Sau khi đã tìm hiểu và suy luận định tính về cơ chế khuếch tán cho thấy khả năng kết tinh lại của vật liệu silic vô định hình, chúng tôi tiếp tục nghiên cứu các ảnh hƣởng của sự thay đổi nhiệt độ nung lên quá trình kết tinh. Ngƣỡng nhiệt độ nung cần thiết để quá trình khuếch tán có thể xảy ra là một yếu tố quan trọng trong quá trình AIC. Ngƣỡng nhiệt độ này sẽ cung cấp năng lƣợng kích hoạt (active energy) đủ lớn để quá trình khuếch tán có thể xảy ra. Để đánh giá vấn đề trên, các mẫu đƣợc chúng tôi nung ở các nhiệt độ khác nhau trong thời gian ủ nhiệt 3 giờ nhƣ trình bày trong bảng 3.4.
Bảng 3.4: Các mẫu thủy tinh/ Si (70 nm)/ Al (235 nm) đƣợc nung ở các nhiệt độ khác nhau.
Tên mẫu Nhiệt độ nung (O
C) Thời gian ủ (giờ)
DH1 300 3 DH2 350 3 DH3 400 3 DH4 450 3 DH5 500 3 DH6 550 3 DH7 600 3
Sau khi nung nhiệt, các mẫu đƣợc quan sát bằng kính hiển vi quang học và chụp ảnh OTM theo sơ đồ ghi nhận ảnh đã trình bày trong hình 3.1
50
51
Hình 3.15: Ảnh OTM của các mẫu theo sự thay đổi nhiệt độ nung từ 300-600oC.
Các ảnh OTM ghi nhận đƣợc trong hình 3.15 là hình ảnh ban đầu của các sản phẩm màng thu đƣợc sau quá trình nung nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau, trong đó các mẫu đƣợc nung ở 300o
C và 350oC là hoàn toàn chắn sáng. Hiện tƣợng chắn sáng này có thể đƣợc hiểu là lớp Al ban đầu vẫn còn nguyên, liên tục, nên phản xạ hầu nhƣ ánh sáng chiếu tới. Nhƣ vậy có thể thấy rằng ở ngƣỡng
350oC ủ nhiệt trong 3 giờ, quá trình khuếch tán giữa hai lớp Al và Si chƣa xảy ra
hoặc có thể xảy ra rất chậm. Để kiểm chứng điều này, chúng tôi tiếp tục ủ nhiệt
mẫu nung ở 350oC trong 10 giờ trong lò nung chân không. Kết quả cho thấy mẫu
vẫn chắn sáng. Thời gian ủ nhiệt lớn hơn 10 giờ theo chúng tôi là hoàn toàn không khả thi trong việc ứng dụng sản xuất công nghiệp thực tế của phƣơng
pháp. Do đó với kết quả mẫu vẫn chắn sáng ở 3500
C trong 10 giờ cho thấy rằng:
ngƣỡng 350o
C chƣa có dấu hiệu khả thi cho việc khuếch tán giữa hai đơn lớp Al
và Si. Với các mẫu nung ở 400-600oC, ảnh OTM cho thấy đã có sự khuếch tán
giữa hai đơn lớp, màng Al không còn liên tục mà phân tán trong mạng lƣới của Si, thành các “ốc đảo” hay “đám ốc đảo” thể hiện qua các chấm hoặc vùng đen trên bề mặt màng, đƣợc thể hiện rất rõ nét ở ảnh OTM điển hình của mẫu sau khi nung ở 450oC.
52
Hình 3.16: Ảnh OTM của mẫu nung ở 450oC: a) Sau khi nung; b) Sau khi xử lý trong dung dịch axit.
So sánh hai ảnh a) và b) trong hình 3.16 đã chứng minh rõ các vùng đen trên bề mặt màng đặc trƣng cho các “cụm ốc đảo” của Al sau quá trình khuếch tán đã đƣợc tẩy đi bằng dung dịch axit và làm lộ ra lớp màng Si còn lại.
Nhƣ vậy qua các ảnh OTM ở bộ mẫu (DH1-DH7) trong hình 3.15 cho
thấy ở ngƣỡng nhiệt độ trên 400oC trong 3 giờ đã có sự khuếch tán giữa hai lớp
Al/Si. Hình thái học bề mặt khác nhau của các mẫu ghi nhận từ OTM cho thấy sự đa dạng về hình dạng của lớp Si còn dƣ trên bề mặt sau quá trình khuếch tán nhiệt. Cấu trúc của màng Si sau quá trình xử lý trong dung dịch axit để tẩy Al trên bề mặt đƣợc ghi nhận bằng phổ nhiễu xạ tia X (chụp tại Viện Dầu Khí TPHCM) thể hiện trong hình 3.17.
53
54
So sánh các kết quả thu nhận từ OTM và X-ray đã chứng minh đƣợc rằng:
bắt đầu từ ngƣỡng trên 400oC, đã có sự khuếch tán giữa hai lớp dẫn đến sự kết (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
tinh của vật liệu silic vô định hình thể hiện đỉnh phổ ở vị trí 28.5o đặc trƣng cho họ mặt mạng (111) của Si. Ở ngƣỡng dƣới 350oC, chƣa có dấu hiệu của sự khuếch tán, kết quả nhiễu xạ cho thấy màng vẫn là lớp silic vô định hình ban đầu. Các ảnh phổ nhiễu xạ còn cho thấy hình dáng và cƣờng độ của các đỉnh phổ
khá tƣơng đồng, điều đó chứng tỏ các màng đƣợc nung từ 400oC đều kết tinh rất
tốt và sự kết tinh này ít phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ từ 400-600oC. Tuy
nhiên kết quả nhiễu xạ cũng chỉ cho thấy khả năng kết tinh lại của vật liệu silic, còn mức độ kết tinh và tính chất thực của màng silic đa tinh thể sau quá trình khuếch tán nhiệt (thƣờng đƣợc đặc trƣng bởi kích thƣớc hạt tinh thể qua ảnh
SEM hoặc TEM và đỉnh phổ 520 cm-1 trong phổ Raman) thì rất khó có thể đánh
giá một cách chính xác do bị ảnh hƣởng của lớp silic còn dƣ phía trên. Do vậy ảnh hƣởng của sự thay đổi nhiệt độ nung lên tính chất của màng silic đa tinh thể thu đƣợc, vẫn chƣa đƣợc xác định rõ ràng. Thêm vào đó, do xuất phát từ quá trình khuếch tán nhiệt, nên ngƣỡng nhiệt độ để xảy ra quá trình khuếch tán của hai lớp Al và Si theo chúng tôi sẽ phụ thuộc rất lớn vào tỷ lệ hàm lƣợng giữa Al và Si, tức là tỷ lệ bề dày của lớp Al và Si ban đầu. Do đó mà kết luận về ngƣỡng
nhiệt độ xảy ra quá trình khuếch tán 400oC trong phần này của chúng tôi chỉ ứng
với tỷ lệ bề dày Al và Si ban đầu lần lƣợt là 70 nm và 235 nm. Chính vì sự sai khác về tỷ lệ bề dày, cũng nhƣ quy trình nung nhiệt trong nghiên cứu, đã dẫn đến sự khác biệt về kết quả trong nghiên cứu của nhóm chúng tôi, so với các công bố của các nhóm tác giả khác về ngƣỡng nhiệt độ xảy ra sự khuếch tán trong quá
trình AIC. Tuy nhiên, rất nhiều các công bố đã cho thấy, ngƣỡng nhiệt độ thích
hợp cho quá trình AIC xảy ra trong khoảng 350-500oC, đƣợc xem nhƣ có khả năng ứng dụng trên các đế thủy tinh thƣờng và có thể triển khai trong sản xuất công nghiệp.
55