Khác với cách bố trí nam châm ở hệ Magnetron khơng cân bằng, nam châm ở giữ c c ờn ộ t t ờn mạnh ể v c c ờng sức phát ra t nam châm v n n nh h nh (2.7). Nh thế ới tác dụng c a t t ờng ngang mạnh ện tử bị hãm gần nh h n tồn trong khơng gian gần bề m t bia, cịn ion hầu hết ập lên bia thực hiện chức năn h n xạ, và bức xạ ện tử thứ c ể duy trì sự h n ện. Vì vậy ế sẽ ợc cách ly vớ s ện tử h y ế sẽ t n t c h n n ể với n v ĩ nh ên n sẽ khơng bị ốt n n . Nh thế nĩ r t thích hợp cho việc tạo màng t ên c c ế khơng chịu ợc nhiệt ộ c nh : P T nhựa , gi y…
2.1.5. C ố ả ưở đ q ì ạ.
Kh năn ợng ion nhỏ, quá trình phún xạ chỉ xảy ra do sự va chạm giữa ion với nguyên tử nằm trên lớ ầu tiên c a bề m t bia. Vì xác su t va chạm với những nguyên tử gần bề m t tỉ lệ nghịch vớ u n ờng tự t un nh λ( ) c a ion trong kim loạ c n năn ợng mà ion trao cho nguyên tử ở va chạ ầu tiên sẽ tỉ lệ với Emax, với
(2.1) Nên ta cĩ thể viết: (2.2) 2 4 ( ) max mM E E m M E M m mM E K N 2 ) ( ) ( H nh 2.7: S hệ M n t n c n ằn
Học viên: VÕ MINH VƯƠNG T n : N: hệ số phún xạ
K: là hằng số phụ thuộc v c t n ại
λ(E): quãn ờng tự do trung bình c a ion trong kim loạ v ợc xác ịnh:
(2.3) n0: là số nguyên tử cĩ trong một n vị thể tích
R: khoảng cách gần nh t giữa hai hạt trong quá trình va chạm (bán kính va chạm)
M, m: là khố ợng nguyên tử va chạm và ion Bán kính R cĩ thể ợc x c ịnh t biểu thức:
(2.4) : năn ợng ion trao cho nguyên tử trong quá trình va chạm.
Z1, Z2: là số ện tích c a ion và nguyên tử kim loại. a*: là bán kính màn chắn hạt nhân ( bán kính Bohr) T t nhận th y rằng :
- Hệ số phún xạ t lệ vớ ạ ợng m.M(m+M)2, lớn nh t khi m = M.
- Với mỗi c p ion – kim loạ ch t ớc N tăn h năn ợn n tăn i tiến dần ến giá trị bão hịa. Giá trị năn ợn t n ứng với giá trị bão hịa càng nhỏ thì ion cĩ khố ợng càng nhỏ. 0 2 1 n R 2 1 2 ' M Z Z e exp( )R E E m M R a
- Biết ợc giá trị tới hạn c a các c p ion – kim loại loại cho phép ta lựa chọn h t s ch t n ứng với kim loạ n ể c ợc hiệu su t phún xạ lớn nh t.
2.1.6. Ư à ượ điểm c a ư pháp phún xạ Magnetron
Ưu Điểm
T t cả các loại vật liệu d n ện ều cĩ thể phún xạ.
Bia phún xạ th ờn n ợc lâu, bởi vì lớp phún xạ r t mỏng.
Cĩ thể t bia theo nhiều h ớng, trong nhiều t ờng hợp cĩ thể dùng bia diện tích lớn.
Bề m t ế chịu sự v ập c a các ion vớ năn ợng cao nên vật liệu màng cĩ thể khuyếch tán sâu vào bề m t ế. Kết quả ộ bám dính c a màng vớ ế r t tốt
Quy trình phún xạ ổn ịnh, d l p lại và d tự ộng hĩa.
Nhược Điểm
Phần lớn năn ợng phún xạ tập trung lên bia, làm nĩng bia, cho nên phải cĩ bộ giải nhiệt làm lạnh bia.
Tốc ộ phún xạ nhỏ h n nh ều so với tốc ộ bốc bay chân khơng.
Bia khĩ chế tạ v ắt tiền.
Trong nhiều t ờng hợp, khơng cần ến nhiệt ộ ế nh n n u n ị ốt nĩng.
Sự t n t c c t ờng plasma với ngu n vật liệu tăn h ệu ứn ầu ộc. G y h hăn ch v ệc ạt tốc ộ n n tụ cao với các ch t
Ph n h h n xạ Magnetron DC khơng thể ph n ch c c ế là vật liệu c ch ện.
