đó (Hình 3.15a), đây là Ja mà tốc độ tạo ra ôxít bằng với tốc độ nó mất đi. Nếu Ja
quá lớn thì tốc độ tạo ra ôxít quá lớn so với tốc độ loại bỏ ôxít và kết quả là tốc độ ăn mòn giảm đi. Điều này giải thích cho đồ thị trên Hình 3.15a.
- Hiển nhiên là ở nồng độ HF thấp thì ở cùng một mật độ dòng anốt hóa (tốc độ ôxy hóa SiC là gần như nhau) thì nồng độ HF cao hơn sẽ cho tốc độ ăn mòn cao hơn bởi vì tốc độ hòa tan silic ôxít nhanh hơn. Khi dung dịch HF càng loãng thì sự ảnh hưởng của nồng độ HF lên tốc độ ăn mòn càng mạnh hơn rất nhiều so với mật độ dòng điện hóa, các kết quả trình bày ở trên Hình 3.15b cho thấy rất rõ điều này. Nguyên nhân của vấn đề này chính là do tốc độ khuếch tán của HF từ trong dung dịch đến đáy của lỗ xốp nơi mà các phản ứng xảy ra. Từ cơ chế ăn mòn anốt SiC ta thấy là khi quá trình ăn mòn diễn ra thì các phản ứng hòa tan ôxít ở đáy lỗ xốp sẽ làm nồng độ HF ở khu vực này suy giảm mạnh, muốn có phản ứng tiếp tục thì đòi hỏi phải có sự vận chuyển HF từ ngoài dung dịch tới đây. Sự vận chuyển này chủ yếu là theo phương thức khuếch tán và do đó khi độ chênh lệch nồng độ HF giữa
89
đáy lỗ và dung dịch phía ngoài càng lớn thì tốc độ khuếch tán càng nhanh. Điều này đồng nghĩa với việc nồng độ HF trong dung dịch càng lớn thì tốc độ khuếch tán càng nhanh và do đó tốc độ ăn mòn cũng nhanh hơn.
Tiếp theo chúng tôi thảo luận về sự ảnh hưởng của nồng độ HF lên giá trị của mật độ dòng tới hạn. Như đã thảo luận ở trên, khi tốc độ hòa tan ôxít chậm hơn
đáng kể tốc độ hình thành nó thì lớp ôxít dư ở đáy lỗ xốp sẽ làm cho hình thái của lớp xốp chuyển từ dạng cột xốp nhỏ sâu sang cột xốp lớn nông. Khi nồng độ HF càng cao thì tốc độ hòa tan ôxít càng nhanh và do đó để có lớp ôxít dư nằm ở đáy lỗ xốp đòi hỏi phải có sự gia tăng đáng kể mật độ dòng anốt hóa. Đây chính là nguyên nhân thứ nhất làm gia tăng mật độ dòng tới hạn khi nồng độ HF trong dung dịch điện hóa tăng. Nguyên nhân thứ hai là do sự thay đổi của điện trở suất của dung dịch điện hóa, cụ thể là sự gia tăng của nồng độ HF sẽ dẫn đến sự gia tăng nồng độ H+ và F- điều này làm điện trở suất của dung dịch giảm và do đó ở cùng một mật độ dòng thì hiệu điện thế giữa anốt và catốt giảm, sự giảm này kéo theo sự giảm cường độ điện trường và do đó để tăng cường độ điện trường thì dĩ nhiên mật độ dòng anốt hóa phải tăng. Tuy nhiên, sự thay đổi của điện trở suất của dung dịch không phải là tuyến tính với nồng độ mà theo một quy luật hàm e-mũ [71], điều này dẫn đến sự thay đổi của mật độ dòng ngưỡng cũng theo một quy luật hàm e-mũ.
