Với khoảng cách bia đế tối ưu đã tìm được ở trên, chúng tôi tiếp tục nghiên cứu để tìm ra vị trí đặt mẫu x tối ưu đối với hệđồng phún xạđang thực hiện cho quá trình tạo màng với điều kiện 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
Hình 3.21. Phổ truyền qua UV-Vis của các màng ZnO pha tạp V theo khoảng cách bia đế
Luận văn thạc sĩ Vật lý 64 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
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 là 2.5 cm.
Khoảng cách x từđếđến biên vùng ăn mòn thay đổi từ 0- 4cm.
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.
Từ những điều kiện phún xạ trên chúng tôi đã thu được các màng mỏng ZnO:V theo khoảng cách x tính từ biên vùng ăn mòn đến vị trí đặt mẫu. Chúng tôi tiến hành chụp phổ nhiễu xạ tia X của các màng trên và thu được kết quả như hình 3.22.
Theo hình 3.22, ta nhận thấy tất cả các mẫu ZnO:V chỉ xuất hiện một đỉnh (002) với cường độ lớn, không thay đổi nhiều, và định hướng tốt theo trục c trực giao với bề mặt đế.
Ta có thể tính ứng suất màng σf dựa vào phổ nhiễu xạ tia X trên cơ sở mẫu biến dạng lưỡng trục. Đối với mạng hexagonal, ứng suất màng có thểđược xác định [7, 90]:
Luận văn thạc sĩ Vật lý 65 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng 132 33 11 12 13 2 ( ) 2 f C C C C C (3.2)
Trong đó: film bulk bulk
d d d
là độ biến dạng màng của trục c nghĩa là độ biến dạng theo hướng vuông góc với bề mặt đế. Cij là hằng số đàn hồi. Đối với tinh thể ZnO có C11 = 208,8; C33 = 213,8; C12 = 119,7 và C13 = 104,2 GPa.
Thay các giá trị của Cij bằng số vào phương trình (3.2) ta có:
f 233.GPa (3.3) Biết khoảng cách mặt mạng của khối dbulk là 2,603 A0. Thay khoảng cách mặt mạng của màng thu được từ phổ nhiễu xạ tia X, ta tính được ứng suất của màng từ công thức 3.3. Hình 3.23 trình bày sự phụ thuộc của σf theo khoảng cách x.
Kết quả cho thấy màng có ứng suất nén và không thay đổi nhiều so với khoảng cách x.
Sự phụ thuộc của kích thước tinh thể của màng thay đổi theo khoảng cách x
Luận văn thạc sĩ Vật lý 66 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
tính từ biên vùng ăn mòn đến vị trí đặt mẫu được biễu diển trong hình 3.24.
Từ đồ thị hình 3.24 ta thấy kích thước hạt thay đổi không thay đổi đáng kể khi khoảng cách x thay đổi và kích thước hạt lớn nhất tại vị trí x = 3cm.
Do kích thước hạt không thay đổi lớn nên tán xạ biên hạt không ảnh hưởng nhiều đến tính chất điện của màng. Vậy nồng độ hạt tải quyết định tính chất điện của màng. Sau đây chúng tôi tiếp tục khảo sát sự phụ thuộc của điện trở suất và nồng độ hạt tải theo khoảng cách x.
Đồ thị hình 3.25 và 3.26 minh họa sự phụ thuộc của nồng độ hạt tải và điện trở suất của màng ZnO:V theo khoảng cách x. Ta thấy, nồng độ hạt tải tăng nhanh từ vị trí x từ 0 - 3 cm, và đạt giá trị cực đại tại vị trí x = 3 cm. Khi x > 3 cm, nồng độ hạt tải giảm là do khoảng cách từ bia đến vị trí của mẫu lớn hơn so với quãng đường tự do trung bình của các hạt năng lượng cao, vì thế chúng bị va chạm nhiều trước khi đến được mẫu,bị mất mát năng lượng và kết quả là các hạt phún xạ không còn đủ năng lượng đểđến lắng đọng trên đế.
Luận văn thạc sĩ Vật lý 67 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Hình 3.26: Sự phụ thuộc của điện trở suất của các màng ZnO:V theo khoảng cách x tính từ biên vùng ăn mòn đến vị trí đặt mẫu
Hình 3.25. Sự phụ thuộc của nồng độ hạt tải của các màng ZnO:V theo khoảng cách x tính từ biên vùng ăn mòn đến vị trí đặt mẫu
Luận văn thạc sĩ Vật lý 68 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Điện trở suất ρ giảm từ vị trí x từ 0 - 3 cm và đạt giá trị điện trở suất nhỏ nhất tại giá trị x = 3 cm là 4.8.10-4 Ω.cm. Tuy nhiên khi tăng khoảng cách từ 3- 4 cm, thì điện trở suất lại tăng lên. Điều này có thể giải thích rằng điện trở suất của màng thay đổi chủ yếu là do nồng độ hạt tải bởi vì độ linh động μ thay đổi không đáng kể theo khoảng cách x.
Như vậy ở khoảng cách x = 3 cm, màng có điện trở suất thấp nhất và nồng độ hạt tải lớn nhất.
3.3.3. Ảnh hưởng của công suất phún xạ của bia Vlên tính chất điện và quang của màng bán dẫn loại n ZnO:V.