Phép đo hiệu ứng Hall là công nghệ được sử dụng rộng rãi để xác định mật độ hạt tải và độ linh động trong vật liệu bán dẫn. Hơn nữa, từ phép đo Hall trong phạm
vi nhiệt độ rộng có thể cung cấp cho ta những thông tin về loại tạp chất, sai hỏng, tính đồng đều, và sự tán xạ…
* Nguyên tắc của phép đo hiệu ứng Hall:
Hình 2.10:Nguyên tắc phép đo hiệu ứng Hall
Khi một từ trường B được áp vào (theo phương z) vuông góc với chiều dòng điện (theo phương x), từ trường B gây ra một lực lên các hạt tải chuyển động, được gọi là lực Lorentz và được cho bởi công thức:
.( )
L D
Fr =q Vr ×Br (2.3)
với vD =µ.E là vận tốc cuốn của hạt tải. và μ là độ linh động của hạt tải.
Theo hình trên, FL chỉ có thành phần theo phương y, nên (2.3) có thể viết lại:
Fy = - q.vD.Bz = - q.μ.Ex.Bz (2.4)
Dưới tác dụng của lực Lorentz, các hạt tải mang điện sẽ di chuyển theo như mô tả trong hình (2.11):
Hình 2.11. Chuyển động của hạt tải điện
Các hạt tải điện di chuyển đến bề mặt vuông góc với phương y và bị “mắc kẹt”, nên bề mặt sẽ bị tích điện. Dấu của điện tích bề mặt phụ thuộc vào loại hạt tải, bề mặt sẽ tích điện âm nếu hạt tải là electron và tích điện dương nếu hạt tải là lỗ trống.
Chiều củaFr trong cả hai trường hợp là như nhau, vì có sự đổi dấu đồng thời giữa điện tích q và vận tốc dòng cuốn vD.
Bề mặt tích điện sinh ra một điện trường Ey theo phương y và ngược chiều với lực Lorentz, làm cho các hạt tải điện có xu hướng di chuyển ngược lại. Ở trạng thái cân bằng, Ey sẽ có giá trị bằng FL nhưng ngược dấu:
q Ey = - q μ Ex Bz (2.5)
Ey = - μ Ex Bz (2.6)
Từ đây ta có thể xác định được độ linh động μ của hạt tải.
Ngoài ra, ta có hệ số Hall đặc trưng cho mỗi loại vật liệu và được định nghĩa theo công thức: . y Hall z x E R B j = (2.7)
Khi xác định được hệ số Hall, ta cũng có thể dễ dàng xác định được độ linh động và nồng độ hạt tải thông qua công thức:
. . 1 . . . . . x z Hall x z E B R E B q n q n µ µ µ σ σ µ − − − = = − = = (2.8)
với jx = σ Ex là mật độ dòng điện và n là nồng độ hạt tải
2.2.5. Phương pháp bốn mũi dò
Điện trở suất ρ của mẫu là thông số quan trọng, nó có thể liên hệ với độ dẫn
của mẫu (ví dụ như quá pha tạp) như là hiệu ứng một chiều trên đặc tính thiết bị. Một phương pháp đơn giản để xác định ρ mà không phá hủy mẫu thường người ta
dùng phương pháp bốn mũi dò.
Có bốn đầu nhọn bằng kim loại tungsten có khoảng cách bằng nhau được dùng để tiếp xúc với bề mặt bán dẫn. Dòng điện đi qua giữa hai kim bên ngoài, trong khi đó hiệu điện thế được đặt giữa hai mũi kim bên trong.
Vì không có dòng điện (rất nhỏ) đi xuyên qua nên không có sự sai biệt hiệu điện thế đưa vào giữa các kim tiếp xúc. Tuy nhiên, có sự giảm thế ngang ở chổ tiếp xúc của các kim bên ngoài nhưng chúng ta chỉ đo dòng trong phạm vi vòng giữa chỗ tiếp xúc các kim.
Hình 2.12. Sơ đồ phương pháp đo bốn mũi dò.
