Như đã đề cập ở phần 3.2.3.2, Ag dễ bị oxy hoá do bề mặt của màng gồ ghề, nên ở tiếp giáp Ag-GZO dễ xảy ra khuếch tán của oxy trong bán dẫn GZO sang Ag, làm cho lớp Ag bị oxy hoá sau một khoảng thời gian tạo màng. Kết quả, màng đa lớp GZO/Ag/GZO kém bền. Cụ thể, bề mặt màng đa lớp GZO/Ag/GZO được quan sát bằng kính hiển vi quang học có độ phóng đại 600 lần. Hình (3.15a) màng vừa tạo, hình (3.15b) màng được tạo sau 2 tuần và hình (3.15c) màng được tạo sau 4 tuần.
Ta nhận thấy, sự oxy hoá của Ag làm cho màng bị sai hỏng nghiêm trọng sau một khoảng thời gian tạo màng. Vì vậy, với tính chất quang, điện tốt, đặc biệt là độ dày màng rất tối ưu trong quá trình ứng dụng nên việc tìm cách khắc phục sự oxy hoá lớp Ag là điều cần thiết để tạo ra một màng dẫn điện hoàn hảo hơn. Cần tìm lớp
a) b)
c)
Hình 3.15 :Bề mặt màng đa lớp GZO/Ag/GZO vừa chế tạo (hình 3.15a), sau 2 tuần khảo sát (hình 3.15b) và sau 4 tuần khảo sát (hình 3.15c)
đệm để khắc phục điều này, Ti là vật liệu triển vọng làm lớp đệm do nó hợp mạng với màng Ag.
3.3 Màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO
Công trình [27], [33] giải thích sự kém bền của Ag là do bề mặt của màng có độ gồ ghề lớn, nguyên nhân này xuất phát từ màng Ag có cấu trúc ốc đảo cao và vì thế mật độ mầm tạo thành thấp. Để khắc phục sự kém bền của màng Ag, các công trình trên đưa ra giải pháp nâng cao độ bền của màng bằng cách pha tạp Ti vào Ag, khi có tạp Ti trong màng sẽ tạo ra liên kết giữa Ti và Ag mạnh hơn liên kết giữa các nguyên tử Ag vì thế dẫn đến mật độ mầm hình thành cao, giảm độ gồ ghề của màng. Tuy nhiên, giải pháp này rất tốn kém vì việc chế tao target hợp kim Ag-Ti khó và giá thành cao, ngòai ra khó kiểm soát thành phần Ti và Ag có trong màng.
Một giải pháp được đưa ra trong công trình này là phủ một lớp màng mỏng Ti cỡ 2nm chặn trên và chặn dưới lớp Ag, làm rào cản ngăn oxy khuếch tán vào trong màng Ag theo thời gian sử dụng thông qua tiếp giáp Ag-GZO. Lớp Ti và lớp Ag được tạo ở áp suất 10-3 torr để màng sạch và được tạo ở mật độ dòng thấp cỡ 1,5 mA/cm2, vì cần màng có bề dày nhỏ. Ngoài ra, Ag còn được lắng đọng ở nhiệt độ phòng để tránh sự oxy hóa. Ti được phủ thêm có dạng ốc đảo, đóng vai trò là các mầm để tăng sự liên kết với Ag như công trình [27], [33] đã đế cập. Vì vậy giải pháp này tương đồng với việc pha Ti vào Ag và đồng thời dễ kiểm soát thành phần của Ti và Ag hơn so với các công trình trên.
Để khẳng định màng Ag không bị oxy hóa khi có lớp đệm Ti, màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO được theo dõi bề mặt trong 6 tháng sau khi chế tạo. Kết quả được thể hiện trên hình (3.16), cho thấy không có dấu vết sự oxy hóa của màng Ag.
a)
b)
Hình 3.16: Bề mặt màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO vừa chế tạo (hình 3.16a)
và sau 6 tháng khảo sát (hình3.16b)
b)
Như vậy, việc thêm lớp Ti làm gia tăng đáng kể độ bền của màng. Điều đó thể hiện rõ hơn thông qua ảnh bề mặt AFM của màng Ti/Ag và Ag hình (3.17).
Kết quả cho thấy độ gồ ghề của màng Ag giảm đáng kể khi có lớp đệm Ti, điều này đã được S.-W. Chengiải thích trong công trình [33].
Hình 3.18: Phổ XRD của màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO
Từ phổ nhiễu xạ tia XRD (hình 3.12) thấy có sự xuất hiện của hai đỉnh phổ. Một đỉnh của ZnO (002) tại 2θ =340, đỉnh còn lại của Ag (111) tại 2θ =380. Điều đó chứng tỏ trong mẫu có sự hiện diện của ZnO và Ag.
RMS=1,314 RMS=1,0302
Hình 3.17 : Ảnh AFM của bề mặt Ag khi không có phủ Ti (3.17a);
bề mặt Ag khi có phủ Ti (3.17b)
3.3.1 Tính chất điện
Thông qua tất cả các lý luận ở các mục, màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO được chế tạo với các thông số như bảng 3.7
Điện trở mặt của màng đạt được trình bày ở bảng 3.8, cho thấy màng đa lớp (N28) có lớp đệm Ti vẫn đảm bảo điện trở mặt thấp như màng đa lớp (N22) không có lớp đệm Ti, nhưng có ưu điểm vượt trội hơn là màng bền theo thời gian. Ngòai ra, tổng bề dày màng đa lớp khoảng 100 nm, thích hợp ứng dụng làm điện cực trong suốt vì hạn chế ứng suất của màng.
Bảng 3.7: Thông số tạo màng GZO/Ti/Ag/Ti/GZO
Bảng 3.8: Tính chất điện của màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO và màng đơn lớp
Lớp Mật độ dòng (mA/cm2 ) Bề dày (nm) Áp suất (torr) Khoảng cách bia - đế (cm) GZO 3,0 50 10-3 5,5 Ag 1,5 16 10-3 5,5 Ti 1,5 2 10-3 5,5
Tên mẫu Độ dày màng
(nm) Điện trở mặt ( Ω/W) Điện trở suất ( Ω.cm) N27(GZO/Ti/Ag/Ti/GZO) 50/2/12/2/50 4.5 0,52.10−4 N28(GZO/Ti/Ag/Ti/GZO) 50/2/16/2/50 3.5 0, 42.10−4 N29(GZO/Ti/Ag/Ti/GZO) 50/2/20/2/50 2.7 0,33.10−4 N25(GZO) 100 6140 610.10−4 N26(GZO) 1250 5.7 4,6.10−4 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Màng đa lớp tạo ra có điện trở suất và điện trở mặt lớn hơn một ít so với lớp kim loại giữa do độ linh động hạt tải giảm, vì điện tử bị tán xạ ở tiếp giáp bảng (3.9).
Dựa vào công thoát của Ag và của GZO ta thấy rằng tiếp xúc của bán dẫn – kim loại trong trường hợp này là tiếp xúc Ohmic. Để khẳng định tính chất của lớp tiếp xúc này, màng đa lớp tạo được được đo đặc trưng I – V. Kết quả được trình này trên hình (3.19):
Đường đặc trưng I –V là đường thẳng. Điều đó chứng tỏ sự dẫn điện của màng là do lớp kim loại và hiệu ứng tiếp xúc kim loại – bán dẫn là tiếp xúc Ohmic. Bên cạnh đó, dựa vào đồ thị ta cũng thấy được màng đa lớp có điện trở nhở hơn 10Ω.
Một cách khác đơn giản hơn để giải thích điện trở của màng đa lớp tạo được dựa vào điện trở tương đương của màng.
Học viên: LÊ HOÀNG NAM
Bảng 3.9: Độ linh động và nồng độ hạt tải của màng đa lớp và màng Ag
Hình 3.19: Đường đặc trưng I-V của màng đa lớp
Lớp GZnO (R1) Lớp Ag (R2) Lớp GZO (R3) Đế thuỷ tinh Tên mẫu Tên các lớp Độ dày màng
(nm) Độ linh động (cm / V.s )2 Nồng độ hạt tải (cm−3) Điện trở suất ( Ω.cm) Điện trở mặt ( Ω/W) N12 Ag 16 39.93 3.69.1022 0.42.10-5 2.6 N28 GZO/Ti/Ag/Ti/GZO 50/2/16/2/50 20.85 1.04.1022 2.89.10-5 2.5
Ta xem như ba lớp màng là ba điện trở ghép song song khi đó điện trở tương đương của ba lớp màng sẽ là
1 2 3
1 1 1 1
R = R + R + R (3.1)
Vì hai lớp GZO kẽm là như nhau có cùng bề dày và có cùng điện trở suất nên:
R1=R3 (3.2) Khi đó điện trở tương đương của ba lớp màng sẽ là:
1 2 1 1 2 1 1 1 1 2 1 R = R + R + R = R + R (3.3) Suy ra: 1 2 1 2 2 R R R R R = + (3.4) Mà ta có: l R S ρ = (3.5)
Vì điện trở suất của Ag nhỏ hơn rất nhiều so với điện trở suất của ZnO. Suy ra: R1 ? R2 nên từ phương trình (3.4) suy ra R R= 2
Vậy điện trở của màng đa lớp phụ thuộc vào điện trở của lớp màng nên sự dẫn điện chủ yếu xảy ra ở lớp Ag.
