Công nghệ chế tạo vật liệu xốp và cơ chế ăn mòn xốp
2.4.1.Tổng quan về cơ chế hình thành lỗ xốp trong quá trình ăn mòn anốt
Trên thực tế, cơ chế của quá trình ăn mòn để tạo ra được các lỗ xốp là một điều rất phức tạp và cho tới nay vẫn chưa có sự giải thích rõ ràng. Ví dụ, xét trường hợp ăn mòn anốt tạo ra Si xốp, các cơ chế hòa tan trực tiếp và gián tiếp mới chỉ giải thích được cách các nguyên tử Si bị mất đi, hòa tan vào dung dịch như thế nào chứ chưa giải thích được vì sao sự mất đi của các nguyên tử Si lại chỉ xảy ra tập trung vào một số chỗ nào đó trên bề mặt để tạo ra các lỗ xốp. Do đó cần có các mô hình giải thích các lỗ xốp đã được hình thành như thế nào.
Cho tới nay, đa số các nghiên cứu về ăn mòn anốt tạo xốp chất bán dẫn đều giải thích sự tạo thành lỗ xốp trong quá trình ăn mòn anốt dựa trên mô hình về sự hình thành của các lớp: điện tích không gian, Helmholtz và Gouy. Như ta đã biết, khi chất bán dẫn được nhúng vào trong dung dịch điện hóa, một trạng thái cân bằng mới sẽ được thiết lập. Ở trạng thái cân bằng này thì thế điện hóa của bán dẫn và dung dịch phải là như nhau, ở đây, thế điện hóa của dung dịch được xác định bởi thế ôxy hóa khử (Eredox) của dung dịch điện phân, còn của chất bán dẫn được xác định bởi
mức Fermi (EF). Nếu Eredox và EF không nằm ở cùng một giá trị thì sẽ có một sự
dịch chuyển của điện tích giữa chất bán dẫn và dung dịch cho tới khi đạt cân bằng (EF = Eredox) [185]. Lúc này sẽ hình thành một vùng không gian nghèo các hạt tải
50
điện tự do ở trên điện cực bán dẫn gọi là vùng điện tích không gian (space charge region – SCR), còn được gọi là vùng nghèo (tương tự như khi bán dẫn tiếp xúc với kim loại) vùng này được tính từ bề mặt chất bán dẫn, độ dày vùng này phụ thuộc vào bản chất của chất bán dẫn và dung dịch điện hóa. Còn trong dung dịch lúc này cũng có sự phân bố lại các ion linh động và các lưỡng cực điện (ví dụ phân tử nước) ở gần điện cực bán dẫn. Kết quả là sẽ hình thành các lớp điện tích kép trái dấu đan xen. Lớp thứ nhất gồm hai lớp điện tích trái dấu ngay sát bề mặt bán dẫn gọi là lớp Helmholtz (HL) còn lớp thứ hai gồm hai lớp điện tích trái dấu liền tiếp theo gọi là lớp Gouy (GL). Lớp Helmholtz nói chung bao gồm các ion phân ly từ phân tử nước (H+ hoặc OH−) và từ chất điện phân. Các phần tử của nước hình thành cái gọi là lớp Helmholtz bên trong, trong khi các ion hòa tan của chất điện phân tạo thành lớp Helmholtz bên ngoài. Hai lớp diện tích trái dấu trên lớp Helmholtz có thể được xem như một tụ điện phẳng. Trên lớp Helmholtz sẽ tồn tại một điện thế gọi là điện thế Helmholtz(VH) và tạo ra một điện trường. Điện trường của lớp Helmholtz sẽ ảnh
hưởng tới sự vận chuyển của các ion trong dung dịch, những phần tử sẽ tham gia vào quá trình ăn mòn, tới bề mặt phân cách bán dẫn/dung dịch điện hóa trong quá trình ăn mòn anốt [71]. Lớp Gouy thường không có tác động nhiều tới quá trình ăn mòn trừ khi nồng độ dung dịch điện hóa rất thấp.
Dựa trên mô hình về sự hình thành các lớp điện tích khi bán dẫn được nhúng vào trong dung dịch điện phân, ta có thể hiểu một cách đơn giản cơ chế cho sự hình thành lỗ xốp trong quá trình ăn mòn anốt như sau: sự thay đổi dạng hình học của bề mặt bán dẫn sẽ dẫn đến sự khác nhau trong phân bố các hạt tải điện trên bề mặt tiếp giáp bán dẫn/dung dịch (chủ yếu là trên lớp Helmholtz) và do đó điện trường cục bộ tại các vùng khác nhau trên bề mặt giao diện cũng có sự sai khác. Tại những điểm lõm trên bề mặt của khối bán dẫn sẽ có sự tập trung nhiều hơn của các ion trong dung dịch và do đó tại đây điện trường cục bộ sẽ mạnh hơn. Dưới tác của điện thế áp đặt thì bao giờ các lỗ trống cũng sẽ phun ra các điểm có điện trường cục bộ mạnh trước tiên và quá trình ăn mòn sẽ bắt đầu ở đó. Sự ăn mòn tại các điểm này sẽ tạo ra các hố (pit) trên bề mặt bán dẫn, các hố mới được tạo thành sẽ là các khu vực có
51
điện trường cục bộ lớn, đặc biệt là ở đáy các hố, do đó lỗ trống sẽ tiếp tục phun tới đây, kết quả là dần một lỗ xốp được hình thành và ăn sâu vào khối bán dẫn tạo ra cấu trúc xốp [7, 71]. Tuy nhiên, cơ chế nào điều khiển dạng hình học và kích thước của lỗ xốp cũng như hình thái học của lớp xốp khi chúng ăn sâu vào trong khối bán dẫn thì vẫn còn là điều chưa thực sự rõ ràng.