2.2 Các hệ đ định tính chất màng
Học viên: VÕ MINH VƯƠNG
Khả s t ộ truyền qua c a màng bằng thiết bị V – 530 UV/VIS Spectrophotometer (h n J sc Nhật) c t ờn ĐH Kh học Tự nh ên ĐH Quốc TPHCM. Th ết ị sử ụn n u n s n n ut u h t nh s n c ớc s n t n v n 19 n - 35 n v n h n t n v n 33 n - 11 n . Vớ th ết ị n y c thể ộ t uyền u c n t n ột ộn c c ớc s n t 19 n ến 11 n vớ ớc nhảy 2 n . C A s (h thụ) T (t uyền u ) v R ( hản xạ) với sai số .3 . C c h t n ề t n y sử ụn %T. Chùm sáng truyền qua m u ợc thu ở t ct (S1337 h t S ) v ợc xử nhờ hần ề c y. Đ n thờ ờn c n hổ truyền qua UV-v s c n ợc xu t h ện t ên n h nh.
H nh 2.8 . S khối hệ t uyền qua.
2.2.2. Hệ đ độ dà à
Khả s t ộ y n nhờ thiết bị th õ ắn ọng QCM (Quatz Crystal Microbalance) c a hãng In c n c t ờn ĐH Kh Học Tự Nh ên ĐH Quốc TPHCM. Đ y h n h ộ dày màng bằn ộng tinh thể thạch nh n ch h x c ịnh ộ y ở c ộ nanometer.
Các bộ phận chính trong hệ :
(1) Đầu dị: cĩ gắn tinh thể thạch nh ể ghi nhận tín hiệu c học tác dụng lên tinh thể.
(2) Detector: chuyển tín hiệu t tần số c ộng mà tinh thể thạch anh nhận ợc thành tín hiệu số, kết quả cho thơng tin về tốc ộ lắn ọng, bề dày màng và thời gian lắn ọng.
Ngồi ra vớ n ện mơi ZnO cịn sử dụn thê h n h x c ịnh bề dày bằn ch ng trình Scout. Scout cho phép xây dựng mơ hình cho các loại phổ nh truyền qua, phản xạ, h p thụ h t u n … t n ứng cho các loại vật liệu phù hợp với t ng loại phổ .
Qu ch n t nh xử lí, ta cĩ thể x c ịnh ợc các thơng số về các tính ch t quang v ện c n nh ộ dày, chiết su t ộ rộng vùng c ện trở su t, n ng ộ hạt tả v ộ linh ộng.
Hình 2.10: Hệ ộ dày màng bằn ộng tinh thể thạch anh: ầu dị (a); detector(b)
a b
Học viên: VÕ MINH VƯƠNG
C c ớc tiến hành tính bề dày màng ZnO:Cu bằng phần mềm Scout:
- Phổ c ế th y t nh: Đế th y tinh ợc sử dụng ở y c a hãng Marienfeld (G ny) ch th ớc 75x75x1 mm. Dựa vào phổ truyền qua c ế th y tinh trong vùng khả kiến, kết hợp các mơ hình sau:
- Chọn h ện mơi nền (Hàm này sử dụng chung cho t t cả các vật liệu)
- Th y t nh ện mơi nên bị h p thụ trong vùng tử ngoại chọn mơ hình chuyển mức ện tử OJL.
- Th y tinh bị h p thụ nhẹ trong vùng h ng ngoạ ộng chọn mơ hình ộng Kim. Phổ truyền qua c a th y t nh ch h t t nh ợc ộ rộng vùng c m c a nĩ do sự chuyển mức ột ngột tại vùng tử ngoại 300nm, t t nh ợc Eg = 4,13eV
2.2.3. Hệ đ i ạ DIFFRAKTOMETER D500.
C c c t n c u t c t nh thể c n nh sự ịnh h ớn c c c t t nh thể ứn su t v ch th ớc hạt ợc khảo sát bằn th ết ị nh u xạ tia X DIFFRAKTOMETER 5 (h n S ns K st x Diffraktometer) c a cơng ty dầu khí Petrolimex tại Tp H Chí Minh.
Đối vớ n t nh thể, do các hạt sắp xếp hỗn ộn nên bao giờ c n c những hạt ng u nhiên nằ th h ớng sao cho m t mạng c a chúng hợp với tia X một gĩc thỏ ịnh luật Bragg:
V
Định uật : hay (2.5)
(2.6)
với m: bậc nhi u xạ (số nguyên); : gĩc nhi u xạ; : h ản c ch ữ h t ạn ; : ớc sĩng tia X.
Độ ịnh h ớn u t ên ợc ằng cách dùng t X n sắc và gĩc 2 theo h n h u t -Brentano. Ở h n h n y c ợc quét bằng cách quay m u quanh trục y (m t phẳng m u là m t phẳn xy) c n ầu thu t X ợc quay với gĩc 2. m dsin 2 sin 2 m d d m 2 sin
Hình 2.12: Nguyên tắc hổ XR t ên c sở ịnh luật Bragg
sin
Học viên: VÕ MINH VƯƠNG
Nh vậy nếu c c n uyên tử sắ xế tuần h n th h n vu n c với m t phẳng màng mỏn th h thỏ ịnh luật sẽ xu t h ện ỉnh hổ ứn vớ c c t ị 2 c t X ch ếu ến (h nh 2.13). Kh c thể x c ịnh h ản c ch ữ h t ạng d theo cơng thức (2.5). ết d sẽ x c ịnh ợc chỉ số M (h ) v n ợc lại. H nh 2.13 : M y nh u xạ t X. H nh 2.14: C u tạ ên n c y XR .
Học viên: VÕ MINH VƯƠNG
2.2.4. Hệ đ I-V
S I-V c a c u trúc RRAM ợc bố t nh hình 2.15
Để khả s t c t n I –V c a c u trúc Cu/ZnO:Cu/Cu, dùng hệ I- V Keithley 2400 c a Khoa Vật Liệu, t ờn ĐH Kh Học Tự Nh ên ĐH Quốc TPHCM (hình 2.16). Hình 2.16: Hệ I- V Keithley 2400. H nh 2.15: S I-V c c u trúc Cu/ZnO:Cu/Cu. ZnO:Cu Thủy tinh Cu Cu
Học viên: VÕ MINH VƯƠNG
Ch h ầu dị c a hệ t ếp xúc với vị trí cần . Kh cun c p một hiệu ện thế U thì cĩ một n ện t n ứng là I. Tín hiệu n y ợc thu nhận và thể hiện qua y t nh ch t uờn c t n I - V. Ngồi việc x c ịnh c t n I – V, máy cịn cĩ thể ện trở.
V ệc I-V t n c u t c RRAM ợc thực h ện vớ ớc nhảy c h ệu ện thế nhỏ nhằ ục ch ch h ạt t t u t nh h nh th nh sợ n ện t n RRAM nếu cun c ột ện thế c h n ện thế n n c ỗ c u trúc RRAM th ch c u trúc n y ị nh th n .
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1. C ạ cấu trúc Cu/ZnO:Cu/Cu. 3.1.1. Ch tạo bia gốm ZnO:Cu (CZO).
3.1.1.1. Các thi t bị, hĩa chấ được sử dụng:
ZnO 99.9 %, Cu2O 99.99%.
Cân kỹ thuật số (S t us G ny) ộ chính xác 0.01 mg.
Máy nghiền bi (Ceramic Instrument, Italy) với cối và bi nghiền bằng vật liệu corundum, chế ộ hoạt ộng quay theo kiểu hành tinh.
Bu ng s y chân khơng (SHELLAB, England), áp su t < 10-2 torr và nhiệt ộ tố 2 oC.
Máy nén th y lực (Italy), lực tố 18 t n; lị nung nhiệt ộ cao, tố 1800oC (VMK 1800, Linn, Germany) cĩ khả năn ập trình nhiệt ộ theo thời gian.
3.1.1.2. C ướ ản c a quá trình ch tạo bia gốm
Quy trình chế tạo bia gố ợc trình bày trên hình (3.5) :
Học viên: VÕ MINH VƯƠNG
Nghiền bột ZnO bằng máy nghiền bi ly tâm với cối và bi Corundum (Al2O3) (Ceramic Instruments, Italy) với thờ n h n 5 ờ bằn h n pháp nghiền ớt vớ n ớc c t. S y khơ bột nO ể bay hết h nuớc.
Sau khi nghiền xong, bột ợc s y khơ bằng lị tỏa nhiệt ở nhiệt ộ 150oC trong nhiều giờ cho bay hết ợn n ớc ch v h n h ền. ớc tiếp theo là rây bột cho thật nhuy n ảm bảo các hạt phải cĩ một ộ n ều nh t ịnh. Các ơxít Cu2O ợc cân bằn c n ện tử c ộ chính xác 5.0 theo h ợn ịnh sẵn v ợc trộn bằng máy trộn quay – spin 4 cối trong vịng 2 giờ nhằ ảm bảo cho hỗn hợp các ơxit trộn ều với nhau. ớc tiếp là bột ợc trộn vớ n ớc c t theo tỉ lệ cứ 130g hỗn hợp thì trộn 2 n ớc c t. Trong vịng một giờ phải trộn ều và rây hạt lại r ép tạo hình.
Đ ều chỉnh lực ép c a máy là 400kg/cm2
với thời gian ép chậm trong vịng 12 h t ể tạ h nh t ớc h ch v nun . x n ợc nung bằng lị nung nhiệt 1800oC ở nhiệt ộ c t là 13500C trong nhiều giờ. Sản phẩm nung cĩ dạn h nh ĩ t n ờng kính các bia x p xỉ 7,5 cm.