Các đầu dò mang dòng (đầu dò bên ngoài) giống như nguồn lưỡng cực, thiết lập trường phân bố bên trong mẫu khi đo. Chúng ta phải giải thích điện thế khác nhau giữa hai đầu dò lân cận dưới sự biến đổi của điều kiện biên, từ đó suy ra biểu thức liên hệ dòng cung cấp, hiệu điện thế khác nhau và điện trở suất của mẫu thông qua các trường hợp sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trường hợp mẫu bán vô hạn, điện trở suất được cho bởi công thức
I V s) 2 ( π ρ = (2.9)
Trong trường hợp màng hai chiều mỏng. Ở đây dòng được xem như bị giam hãm hoàn toàn trong lớp bề dày t, với t << s. Điện trở này được định nghĩa là “điện trở mặt”, Rs (Ohm/square) hay (Ω/).
Điện trở suất của thanh vật liệu có chiều dài, rộng và bề dày t là ) . ( .t cm Rs Ω = ρ (2.10)
Và điện trở mặt cho hai hướng
I V I V G Rs . 4.53. 2 ln . = = π ( Ω/) (2.11)
Mẫu tạo bởi quá trình khuếch tán có độ sâu lớp khuếch tán t thì
I V t. . 53 . 4 = ρ (Ω/) (2.12) 2.2.6. Hệ đo I-V
Để khảo sát đặc trưng I –V của lớp tiếp xúc kim loại – bán dẫn của màng đa lớp chúng tôi dùng hệ đo I- V Keithley 2400 của Khoa Vật Liệu, trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên, ĐH Quốc gia TPHCM.
Cho hai đầu dò của hệ đo tiếp xúc với vị trí cần đo. Khi cung cấp một hiệu điện thế U thì
có một dòng điện tương ứng là I. Tín hiệu này được thu nhận và thể hiện qua máy tính cho ta đuờng đặc trưng I - V. Ngoài việc xác định đặc trưng I – V, máy còn có thể đo điện trở.
2.2.7 Hệ đo AFM
Là một thiết bị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa một đầu mũi dò nhọn với bề mặt của mẫu, có thể quan sát ở độ phân giải nanomet.
Cấu tạo của AFM gồm 5 bộ phận chính:
• Một mũi nhọn và cần quét ( cantilever).
• Nguồn Laser.
• Phản xạ gương (miroir ).
• Hai nữa tấm pin quang điện (photodiod)
• Bộ quét áp điện
Hình 2.15: Sơ độ hệ đo AFM
Nguyên lý hoạt động của AFM : Khi mũi nhọn quét gần bề mặt mẫu sẽ xuất hiện lực VandeWalt giữa các nguyên tử làm rung thanh rung. Dao động của thanh rung do lực tương tác làm thay đổi góc lệch của tia laser và được detestor ghi lại. Kết quả thu được hình ảnh cấu trúc bề mặt của mẫu.
Ưu điểm của AFM
AFM đo được cả vật dẫn điện và vật không dẫn điện. Nó không đòi hỏi môi trường chân không cao, có thể hoạt động ngay trong môi trường bình thường. Bên cạnh đó AFM cũng có thể tiến hành các thao tác di chuyển và xây dựng ở cấp độ từng nguyên tử, một tính năng mạnh cho công nghệ nano.
AFM cho thông tin đầy đủ hơn so với hình ảnh của hiển vi điện tử truyền qua và nó cung cấp thông tin ba chiều của bề mặt mẫu.
Nhược điểm của AFM
AFM quét ảnh trên một diện tích hẹp (tối đa đến 150 micromet). Tốc độ ghi ảnh chậm do hoạt động ở chế độ quét.
Chất lượng ảnh bị ảnh hưởng bởi quá trình trễ của bộ quét áp điện.
2.7.8 Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ điện tử thứ cấp từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.
Nguyên lý hoạt động và sự tạo ảnh trong SEM (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chùm điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử do bức xạ trường (FE-SEM), sau đó được tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện. Độ phân giải của FE-SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong FE-SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các bức xạ này. Các bức xạ chủ yếu gồm:
• Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): Đây là chế độ ghi ảnh thông dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì chúng có năng lượng thấp nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu với độ sâu chỉ vài nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu.
Hình 2.16: Sơ độ hệ đoFE- SEM
• Điện tử tán xạ ngược (Backscattered electrons): Điện tử tán xạ ngược là chùm điện tử ban đầu khi tương tác với bề mặt mẫu bị bật ngược trở lại, do đó chúng thường có năng lượng cao và độ xuyên sâu lớn. Sự tán xạ này phụ thuộc rất nhiều vào vào thành phần hóa học ở bề mặt mẫu, do đó ảnh điện tử tán xạ ngược rất hữu ích cho phân tích về độ tương phản thành phần hóa học. Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược có thể dùng để ghi nhận ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược, giúp cho việc phân tích cấu trúc tinh thể.
