Cấu trúc của một loại vật liệu màng có thể thay đổi rất lớn theo các phương pháp và điều kiện chế tạo[29]. Trong quá trình phún xạ, các hạt trung hòa đi lên từ bia phải trải qua một quãng đường với xác suất va chạm phụ thuộc vào quãng đường tự do trung bình. Ở những khoảng cách bia - đế khác nhau thì tính chất điện và quang của màng cũng khác nhau.
Để tìm khoảng cách h tối ưu, chúng tôi tạo màng với các thông số như sau:
Bia ZnO và bia V.
Áp suất phún xạ: 10-3 torr.
Công suất phún xạ của bia ZnO: 80 W
Công suất phún xạ của bia V: 20 W
Khoảng cách bia – đế: đế được bố trí trực giao so với bề mặt bia ZnO và khoảng cách từ mép dưới của đếđến bia ZnO thay đổi từ 2.5 cm đến 6.5 cm.
Khoảng cách x từđếđến biên của vùng ăn mòn khoảng 2.5 cm.
Nhiệt độđế TS: 180oC.
Tỉ lệ khí oxi: 10%.
Thời gian phún: thay đổi từ 20 đến 25 phút mục đích tạo ra các màng có cùng bề dày.
Sau khi tạo ra được một loạt các màng mỏng ZnO:V, chúng tôi chụp phổ nhiễu xạ tia X của các màng mỏng trên và thu được kết quả như hình 3.15.
Luận văn thạc sĩ Vật lý 58 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Từảnh phổ nhiễu xạ tia X trên ta thấy rằng tất cả các màng ZnO:V chỉ xuất hiện một đỉnh (002) ở góc hai theta vào khoảng 340, định hướng tốt theo trục c trực giao với bề mặt đế, là đặc trưng của cấu trúc wurtzite của ZnO, các đỉnh phổ chỉ khác nhau về cường độ. Ngoài ra, các phổ XRD không xuất hiện các đỉnh khác, ta có thể nhận xét là do tỉ lệ pha tạp của V trên màng khá nhỏ nên chưa hình thành pha mới.
Sự biến đổi cường độ đỉnh (002) và kích thước tinh thể (tính theo công thức Scherrer) theo khoảng cách bia - đếđược biểu diễn trong bảng 3.1 và đồ thị 3.16 và 3.17.
Bảng 3.1:Độ bán rộng và kích thước hạt của các màng theo khoảng cách bia đế.
Mẫu 2.5cm 3.5cm 4.5cm 5.5cm 6.5cm
Cường độđỉnh (002) 7156.3 5710.8 5323.6 4996.3 4231.6
Kích thước hạt (nm) 21 20 18 16 14
Luận văn thạc sĩ Vật lý 59 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Cường độ đỉnh (002) và kích thước tinh thể của các màng ZnO:Vđều giảm khi tăng khoảng cách bia - đế. Điều này được chúng tôi giải thích là do động năng của các nguyên tử phún xạ khi đến lắng đọng trên đế. Năng lượng này có vai trò
Hình 3.16. Sự phụ thuộc của cường độđỉnh (002) vào khoảng cách bia đế
Luận văn thạc sĩ Vật lý 60 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
làm tăng cường khả năng bám dính vào đế của các nguyên tử tới và khả năng phát triển tinh thể của màng. Khi khoảng cách bia đế giảm thì xác suất va chạm giữa các nguyên tử giảm nên động năng của chúng được bảo toàn và kết quả các nguyên tử phún xạ sẽ lắng đọng và khuếch tán trên đế với năng lượng cao và tạo thành tinh thể lớn hơn ở trong màng.
Chúng tôi tiến hành đo điện trở suất, nồng độ hạt tải và độ linh động của các màng và thu được kết quả như sau thông qua bảng 3.2 và các hình 3.18, 3.19. 3.20.
Bảng 3.2: Khảo sát các mẫu màng mỏng ZnO: V theo khoảng cách bia đế
Mẫu Tỷ lệ khí oxi Độ linh động (cm2/V.s) Điện trở suất (Ω.cm) Nồng độ hạt tải (cm-3) M 2.5cm 10% 54.56 4.9.10-4 - 4.645.1020 M 3.5cm 10% 54.37 6.063. 10-4 - 3.609.1020 M 4.5cm 10% 49.36 8.98. 10-4 - 3.572.1020 M 5.5cm 10% 44.36 10.4. 10-4 - 2.538.1020 M 6.5cm 10% 29.21 13.14. 10-4 - 2.111.1020 Từ bảng 3.2 ta có thể kết luận, tất cả các màng ZnO:V đều là màng bán dẫn loại n. Điện trở suất của các màng rất tốt ~ 10-4Ω.cm, điện trở suất tăng nhẹ khoảng cách bia đế. Trong khi đó, nồng độ hạt tải và độ linh động đều giảm khi ta tăng khoảng cách bia đế. Điều này được chúng tôi giải thích như sau:
- Nguyên tử V có hóa trị cao hơn của Zn, nên khi nguyên tử V thay thế vị trí của nguyên tử Zn trong mạng tinh thể thì sẽ dư ra điện tử, làm gia tăng độ dẫn điện và nồng độ hạt tải của màng.
Luận văn thạc sĩ Vật lý 61 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
- Ở khoảng cách bia đế nhỏ thì có nhiều nguyên tử V có đủ năng lượng đến thay thế Zn trong mạng tinh thể nên số lượng điện tử dư ra nhiều dẫn đến nồng độ hạt tải tăng lên.
- Ở khoảng cách bia đế lớn hơn, quãng đường đi của các hạt phún xạ dài hơn, nên chúng bị va chạm nhiều hơn trước khi lắng đọng trên đế. Các hạt V không có đủ năng lượng để chèn vào mạng thay thế cho nguyên tử Zn, dẫn đến nồng độ hạt tải giảm.
- Độ linh động chủ yếu phụ thuộc bởi tán xạ lên tạp ion hóa trên biên hạt, sai hỏng mạng và tán xạ tạp chất. Vì thế khi khoảng cách bia đế tăng thì kích thước tinh thể giảm (như kết quả hình 3.17) làm tăng tán xạ biên hạt, do đó làm giảm độ linh động dẫn đến điện trở suất của màng tăng lên.
Luận văn thạc sĩ Vật lý 62 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Hình 3.19 Sự phụ thuộc của nồng độ hạt tải vào khoảng cách bia đế.
Luận văn thạc sĩ Vật lý 63 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Từ hình 3.21 ta thấy các mẫu màng ZnO:V đều có độ truyền qua khá cao trong vùng khả kiến khoảng 82%. Vậy với các kết quả thu được và đánh giá ở trên, chúng tôi nhận thấy khoảng cách bia đế tốt nhất cho tính chất điện quang, cũng như cấu trúc tinh thể của màng là 2.5 cm, và chúng tôi quyết định chọn khoảng cách này để tiếp tục khảo sát các phần tiếp theo.
3.3.2. Ảnh hưởng của khoảng cách x (cm) tính từ biên vùng ăn mòn đến vị trí đặt mẫu lên tính chất của màng bán dẫn loại n ZnO:V.