Các kết quả về hình thái của lớp aSiC xốp mà chúng tôi đã chế tạo được là hết sức bất ngờ, đặc biệt là hình thái cột xốp nhỏ sâu. Đây là cấu trúc xốp rất phù hợp cho việc chế tạo các cảm biến với độ nhạy cao [32, 44, 50]. Các mẫu cột xốp nhỏ sâu của chúng tôi có các cột xốp ăn xuống bắt đầu ngay từ bề mặt mẫu. Đây là các kết quả mà chúng tôi chưa thấy có bất kỳ tác giả nào khác công bố, kể cả các nghiên cứu về aSiC xốp cũng như về cSiC xốp. Như đã trình bày trong chương 1, cho tới nay trên cSiC xốp,hình thái cột xốp chỉ có thể được tạo ra ở khá sâu phía dưới của lớp xốp, còn phía trên nó là các lớp xốp không có trật tự với độ dày có thể lên tới vài chục micromet [72, 110, 157, 182]. Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu về việc sử dụng nồng độ HF thấp cho phép chúng tôi có thể dễ dàng khống chế được độ dày của lớp xốp và từ đó chế tạo được các lớp aSiC xốp đa lớp, đây là kiểu vật liệu hay được ứng dụng cho các thiết bị quang điện [140, 153]. Vấn đề này sẽ được
90
chúng tôi trình bày chi tiết trong mục 3.4. Các kết quả nghiên cứu của chúng tôi về cơ chế ăn mòn anốt aSiC trong dung dịch HF/H2O và ảnh hưởng của mật độ dòng anốt hóa lên hình thái của lớp xốp, cũng như ảnh hưởng của nồng độ HF lên mật độ dòng tới hạn đã được công bố trên tạp chí AIP Advancesnăm 2014 [7].
3.3. Nghiên cứu ăn mòn xốp màng mỏng aSiC bằng anốt hóa trong dung dịch HF/EG dịch HF/EG
3.3.1. Thí nghiệm
Bảng 3.6. Ký hiệu các mẫu 3i-aSiC đã được ăn mòn anốt để tạo lớp aSiC xốp trong dung dịch 0,5% HF/EG với các mật độ dòng anốt hóa khác nhau.
Mẫu E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7
Ja
(mA/cm2) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
ta
(phút) 30 30 30 30 30 30 30
Trong thí nghiệm này chúng tôi vẫn sử dụng các mẫu 3i-aSiC để nghiên cứu chế tạo lớp aSiC xốp với mục đích là để so sánh giữa hai quá trình ăn mòn anốt trong dung dịch HF/H2O và HF/EG. Thông số về độ dày, điện trở suất, tỉ lệ Si/C vẫn như đã chỉ ra trên Bảng 3.1. Dung dịch điện hóa được sử dụng ở đây là dung dịch HF/EG với nồng độ HF (CHF) là 0,5% (tính theo thể tích). Mật độ dòng điện
anốt hóa (Ja) thay đổi trong khoảng 0,5-3,5 mA/cm2 với bước thay đổi mật độ dòng là 0,5 mA/cm2. Thời gian ăn mòn anốt (ta) ở đây là 30 phút. Đây là thời gian mà lớp
aSiC xốp có độ dày gần bằng độ dày màng 3i-aSiC trước khi ăn mòn. Mật độ dòng ăn mòn cụ thể đã được sử dụng cho các mẫu được chỉ ra trên Bảng 3.6.
Sau khi chế tạo, các mẫu được rửa sạch, để khô và được chụp ảnh SEM cả bề mặt và mặt cắt để khảo sát cấu trúc của lớp aSiC xốp. Ngoài ra các mẫu cũng được phân tích hàm lượng các nguyên tố trên bề mặt mẫu bằng phương pháp EDX.
91
3.3.2. Kết quả hình thái của lớp aSiC xốp ăn mòn trong HF/EG
Hình 3.13. Ảnh SEM bề mặt (A-D) và mặt cắt (a-d) của các mẫu 3i-aSiC xốp đã được ăn mòn anốt trong dung dịch 0,5% HF/EG với thời gian ăn mòn 30 phút bằng các mật độ
dòng (A, a) 0,5; (B, b) 1,0; (C, c) 2,0 và (D, d) 2,5 mA/cm2.
Trên Hình 3.13 là ảnh SEM bề mặt (A-D) và mặt cắt (a-d) của các mẫu 3i-aSiC xốp chế tạo trong dung dịch 0,5% HF/EG với các mật độ dòng anốt hóa khác nhau trong thời gian 30 phút. Từ các ảnh SEM này chúng ta có các nhận xét sau đây: