Rutherford –RBS)
RBS là kĩ thuật phân tích các tính chất hóa lí của vật liệu thông qua việc xác định năng lượng tán xạ của ion năng lượng cao (thường sử dụng ion He với năng lượng 2MeV). RBS thường được dùng để xác định thành phần nguyên tố, hàm lượng, bề dày và cấu trúc của vật liệu. Đây là phương pháp rất hữu dụng để phân tích màng đa lớp và xác định bề dày của từng lớp.
Nguyên lý hoạt động
Chùm ion năng lượng cao từ máy gia tốc qua ống chuẩn trực và dẫn đến mẫu (bia) có thể xuyên sâu vào bên trong nguyên tử của mẫu, năng lượng của chúng bị mất mát trên quãng đường đi do va chạm với các điện tử. Chúng tiếp tục đi sâu vào bên trong nguyên tử đến một khoảng nào đó khi chịu ảnh hưởng của lực đẩy Coulomb và quá trình tán xạ xảy ra giữa ion đến và hạt nhân nguyên tử bên trong mẫu. Ion tán xạ sẽ thoát ra khỏi mẫu tương ứng với góc tán xạ riêng, lúc này năng lượng tán xạ sẽ được thu nhận từ đầu dò và được phân tích nhờ bộ khuếch đại và bộ phận phân tích đa kênh.
Năng lượng mất mát của ion tán xạ ngược phụ thuộc vào hai quá trình: năng lượng mất mát cuả ion do tương tác với hạt nhân và quá trình va chạm với các điện tử. Quá trình thứ nhất phụ thuộc vào tiết diện tán xạ nên nó phụ thuộc vào khối lượng nguyên tử và số nguyên tử trong mẫu. Quá trình thứ hai năng lượng mất mát phụ thuộc vào mật độ điện tử của nguyên tử và khoảng cách mà ion tới đi qua bên trong mẫu trước khi tán xạ ngược. Năng lượng mất mát ở trường hợp này nhỏ hơn nhiều so với trường hợp thứ nhất.
Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý phổ RBS.
Nguồn ion (ion He) Hệ máy gia tốc Phân tích từ Bộ lọc từ (switch megnet) Buồng tán xạ Mẫu
Năng lượng lượng tán xạ sau khi được ghi nhận và phân tích thì kết quả thực nghiệm sẽ được hiển thị dưới dạng phổ năng lượng tán xạ ngược của hạt tán xạ ( phổ RBS) ở hình 3.10. Năng lượng tán xạ là thông tin quan trọng để xác định được thành phần nguyên tố, hàm lượng, bề dày và cấu trúc của mẫu.
Xác định thành phần các nguyên tố trong mẫu
Thành phần các nguyên tố được xác định dựa vào hệ số va chạm động học (K). Hệ số K được xác định từ tỷ lệ năng lượng ban đầu của hạt tới (Eo) và năng lượng hạt tán xạ (E1i) thể hiện ở công thức (3.14) và (3.15):
0 1 KE Ei = (3.14) (3.15) i i o i i M M M M M E E K + + − = = 1 1 2 1 2 2 1 2 1 ( sin θ) cosθ C ôn g su ất ( số đ ếm )
Năng lượng (keV) Màng Si trên đế Nb
Với M1: khối lượng nguyên tử của ion tới (MeV); Mi: khối lượng nguyên tử của hạt nhân thứ i bên trong mẫu (MeV); θ: góc tán xạ của ion sau va chạm.
Từ công thức (3.24 ) với các thông số đã biết E0, M1 của ion tới (ion He) là giá trị xác định. Vì vậy việc xác định năng lượng tán xạ giúp ta xác định được khối lượng của nguyên tử ở nơi tán xạ xảy ra. Từ đó ta xác định được nguyên tố có trong mẫu. Như vậy từ thang đo năng lượng cho từ phổ năng lượng tán xạ ngược (RBS) được chuyển về thang đo khối lượng nguyên tử, được mô tả như hình 3.11.
Mỗi hạt nhân khác nhau, ion tới va chạm và tán xạ với mức năng lượng khác nhau. Từ đó ta sẽ thấy những bờ đặc trưng riêng của mỗi nguyên tố từ phổ RBS.
Xác định bề dày của màng
Bề dày của lớp màng mỏng cũng được xác định dựa vào tổng năng lượng mất mát. Năng lượng này phụ thuộc chủ yếu vào hệ số tán xạ động học (K), năng lượng mất mát của ion trên đường thâm nhập vào và đi trở ra sau khi va chạm với hạt nhân.