Chu trình nung
Giản nung thể hiện sự th y ổi c a nhiệt ộ nung theo thời gian, t các kết quả phân tích giản v s nh t ên ản nung cĩ dạn nh h nh 3.3 g m các giai ạn sau:
Vớ c c c n ạn chế tạ nh t ên tạ ợc nO:Cu. Các bia tạo ợc cĩ dạng hình t n, ờn nh 7,5c c u x nh, khố ợn ên t nh ợc h ản 5.1 g/cm3 ộ n n ch t c h ản 94%
H nh 3.4: C c ốm ZnO h tạ Cu H nh 3.3: Chu t nh nhiệt ộ c a quá trình dung kết.
0 5 10 15 20 25 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 N hi ệt đo ä ( 0 C)
Học viên: VÕ MINH VƯƠNG
Hình 3.5: Quy trình tạo bia gốm bằn h n h un ết.
Cân các oxit thành phần
Nghiền ướt và trộn
Sấy khơ
Trộn với keo PVA
Định hình bằng lực ép
Bay hơi keo
Dung kết
3.1.2. Ch tạo màng.
3.1.2.1. Hệ chân khơng trong quá trình tạo màng.
Trong nghiên cứu này sử dụng hệ thống phún xạ một chiều Magnetron (hình 3.6). Với hệ thốn s c v huếch tán cĩ thể hút bu ng tới áp su t ạt 105torr. Bu ng với hệ thốn ầu su t bu ng và hệ ều chỉnh van kim h v . Đế ợc lắp bếp gia nhiệt khi làm việc với nhiệt ộ cần thiết. Khí phản ứng Ar(99.999%) vớ u ợng Q = 25sccm.
Trong quá trình tạo màng, mơ hình hai hệ M n t n t n ứng với các bia Cu v nO:Cu trong bu n ch n h n nh h nh (3.7) ợc sử dụng.
Học viên: VÕ MINH VƯƠNG
Hệ Magnetron trịn dùng cho bia Cu (hình 3.8)
Độ cao c a nam châm: 2,6cm.
Bề dày vịng nam châm ngồi (dạn h nh v nh hăn): 1c .
Đ ờng kính cục nam châm trong: 2,8cm.
Khoảng cách giữ v n n ch t n v n ộ rộng c n ớc giải nhiệt: 1,4cm.
Á n ớc giải nhiệt ợc làm bằn ng. C ờn ộ t t ờng c a nam châm riêng lẻ là 1000 Gauss. Sau khi lắ c ờn ộ t t ờng trên bề m t bia tại vùng bị bắn phá là 450 Gauss
Hệ Magnetron trịn dùng cho bia ZnO:Cu (hình 3.9)
Độ cao c a nam châm: 2,6cm.
Bề dày vịng nam châm ngồi (dạn h nh v nh hăn): 1c .
Đ ờng kính cục nam châm trong: 2,8cm.
Khoảng cách giữ v n n ch t n v n ộ rộng c n ớc giải nhiệt: 1,4cm.
Á n ớc giải nhiệt ợc làm bằn ng. C ờn ộ t t ờng c a nam châm riêng lẻ là 1000 Gauss. Sau khi lắ c ờn ộ t t ờng trên bề m t bia tại vùng bị bắn phá là 450 Gauss
Học viên: VÕ MINH VƯƠNG
3.1.2.2 Quá trình xử lý bề mặ đ
M n ợc lắn ọn t ên ế th y tinh MARI N L (Đức) c ch th ớc 25mm x 75mm x 1mm. Quá trình xử lý bề m t ế là một khâu khơng kém phần quan trọng trong quá trình tạ n . Độ sạch c a bề m t ế cĩ ảnh h ởng r t lớn ến sự bám dính c n v ế, nếu bề m t ế cĩ tạp ch t bẩn sẽ làm giảm lực liên kết giữa các phân tử màng vớ ế ả ộ bám dính và ảnh h ởn ến tính ch t c a màng.
Để ảm bả ợc ộ sạch bề m t ế, quá trình xử ế phải tiến hành theo các ớc sau:
Ngâm m u trong dung dịch xà phịng khoảng 30 phút
n hăn ềm lau m u trong dung dịch xà phịng
Rửa lại bằn n ớc sạch
Dùng hăn h ềm lau khơ m u r i lau lại m u bằng dung dịch Ac t n ể loại bỏ những ch t bẩn hữu c c n lại.
Cuối cùng s y m u ở nhiệt nhiệt ộ cao (khoảng 100oC) ể loại bỏ h n ớc h p phụ trên m u.
3.1.2.3. Quá trình lắ đọng màng