Hình 3.34. Phổ truyền qua của các màng phụ thuộc vào công suất phún xạ của bia V
Luận văn thạc sĩ Vật lý 75 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Nhiệt độ đế là một thông số rất quan trọng khi chế tạo màng. Với khoảng cách bia đế, vị trí đặt mẫu và công suất phún xạ của bia V tối ưu đã tìm được ở trên, chúng tôi tiếp tục nghiên cứu để tìm ra nhiệt độđế tối ưu cho hệđồng phún xạđang thực hiện cho quá trình tạo màng với điều kiện như sau:
Bia gốm ZnO và bia V.
Áp suất phún xạ: 10-3 torr.
Công suất phún xạ của bia gốm ZnO: 80 W
Công suất phún xạ của bia V: 50 W
Khoảng cách bia – đế: đế được bố trí trực giao so với bề mặt bia gốm ZnO và khoảng cách từ mép dưới của đếđến bia gốm ZnO là 2.5 cm.
Khoảng cách x từđếđến biên của vùng ăn mòn khoảng 3 cm.
Nhiệt độ đế TS: thay đổi lần lượt các giá trị 100 oC,140 oC, 180oC, 220
oC, 240 oC và 280 oC.
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 điều kiện thực nghiệm trên chúng tôi thu được các màng ZnO:V theo nhiệt độđế với kết quảđược ghi trong bảng 3.4 và hình 3.36.
Bảng 3.4:Ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện trở suất của màng VZO
Mẫu 1000 1400 1800 2200 2400 2800
Luận văn thạc sĩ Vật lý 76 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Từ hình 3.36, ta thấy khi nhiệt độ đế tăng từ 100 đến 1800C thì điện trở suất của màng giảm dần, nhưng tiếp tục tăng nhiệt độ đế lên đến 2800C thì điện trở suất của màng tăng trở lại. Theo giải thích của các nhà khoa học trên thế giới [ref] thì nhiệt độđếđược xem như là một chất xúc tác giúp V tham gia vào màng ZnO dễ dàng hơn dẫn tới làm tăng nồng độ hạt tải và giảm điện trở suất của màng. Ngoài ra, nhiệt độ đế cũng làm cho màng được cải thiện cấu trúc tinh thể cũng như hợp thức giữa màng với đế, và hợp thức giữa V trong màng tốt hơn. Tuy nhiên khi nhiệt độ đế tăng hơn 1800C thì điện trở suất của màng lại tăng do hai nguyên nhân sau: Thứ nhất, nhiệt độ đế tăng làm tăng sự hợp thức V trong màng quá giá trị ngưỡng dẫn đến độ linh động của các hạt tải giảm và làm điện trở suất màng tăng. Thứ hai, nhiệt độđế tăng quá cao sẽ làm cho cấu trúc màng có nhiều sai hