Tổng quan về vật liệu SiC và SiCxốp
1.2.3.Tính chất huỳnh quang của lớp SiCxốp
Tương tự như Si xốp, các tính chất ưu việt của vật liệu khối vẫn được giữ nguyên trên vật liệu PSiC. Ngoài ra PSiC còn có một số tính chất khác được tăng cường mà đặc biệt là tính chất huỳnh quang. Đây chính là tính chất được quan tâm nhất bởi vì tương tự như Si thì SiC cũng là bán dẫn vùng cấm xiên nên có khả năng phát quang rất kém. Sự gia tăng huỳnh quang của vật liệu PSiC mở ra khả năng ứng dụng của vật liệu này cho việc chế tạo các linh kiện phát quang. Cường độ PL của PSiC có thể mạnh hơn hàng trăm lần so với của SiC không xốp [99] và ổn định hơn trong môi trường tự nhiên so với huỳnh quang của PSi [75]. So với dải phát huỳnh quang của PSi thì dải phát huỳnh quang của PSiC hẹp hơn, từ vùng tử ngoại đến vùng đỏ [35, 59, 91, 108, 111, 117]. Trong hầu hết các trường hợp, vị trí đỉnh phổ huỳnh quang của PSiC bị dịch về bước sóng ngắn hơn so với của SiC khối [99], [75], nhưng các kết quả nghiên cứu cho thấy đa phần vị trí đỉnh phổ huỳnh quang của PSiC nằm ở bước sóng có năng lượng thấp hơn so với độ rộng vùng cấm của SiC tinh thể khối [75, 99]. Các đặc tính PL của PSiC tinh thể đã được quan sát thấy khá đa dạng và phụ thuộc mạnh vào các phương pháp và điều kiện chế tạo cũng như các phép đo cụ thể [85].
24
Tương tự như PSi, hiệu ứng giam giữ lượng tử cũng rất được kỳ vọng sẽ tạo ra sự phát PL mạnh của PSiC. Tuy nhiên, trái ngược với PSi, ngay cả khi kích thước của các tinh thể SiC trong lớp xốp nhỏ hơn so với kích thước mà ở đó hiệu ứng lượng tử có thể xảy ra theo tính toán [120] thì vẫn không quan sát thấy vai trò rõ rệt của QCE đối với sự phát PL của PSiC [99, 120, 128]. Tuy nhiên, khi tiến hành rung siêu âm vật liệu PSiC trong một số dung môi để tạo ra các hạt nano SiC trong dung môi nào đó thì vai trò của QCE đối với sự phát PL của các hạt nano SiC lại được quan sát thấy khá rõ ràng [43, 130, 171]. Cho tới gần đây, đã có những kết quả nghiên cứu đầu tiên cho thấy một phần nào đó vai trò của QCE đối với sự phát PL của PSiC [108, 113].
Hình 1.14. Phổ PL của các mẫu 6H-SiC loại n không xốp (đường liền nét) và xốp (A,
B, C) được ăn mòn với mật độ dòng điện hóa tương ứng là 10, 15 và 20 mA/cm2
trong
dung dịch HF/EG/H2O2 [108].
Trên Hình 1.14 là phổ PL của các mẫu 6H-PSiC loại n được ăn mòn với các mật độ dòng điện hóa khác nhau trong dung dịch HF/ethylene glycol/H2O2. Các kết quả PL trên Hình 1.14 cho thấy đỉnh phổ PL của các mẫu xốp nằm ở bước sóng có năng lượng cao hơn độ rộng vùng cấm của 6H-SiC (~ 3 eV tương ứng với ~ 414 nm). Thêm nữa, đỉnh phổ PL dịch xanh và cường độ PL tăng lên khi độ xốp của các mẫu tăng lên tương ứng với sự gia tăng của dòng điện hóa. Các kết quả
25
này cộng với các kết quả ảnh SEM cho thấy có thể có vai trò của QCE đối với sự phát PL của các mẫu này. Mặc dù vậy, các phổ PL của các mẫu PSiC trong tài liệu tham khảo số [108]cho thấy QCE chưa làm gia tăng đáng kể cường độ PL của các mẫu PSiC so với mẫu khối. Trên Hình 1.14 ta có thể thấy mẫu PSiC có cường độ PL mạnh nhất cũng chỉ gia tăng cường độ chưa tới năm lần so với mẫu SiC khối. Kết quả này còn rất thấp so với sự gia tăng cường độ PL của mẫu PSiC so với mẫu SiC khối gây ra bởi các trạng thái bề mặt [59, 99, 120].
Hình 1.15. Phổ PL của các mẫu 6H-SiC xốp loại n được ăn mòn với mật độ dòng điện
hóa tương ứng là 40 và 60 mA/cm2 trong dung dịch HF/H2O/EtOH (HF:H2O:C2H5OH
=1:1:2) (a, b) và 6H-SiC loại n không xốp (c) [99].
Kể từ khi được thông báo bởi Shor và các đồng nghiệp [143], cho tới nay, hầu hết các kết quả nghiên cứu được trình bày trong các bài báo đều chỉ ra rằng nguồn gốc PL của PSiC là từ các trạng thái bề mặt của vật liệu [59, 77, 85, 99, 117, 127], mặc dù cường độ PL của mẫu PSiC có thể mạnh hơn mẫu không xốp tới hàng trăm lần [59, 99, 120] và vị trí đỉnh PL nằm ở vùng bước sóng có năng lượng cao hơn khá nhiều so với của mẫu không xốp [65, 99, 117, 127]. Lý do chính cho kết quả này là kích thước của các tinh thể SiC trong lớp xốp còn khá lớn so với kích thước có thể gây ra hiệu ứng giam giữ lượng tử. Ví dụ trên Hình 1.15 là phổ huỳnh quang của các mẫu 6H-PSiC loại n được được ăn mòn với các mật độ dòng điện
26
hóa khác nhau trong dung dịch HF/H2O/EtOH (HF:H2O:C2H5OH =1:1:2). Có thể thấy rõ ràng rằng mẫu PSiC có cường độ PL mạnh nhất có cường độ cao gấp khoảng 500 lần so với mẫu SiC trước khi ăn mòn và đỉnh huỳnh quang nằm ở bước sóng 430 nm dịch đi khoảng 200 nm so với mẫu SiC trước khi ăn mòn. Tuy nhiên vị trí đỉnh vẫn còn nằm trên vùng cấm của 6H-SiC tinh thể (khoảng 414 nm). Điều này cho thấy hiệu ứng QCE không đóng vai trò mạnh trong sự phát PL của các mẫu này.
Như đã trình bày ở trên, sự phát huỳnh quang của PSiC chủ yếu là do trạng thái bề mặt và hiệu ứng giam giữ lượng tử quyết định. Do đó kích thước tinh thể và các liên kết hóa học trên bề mặt sẽ có vai trò rất quan trọng đối với sự phát PL của PSiC. Các thông số này lại có thể được điều khiển thông qua sự thay đổi các điều kiện chế tạo như mật độ dòng điện hóa, nồng độ HF trong dung dịch điện hóa, thời gian điện hóa.