3.3.2 Tính chất quang
Màng đa lớp có độ truyền qua phụ thuộc vào bề dày của các lớp. Với một bề dày xác định của lớp Ag, chương trình máy tính đã tìm được bề dày lớp trong và lớp ngoài để màng đa lớp có độ truyền qua cao nhất. Thật vậy màng GZO/Ti/Ag/Ti/GZO với các thông số tạo màng đã được đề cập ở phần 3.3.2 cho kết quả phổ truyền qua trên hình (3.21).
Bề dày lớp Ag tăng lên sẽ làm độ truyền qua của màng đa lớp giảm. Trong các mẫu N27, N28 và N29 thì mẫu N27 có độ truyền qua cao nhất vì có bề dày lớp Ag nhỏ nhất. Mẫu N28 có độ truyền qua≈83% tại bước sóng 550nm thấp hơn mẫu N27 một ít nhưng có điện trở mặt thấp 3,5Ω/W.
Độ truyền qua của màng đa lớp khá tốt so với màng đơn lớp như kết quả trên hình 3.22. Tuy nhiên, để đánh giá một cách toàn diện hơn khả năng hấp thụ ánh sáng của màng, độ truyền qua trung bình của màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO và màng đơn lớp GZO trong vùng ánh sáng khả kiến có bước sóng từ 400nm đến 750nm được so sánh với độ truyền qua trung bình của thủy tinh trong vùng ánh sáng tương ứng. Kết quả được trình bày trên hình (3.23) và hình (3.24)
Hình 3.21: Phổ truyền qua của các màng đa lớp
Hình 3.22: Phổ truyền qua của các màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO và màng đơn lớp GZO
Hình 3.23: Độ hấp thu năng lượng của màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO so với thuỷ tinh
Độ truyền qua trung bình của màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO so với thủy tinh trong vùng ánh sáng nhìn thấy là khoảng 77%. Còn độ truyền qua trung bình của màng đơn lớp GZO so với thuỷ tinh trong vùng ánh sáng nhìn thấy là khoảng 85%. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tuy nhiên, khi mở rộng bước sóng ánh sáng sang vùng tử ngoại, màng đơn lớp không cho ánh sáng truyền qua trong vùng này, trong khi đó màng đa lớp cho phép ánh sáng truyền qua. Vì vậy màng đa lớp có độ truyền qua trung bình lớn hơn khi mở rộng sang vùng tử ngoại. Như vậy màng đa lớp tận dụng được vùng ánh sáng tử ngọai.
Hình 3.25: Độ truyền qua trung bình của màng đơn lớp và đa lớp khi mở rộng sang vùng tử ngoại
KẾT LUẬN
Trong công trình này, chúng tôi đã chế tạo thành công màng đa lớp dẫn điện trong suốt bằng phương pháp phún xạ Magnetron DC. Cụ thể:
Tạo được màng đa lớp GZO/Ag/GZO có điện trở thấp, có độ truyền qua phù hợp với lý thuyết mô phỏng.
Khắc phục được sự oxy hóa của lớp kim loại Ag trong màng đa lớp bằng cách chèn thêm lớp Ti cỡ 2nm vào giữa lớp Ag và GZO.
Tạo được màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO có độ bền tốt. Các màng tạo ra có điện trở mặt thấp ( nhỏ hơn 4 /Ω W) và có độ truyền qua cao ( lớn hơn 80%).
Tạo được màng đa lớp dẫn điện trong suốt có bề dày nhỏ - khoảng 100nm, sẽ mang lại nhiều ứng dụng trong các thiết bị quang điện.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Tiếp tục nghiên cứu, để cải thiện hơn nữa tính chất quang của màng đa lớp, cụ thể nhằm mở rộng vùng phổ truyền giúp cho việc mở rộng độ hấp thu năng lượng của màng
Đánh giá tổng thể độ ổn định của màng trong khoảng thời gian dài.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH
[1]. Lê Hoàng Nam, Trần Hoàng Cao Sơn, Lê Trấn , “Nghiên cứu và chế tạo màng đa lớp trong suốt dẫn điện bằng phương pháp phún xạ magnetron DC", Báo cáo tại Hội nghị Quang Học Quang Phổ Toàn Quốc lần VI – Hà Nội 08-12/11/2010.
[2]. Lê Hoàng Nam, Trần Hoàng Cao Sơn, Lê Trấn , “Nghiên cứu và chế tạo màng đa lớp trong suốt dẫn điện bằng phương pháp phún xạ magnetron DC", Báo cáo tại Hội nghị Khoa học trường ĐH Khoa học tự nhiên-ĐHQG Tp. HCM, Lần VI, tháng 11/2010.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt
[1] Cao Thị Mỹ Dung, 2006, “Chế tạo màng dẫn điện trong suốt ZnO – Ga bằng phương pháp phún xạ magnetron”, Luận văn thac sĩ Đại học Khoa học Tự nhiên
[2] Hồ văn Bình (2009), "Chế tạo màng dẫn điện trong suốt ZnO: Ti để nâng cao độ dẫn điện của màng", Tạp chí phát triễn KH&CN, tập 12, số 12, trang 59 - 64.
[3] Lê Văn Hiếu, 2005, Vật lý điện tử, Đại học Khoa học Tự Nhiên.
[4] Lê Trấn (2008) , "Nghiên cứu và chế tạo màng gương nóng truyền qua bằng phương pháp phún xạ magnetron DC", Luận án tiến sĩ Vật Lí, GVHD GS.TS. Nguyễn Hữu Chí, PGS.TS Trần Tuấn.
[5] Lê Khắc Bình, 2002, Cơ sở vật lí chất rắn, Đại học Khoa học Tự Nhiên.
[6] Trương Kim Hiếu, (2007), "Bài giảng vật lý quang bán dẫn 2", đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh.
[7] Dương Anh Quang (2010),"Nghiên cứu chế tạo màng mỏng dẫn điện trong suốt ZnO pha tạp loại p bằng phương pháp phún xạ magnetron DC", Luận văn thạc sĩ Vật Lý Đại học Khoa học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh.
Tiếng Anh
[8] A. Salehi al. (1998), "The effects of deposition rate and substrate temperature of ITO thin films on electrical and optical properties", Thin Solid Films 32, p.214–218.
[9] A. Mtsui, 2004, “Thermal stability of electrical resistance of (ZnO:Ga,Y)/
(ZnO:Ga)/(ZnO:Ga,Y) multilayers for electrically heated windows,” Vacuum 74, p.747-751.
[10] A.M.A. Rahman, T. Narusawa, (2008), "RBS study of Ti/ZnO interface", Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 266, p.1378–1381.
[11] [17] A. Indluru and T. L. Alford (2009) “Effect of Ag thickness on electrical transport and optical properties of indium tin oxide–Ag–indium tin oxide multilayers” J. Appl. Phys. 105, 123528.
[12] B. M. Ataev, A. M. Bagamadova (1995), "Highly conductive and transparent Ga-doped epitaxial ZnO films on sapphire by CVD" Thin Solid Films, 260, p. 19 – 20.
[13] D.R. Sahu et.al (2006), “ZnO/Ag/ZnO multilayer films for the application of a very low resistance transparent electrode” , Applied surface Science 252, p. 7509-7512. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
[14] D.R. Sahu, J.L Huang (2006), “High quality transparent conductive ZnO/Ag/ZnO multilayer films deposited at room temperature”, Thin solid films 515, p. 876-879.
[15] D.R. Sahu, J.L Huang (2006), “Design of ZnO/Ag/ZnO multilayer transparent conductive films”, Materials Science and Engineering B130, p. 295-299.
[16] D. Beena et al.(2007), "Influence of substrate temperature on the properties of laser ablated indium tin oxide films", Solar Energy Materials & Solar Cells 91, p.1438–1443
[17] D.R. Sahu et al.(2008), "Investigation of conductive and transparent Al-doped ZnO/Ag/Al-doped ZnO multilayer coatings by electron beam evaporation",
Thin Solid Films 516, p.4728–4732.
[18] Elvira M.C Fortunato et.al., (2005) “Fully transparent ZnO thin-film transistor proued at room temperature” Advaned materials 17, p. 590 – 593.
[19] E. Fortunato et al. (2008), "Highly stable transparent and conducting gallium- doped zinc oxide thin films for photovoltaic applications", Solar Energy Materials & Solar Cells 92, p.1605–1610.
[20] Hing-Hsuang Cheng, Wan-Yu Wu, Jyh-Ming Ting, (2008), “Nanoscaled Multilayer Thin Films Based on GZO”, Journal of Nano Research Vol. 2, p. 61 – 67.
[21] H.-K. Parketal (2009), "Characteristicsof indium-free GZO/Ag/GZO and AZO/Ag/AZO multilayer electrode grown by dual target DC sputtering at roomtemperature for low-costorganic photovoltaics", Solar Energy Materials & Solar Cells, p.1994–2002.
[22] J.J Lu, 2007, “Conductivity enhancement and semiconductor – metal transition in Ti-doped ZnO films,” Optical Materials 29, pp 1548-1552
[23] J. Nomoto et al. (2010), "Comparative study of resistivity characteristics between transparent conducting AZO and GZO thin films for use at high temperatures", Thin Solid Films 518, p.2937–2940.
[24] K. Maknys et al. (2006), "Analysis of ITO thin layers and interfaces in heterojunction solar cells structures by AFM, SCM and SSRM methods", Thin Solid Films 511 –512, p.98– 102.
[25] K. Gupta, K. Ghosh, R. Patel, P. K. Kahol (2009), "Optoelectrical properties ZnO and W-doped In2O3 multilayer films grown by pulsed laser deposition",
Journal of ptoelectronics and Biomedical Materials Vol. 1, p. 209 – 214.
[26] K.-S. Kao et al. (2009), “Transparence and electrical properties of ZnO-based multilayer electrode”, Appl Phys A 96, p. 529–533.
[27] K.S. Kao et al. (2010), “Effect of mesh patterning with UV pulsed-laser on optical and electrical properties of ZnO/Ag–Ti thin films”, Applied Surface Science 256, p. 7446–7450.
[28] M. Miyazaki, K. Stao (1997), "Properties of Ga – doped ZnO films", Non – Crystalline Solids, 218, p. 323 – 328.
[29] Stato et al. (1995), "Transparent conductive films consisting of zinc oxide and gallium", United State Patent, Patent Number 5458753.
[30] Sung-Jei Hong, Jeong-In Han, (2006), "Indium tin oxide (ITO) thin film fabricated by indium–tin–organic sol including ITO nanoparticle", Current Applied Physics, Volume 6, p.206 – 210.
[31] S. Goldsmith (2006), “Filtered vacuum are deposition of undoped and doped ZnO thin films: Electrical, optical, and structural properties,” Surface and Coatings Technology 201, pp 3993-3999.
[32] S. Bernik, N. Daneu (2007), "Characteristics of ZnO-based varistor ceramics doped with Al2O3", Journal of the European Ceramic Society 27, p.3161–3170. [33] S.-W. Chen, C.-H. Koo (2007), “ITO–Ag alloy–ITO film with stable and high
conductivity depending on the control of atomically flat interface”. Materials Letters 61, p. 4097–4099.
[34] S.H Mohamed (2008), “Effects of Ag layer and ZnO top layer thicknesses on the physical properties of ZnO/Ag/Zno multilayer system”, Journal of Physics and Chemistry of Solids 69, p. 2378–2384.
[35] Sutthipoj Sutthana et al. (2008) “Electrical and Optical Properties of AZO/Ag/AZO Multilayer Thin Films Prepared by DC Magnetron Sputtering”
CMU. J.Nat.Sci. Special Issue on Nanotechnology Vol. 7(1), p. 105 – 111. [36] S. Sutthana, N. Hongsith, S. Choopun (2010), "AZO/Ag/AZO multilayer films
prepared by DC magnetron sputtering for dye-sensitized solar cell application",Current Applied Physics, Volume 10, Issue 3, p. 813-816.
[37] Shumei Song, Tianlin Yang, Yanqing Xin, Lili Jiang, Yanhui Li, Zhiyong Pang, Maoshui Lv, Shenghao Han (2010), "Effect of GZOthickness and