si và giai đoạn CD là giai đoạn hạ nhiệt độ lũ.
Bảng 3.1. Cỏc giai đoạn điều khiển nhiệt độ lũ trong quỏ trỡnh mọc dõy nano Si
Giai đoạn Khớ Ar (sccm) Thời gian (phỳt) Nhiệt độ (oC) Tốc độ nõng nhiệt (oC/phỳt) Mục đớch A → B 50 120 30-1200 10 Cỏc hạt nano Au hỡnh thành từ màng Au
B → C 100 60 1200 - Giai đoạn mọc dõy nano Si
65
c. Thiết bị
Cỏc thiết bị đƣợc sử dụng để chế tạo dõy nano Si là lũ ống GSL 1600 X, ống thạch anh và hệ thống cung cấp khớ argon. Cỏc thiết bị này đó đƣợc trỡnh bày chi tiết trong mục 2.3.1 của chƣơng 2.