Hình 3.11 Mối liên hệ giữa khối lượng nguyên tử với K và .
K ( E 1 /E 0 ) Góc tán xạ (độ)
Với ∆E: tổng năng lượng mất mát (eV) hay độ rộng của đỉnh năng lượng từ phổ RBS; N: mật độ nguyên tử của mẫu (at cm-3); ∆x: bề dày của lớp màng mỏng ( cm); N∆x là số nguyên tử trên cm2 (at cm-2 ); ε: hiệu suất hãm (Stopping cross section) (eVcm2).
Bề dày của màng mỏng sẽ được xác định từ các giá trị nhận được từ phân tích RBS, nó phụ thuộc vào giá trị độ rộng của đỉnh năng lượng quan sát được từ phổ RBS. Ngoài ra bề dày của lớp màng con được xác định từ tổng số hạt của ion tán xạ ngược từ phổ RBS.
Xác định hàm lượng của nguyên tố trong mẫu
Hàm lượng của nguyên tố trong mẫu sẽ được tính toán dựa vào cường độ của đỉnh phổ đặc trưng riêng của mỗi nguyên tố trên phổ tán xạ ngược từ công thức sau:
Y = σΩQNΔx (3.17)
Với Y: công suất hay số đếm của ion tán xạ (ion He); σ: thiết diện tán xạ (cm2); Ω: góc đặt detector so với bề mặt vật rắn (Sr); N: tổng số hạt ion tán xạ (số đếm); ∆x: bề dày của lớp màng (cm).
Tóm lại từ phổ tán xạ ngược Rutherford ta có thể xác định được thành phần nguyên tố dựa vào vị trí của đỉnh phổ, bề dày của lớp màng được xác định từ độ rộng của đỉnh năng lượng tán xạ và độ cao của đỉnh phổ giúp ta xác định được hàm lượng nguyên tố trong mẫu.
Phép phân tích RBS mang lại nhiều ưu điểm như: cung cấp nhiều thông tin từ bề mặt màng, không phá hủy mẫu, nhạy với đa số các nguyên tố và hàm lượng nguyên tố cũng được tính toán chính xác. Tuy nhiên khi ion xuyên sâu vào trong mẫu sẽ tạo sai hỏng nhất định như trường hợp cấy ion vào trong màng và làm sai lệch mạng.
CHƯƠNG 4:
CHẾ TẠO MÀNG ZnO ĐỒNG PHA TẠP (In, N) BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON DC 4.1 Quy trình chế tạo bia gốm dẫn điện ZnO pha tạp In
Hình 4.1 Quy trình tạo bia phún xạ bằng phương pháp dung kết.
Cân các ôxít thành phần Nghiền ướt và trộn Sấykhô Hình 1.3 Sai hỏng Schottky và Frenkel. Trộn với keo PVA
Định hình bằnglực ép
Bay hơi keo
Dung kết
Với các công đoạn chế tạo bia như trên, chúng tôi đã tạo được các bia ZnO pha tạp In với nồng độ In2O3 lần lượt là 0%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%. Bia sau khi tạo ra có màu xanh lục, hình vuông cạnh 75 mm, dày 6 mm, khối lượng riêng tính được khoảng 5.1 g/cm3, độ nén chặt của bia khoảng 91%, điện trở khối của bia khoảng 2.6.10-3 Ω.cm.
Hình 4.2 Chu trình nhiệt độ của quá trình dung kết.
N h iệ t đ ộ ( 0 C)
Thời gian (giờ)
Hình 4.3.b Bia gốm sau khi phún xạ. Hình 4.3.a Bia gốm trước khi phún xạ.
Sau khi chế tạo bia thành công, chúng tôi tiến hành khảo sát cấu trúc của bia bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, với kết quả như sau:
Từ hình 4.4, ta thấy tất cả các đỉnh phổ đều của ZnO, không có xuất hiện đỉnh phổ In. Chứng tỏ trong bia IZO chưa có sự hòa tan rắn và thay thế tốt của In hoặc In hòa tan rất ít trong bia. Bia có cấu trúc đa tinh thể phát triển ở các mặt mạng (100), (002), (101), (102), (110), mặt mạng (101) phát triển ưu tiên lớn nhất.