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1. Ứng dụng lý thuyết ma trận cho hệ màng đa lớp với sự kết hợp của lậptrình máy tính. trình máy tính.
Trong phần này, với chương trình máy tính bằng ngôn ngữ Fortran (phần phụ lục 1), bề dày các lớp điện môi và kim loại được xác định sao cho phù hợp trong việc chế tạo màng đa lớp dẫn điện trong suốt. Sơ đồ khối của chương trình Fortran trình bày thuật toán tìm bề dày thích hợp của lớp điện môi trong và ngoài như hình (3.1).
Trong sơ đồ khối hình (3.1), các giá trị n1, n2, n3, k1, k2, k3 của từng lớp màng được nhập bằng số cụ thể. Các giá trị d1min, d3min, d1max, d3max là giá trị bề dày chặn dưới và chặn trên của lớp điện môi khi thực hiện vòng lặp. Bề dày lớp kim loại được cho trước, đủ dày để màng liên tục (màng không liên tục sẽ tán xạ ánh sáng tới) và đồng thời đảm bảo hấp thụ là nhỏ. Với mỗi bước sóngλ0 cho trước, chương trình máy tính sẽ tìm một cặp bề dày lớp trong và lớp ngoài sao cho độ truyền qua lớn nhất ứng với bước sóng λ0.
Ag có tính ưu việt hơn các kim loại khác về tính chất điện, có chiết suất nhỏ [4] nên được chọn làm kim loại trung gian của màng đa lớp. Màng Ag có bề dày sao cho đảm bảo tính liên tục của màng. Do đó, trong phổ mô phỏng truyền qua của màng đa lớp bề dày màng Ag được chọn là 16nm. Ở bề dày này màng có tính liên tục và được kiểm chứng bằng thực nghiệm qua ảnh FE-SEM được trình bày ở hình 3.13. Trong phổ mô phỏng truyền qua, bước sóng được chọn là 550 nm vì đây là ánh sáng nhạy với mắt người nhất và có năng lượng cực đại trong phổ bức xạ mặt trời. Lớp khử phản xạ được chọn là GZO có chiết suất của lớp điện môi là 2.0. Kết quả nhận được từ chương trình máy tính được trình bày ở bảng (3.1).
Hình 3.1 : Sơ đồ khối của chương trình máy tính 3 3max d < d 1 1max d d< tam T Ttam> Tmax T > Sai Đúng max tam 1 1 3 3 T T a d a = d = = Đúng Sai 1 1 1 d = +d Đúng Sai λ < λmax λ = λ + 5 max 1 1 3 3 T = T d = a d = a Kết quả Sai 1 2 3 1 2 3 1 2 3 ( , , , , , , , , ) T g d d d n n n k k k= Nhập
Bề dày lớp kim loại d2 đủ dày để màng liên tục
1 3 ( , , ) T g d d= λ 3 3min 1 1min, min d d d d λ λ = = = Ttam=T d3 = d3+1 Đúng
Dựa vào chương trình mô phỏng bằng ngôn ngữ Fortran tìm ra màng đa lớp có bề dày lớp trong và lớp ngoài nhỏ nhất thỏa mãn yêu cầu đặt ra ban đầu.
Thực vậy, kết quả cho trong bảng 3.1, mẫu LT1 có bề dày lớp trong và lớp ngoài
nhỏ hơn các mẫu khác nhưng độ truyền qua của nó thấp hơn 80% nên ta không chọn kết quả này. Trong các mẫu còn lại, mẫu LT2 có bề dày lớp trong và lớp ngoài thấp nhưng có độ truyền qua cực đại nhỏ hơn không đáng kể so với mẫu LT3 và LT4, đồng thời độ truyền qua trung bình của nó cao hơn rất nhiều so với hai mẫu kia, nên kết quả này là tối ưu với các thông số bề dày của lớp điện môi trong và
ngoài tương ứng là 52 nm và 54 nm.
Hình 3.2:Phổ Lý thuyết từ chương trình Matlab của màng đa lớp GZO/Ag/GZO Bảng 3.1: Kết quả bề dày các lớp từ chương trình máy tính
Tên mẫu n d1(lớp ngoài) (nm) d3(lớp trong) (nm) Tmax (%) LT1 2 50 13 79.12 LT2 2 52 54 86.82 LT3 2 189 47 89.04 LT4 2 330 188 89.18
Điều này được khẳng định hơn thông qua phổ mô phỏng truyền qua hình (3.2), các màng LT3 và LT4 có đồ truyền qua trung bình thấp hơn so với LT2 là do chúng có nhiều bậc giao thoa và như thế đi ngược lại với mục tiêu đề ra của luận văn này.
Bên cạnh tính chất truyền qua cao của màng đa lớp, tính chất điện tốt của màng do lớp kim loại quyết định, nên cần có bề dày lớp Ag hợp lý để màng có điện trở thấp mà vẫn đảm bảo độ truyền qua cao.
Chính vì lý do trên, độ truyền qua của màng đa lớp theo bề dày lớp Ag cần được khảo sát. Để chọn bề dày tối ưu của lớp Ag cho màng đa lớp, màng đa lớp GZO/Ag/GZO được mô phỏng độ truyền qua với bề dày lớp Ag thay đổi như bảng (3.2)
Từ hình 3.3, độ truyền qua của màng đa lớp GZO/Ag/GZO phụ thuộc mạnh vào bề dày lớp Ag. Bề dày của màng Ag càng lớn thì độ truyền qua của màng càng giảm. Với bề dày màng Ag lớn hơn 18nm thì độ truyền qua cưc đại của màng nhỏ hơn 80%. Để độ truyền qua của màng tốt thì màng phải có bề dày lớp Ag nhỏ. Màng đa lớp có bề dày lớp Ag là 16nm có độ truyền qua cực đại là 86,82% ứng với bước sóng 550nm. Màng đa lớp có bề dày lớp Ag nhỏ hơn thì có độ truyền qua cao hơn. Tuy nhiên, bề dày của lớp Ag nhỏ hơn thì tính chất điện của màng ảnh hưởng vì nó phụ thuộc vào tính liên tục của lớp Ag. Để đảm bảo tính chất điện ổn định và tính chất quang tốt, trong luận văn này, lớp kim loại Ag của màng đa lớp được chọn có
Bảng 3.2: Thông số màng đa lớp với bề dày Ag thay đổi
Tên mẫu Bề dày lớp Ag (nm) d1(lớp ngoài) (nm) d3(lớp trong) (nm) Tmax (%) LT7 12 50 53 94.81 LT8 14 51 53 91.43 LT9 16 52 54 86.82 LT10 18 53 54 81.35 LT11 20 53 58 75.28 LT12 22 54 57 69.01 LT13 24 55 56 62.57
bề dày là 16nm. Với tính chất điện và tính chất quang của màng đa lớp như phổ mô phỏng, màng đa lớp GZO/Ag/GZO rất phù hợp để làm màng điện cực trong suốt.
Hình 3.3:Phổ truyền qua theo lý thuyết của các màng đa lớp GZO/Ag/GZO có bề dày lớp Ag thay đổ
3.2 Màng đa lớp GZO/Ag/GZO
3.2.1 Chế tạo bia gốm ZnO:Ga (GZO)
3.2.1.1 Các thiết bị, hóa chất được sử dụng:
ZnO 99.9 %, Ga2O3 99.99%. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cân kỹ thuật số (Sartorius, Germany) độ chính xác 0.01 mg.
Máy nghiền bi (Ceramic Instrument, Italy) với cối và bi nghiền bằng vật liệu corundum, chế độ hoạt động quay theo kiểu hành tinh.
Buồng sấy chân không (SHELLAB, England), áp suất < 10-2 torr và nhiệt độ tối đa 200oC.
Máy nén thủy lực (Italy), lực tối đa 180 tấn; lò nung nhiệt độ cao, tối đa 1800oC (VMK 1800, Linn, Germany) có khả năng lập trình nhiệt độ theo thời gian.
3.2.1.2 Các bước cơ bản của quá trình chế tạo bia gốm
Quy trình chế tạo bia gốm được trình bày trên hình (3.3) :
Nghiền bột ZnO bằng máy nghiền bi ly tâm với cối và bi Corundum (Al2O3) (Ceramic Instruments, Italy) với thời gian hơn 5 giờ bằng phương pháp nghiền ướt với nước cất. Sấy khô bột ZnO để bay hết hơi nuớc.
Hỗn hợp bột ZnO sấy khô và bột pha tạp Ga2O3 được cân đúng tỉ lệ bằng