Như đã trình bày trong chương 2, các dây nano silic pha tạp Er3+được chế tạo theo 4 cách . Đầu tiên chúng tôi tiến hành pha tạp Er3+ theo phương pháp đồng bốc bay. Chúng tôi quan sát thấy rằng có dây Si mọc trên phiến Si. Khi khảo sát tinh chất quang bằng cách đo Raman hồng ngoại dưới bước sóng kích thích 1064 nm thì thấy mẫu không phát quang ở vùng 1,53 µm vị trí phát quang đặc trưng cho chuyển mức từ4I13/2Æ4I15/2 của Er3+.
Hình 3.22. Phổ huỳnh quang của mẫu chế tạo bằng cách đồng bốc bay. Cách 2:
Tiếp theo sau khi tiến hành tổng hợp được dây nano Si chúng tôi tách dây Si bằng cách rung siêu âm trong thời gian 30 phút. Tạo được dung dịch có dây nano Si.
Lấy dung dịch trên pha với hỗn hợp dung dịch Er3+ + Ethanol (0.5 g +500 ml). Sau đó cho dung dịch này khuấy trong 2h ở nhiệt độ phòng.
Với hỗn hợp dung dịch đã tổng hợp chúng tôi đem quay phủ theo quy trình sau:
- Nâng nhiệt độ của lò lên 900oC. - Quay phủ hỗn hợp trên lên phiến Si. - Đặt phiến Si vào lò trong thời gian 1 phút.
- Lặp lại quá trình quay phủ và ủ nhiệt 25 lần (thay đổi số lần quay phủ từ 5
đến 25 lần)
- Lần 25 sử lý nhiệt trong thời gian 30 phút.
Với cách chế tạo này chúng tôi đã thu được kết quả chụp SEM ở hình 3.24
Kết quả chụp SEM
Hình 3.23. Ảnh chụp SEM bằng phương pháp rung siêu âm.
Qua kết quả chúng tôi thấy rằng dây nano Si đã được hình thành. Các dây mọc thành từng đám. Xung quanh còn rất nhiều vị trí chưa hình thành dây. Điều này cho rằng phương pháp này chế tạo khó thành công khi mong muốn iôn Er3+ pha tạp vào dây nano Si.
Kết quả chụp Raman hồng ngoại tương tự như cách đồng bốc bay. Đến đây chúng tôi vẫn chưa tìm được phổ huỳnh quang của ion Er3+.
Cách 3:
Cách pha tạp Er3+ tiếp theo được tiến hành theo các bước sau: - Đầu tiên cho 4,42 ml TEOS vào bình phản ứng.
- Cho 20,5 ml C2H5OH (Ethanol) vào bình và khuấy trong thời gian 10 phút. - Nhỏ từ từ hỗn hợp H2O + HCl vào bình (axit làm chất xúc tác phản ứng). - Nhỏ 2.3 ml dung dịch ErCl3.6H2O vào bình.
- Nâng nhiệt độ lên 70oC khuấy tiếp trong thời gian 2 giờ. - Để hỗn hợp Sol nguội và quay phủ.
- Nâng nhiệt độ của lò lên 900oC.
- Quay phủ hỗn hợp trên lên phiến Si đã tổng hợp được dây nano Si - Đặt phiến Si vào lò trong thời gian 1 phút.
- Lặp lại quá trình quay phủ và ủ nhiệt 25 lần (thay đổi số lần quay phủ từ 5
đến 25 lần)
- Lần 25 sử lý nhiệt trong thời gian 30 phút.
Với cách chế tạo này chúng tôi đã thu được kết quả SEM khả quan hơn. Kết quả
chụp SEM được thể hiện hình 3.24
Hình 3.24. Ảnh chụp SEM bằng phương pháp tạo Sol.
Từ kết quả trên ta thấy có màng dây nano Si hình thành tạo nên các lớp khá
đồng đều. Với mật độ dây nano Si dày như vậy nên theo dựđoán khả năng ion Er3+ pha tạp vào dây nano Si có khả năng cao hơn so với hai phương pháp trên. Kết quả đo tính chất quang của vật liệu được trình bày trên hình 3.25. Từ hình 3.25 khi phóng đại lên quan sát thấy một vùng ở khoảng 1400 tới 1700 nm nhưng cường độ
Hình 3.25. Phổ huỳnh quang của mẫu chế tạo bằng cách tạo Sol lên phiến Si.
Sau khi đo Raman hồng ngoại chúng tôi tiếp tục ủ nhiệt trong thời gian 2 giờở
nhiệt độ 1000oC. Kết quả không có gì khác biệt.
Cách 4:
Pha tạp Er3+ nhỏ phủ và ủ nhiệt
Tạo dung dịch chứa ion đất hiếm bằng cách pha Er3+ + C2H5OH (0.5 g+500 ml), khuấy trong 2h ở nhiệt độ phòng.
Nhỏ hỗn hợp đã thu được và quay phủ lên phiến Si (có dây nano Si) theo quy trình sau:
+ Ủ nhiệt phiến Si trong thời gian 1 phút ở 900oC. + Lặp lại quá trình 25 lần
+ Lần 25 xử lý nhiệt trong thời gian 2 giờở nhiệt độ 1000oC và 1100oC Từ hình 3.26 và hình 3.27 khi phóng đại lên quan sát thấy một vùng ở khoảng 1400 tới 1700 nm nhưng cường độ rất yếu, vùng phát xạ này có thể là do Er3+ gây ra. Để
hiểu rõ các ion Er3+ có vào mạng nền nano tinh thể silic hay không cần phải có những nghiên cứu tiếp theo.
Hình 3.26. Phổ huỳnh quang mẫu pha tạp Er3+ bằng cách tạo nhỏ phủ và ủ nhiệt ở 1000oC.
Hình 3.27. Phổ huỳnh quang mẫu pha tạp Er3+ bằng cách tạo nhỏ phủ và ủ nhiệt ở 1100oC.
KẾT LUẬN
Qua quá trình chế tạo thực nghiệm, chúng tôi đã thu được những kết quả như sau: Chế tạo thành công dây nano Silic bằng phương pháp bốc bay nhiệt từ 3 loại vật liệu nguồn khác nhau: Si + SiO2, Si +C và SiO.
Phổ huỳnh quang từ 3 mẫu dây nano Si chế tạo bằng 3 vật liệu nguồn khác nhau đều cho kết quả tương tự nhau. Chúng có đỉnh đặc trưng của vật liệu Si là700 nm
Từ phổ huỳnh quang của dây nano Si xử lý nhiệt từ 700 tới 900oC cho thấy các sai hỏng do nut khuyết oxy giảm đi khi nhiệt độ xử lý tăng lên.
Các kết quả phân tích SEM, TEM, XRD cho thấy dây có đường kính nằm trong khoảng từ 30-60 nm, dây có chiều dài lớn nhất lên tới vài chục micromet, thân dây gồm lớp lõi là dây Silic được bao phủ bởi một lớp Silic oxit trên bền mặt; dây mọc theo định hướng (111)
Trong luận văn đã đưa ra nhiều phương pháp pha tạp Er3+ nhưng đến nay vẫn chưa đưa ra phương pháp pha tạp tối ưu. Vì vậy tìm công nghệ chế tạo và cơ
chế phát quang của dây nano Silic pha tạp Er3+để phát quang ở bước sóng 1,53 nm trong vùng hồng ngoại là ‘những vần đề cần nghiên cứu tiếp theo sau luận văn này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Đào Khắc An, (2003), ‘‘Vật liệu và linh kiện bán dẫn quan điện tử trong thông tin quang’’, Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội.
2. VũĐình Cự, (1997), ‘‘Vật lý chất rắn’’, NXB KHKT – Hà Nội , Hà Nội.
3. Phùng Hồ, Phan Quốc Phô, “Giáo trình Vật lý bán dẫn” – NXB KHKT – Hà Nội – trang 13-14.
4. Phạm Ngọc Nguyên - “Giáo trình Kỹ thuật phân tích vật lý” - NXB KHKT- trang 71-172
Tiếng Anh
5. Bernard C., Chaussedent S., Monteil A., (2002), ‘‘Molecular dynamics simulation of an erbium-activated titana-silica glass: composition influence on the structural properties’’, Philosophical Magagine B 82, pp. 681-693. 6. Clive Harris, E.P. O’Reilly, 2006,’’ Nature of the band gap of silicon and
germanium nanowires’’, Physica E, Vol. 32, pp. 341-345
7. Chun Li, Guojia Fang, Su Sheng, Zhiqiang Chen, Jianbo Wang, Shuang Ma, Xingzhong Zhao. 2005, ‘’Raman spectroscopy and field electron emission properties of aligned silicon nanowire arrays’’, Physica E, Vol. 30, pp. 169- 173
8. Charles Kittel, (1986), ‘‘Introduction to Solid State Physics’’, John Wiley and Sons,Inc,NewYork
9. Dyeu Li, Yiying Wu, Peidong Yang, Arun Majumdar – “Thermal conductivity of individual Silicon nanowires ”- Applied Physics letters Volume 83 ,Number 14 , 6 October 2003.
10. E. Ramayya, D.Vasileska,S.M.Goodnick, I. Knezevic- “ Electron transport in Si nanowires ”- Institute of Physics Publishing - Journal of Physics: Conference Series 38 (2006) 126–129.
11. Govind p. Agrawal, “Fiber Optic Communication systems”
12. J. M. Huang, C. C. Weng, M. T. Chang, 2010, “An investigation of the phonon properties of silicon nanowires”, International Journal of Thermal Sciences, Vol. 49, pp. 1095-1102
13. Jifa Qi, John, M. White, Angela M Belcher, Yasuaki Masumoto, 2003, “Optical spectroscopy of silicon nanowires”, Chemical Physics Letters, Vol. 372, pp. 763-766
14. Junghwan Lee, Eunyoung Chung, Won Moon, Dong Hack Suh, (2006), ‘‘Effect of H2O evolving from TEOS based SiO2 film on the EEPROM cell characteritic’’, Microelectronic Engineering.
15. Mears R.J. L. Reekie, I.M. Jauncey, D.N. Payne, “Low noise erbium-doped fibre amplifier operating at 1.54 µm”, Electron. Lett, Vol. 23, pp. 1026-1028, 1987. 16. M. Bruno, M. Palummo, S. Ossicini, R. Del Sole, 2007, ‘’First-principles
optical properties of silicon and germanium nanowires’’, Surface Science, Vol. 601, pp. 2707-2711
17. S. Piscanec, C. A. Ferrari, M. Cantoroa, S. Hofmanna, A. J. Zapienb, Y. Lifshitz, T. S. Lee, J. Robertson, 2003, “Raman Spectrum of silicon nanowires”, Physcial Review B, Vol. 68, 241312(R).
18. S Pyrpassopoulos,D Niarchos,G Nounesis, N Boukos, I Zafiropoulou, V Tzitzios -“Synthesis and self-organization of Au nanoparticles”- IOP Science Nanotechnology Vol 18 , No.48.
19. Xavier Ogirnac, Denis Barbie, Xin Min Du, Almeida Rui M., Orla McCarthy, Eric Yeatman, ‘‘Sol-gel silica/titana-on-silicon Er/Yb-doped waveguides for optical amplication at 1500nm’’, Optical Material 12, pp.1-18.
20. Yudong Gu,Yifan Gao,Chi-TeHuang,Yuzi Liu,Lih-Juann Chen, Zhong Lin Wang, C .L. Hsin, W.Mai –“ Elastic Properties and Buckling of Silicon nanowire” - Advance Materials
21. Y.Zheng, C.Rivas, Roger Lake, K.Alam, Timothy B.Boykin, Gerhard Klimeck – “Electronic properties of Silicon nanowires ”- IEEE Transactions one electron devices, Vol.52, No.6, June 2005.
22. Y. Zheng, C. Rivas, R. Lake, 2005, “Electronic Properties of Silicon Nanowires”, IEEE transactions on electron devices, Vol. 52, pp. 1097-1103 23. Y. H. Tang, Y. F. Zheng, C. S. Lee, S. T. Lee, 2000, ‘’A simple route to
annihilate defects in silicon nanowires’’, Chemical Physics Letters, Vol. 328, pp. 346-349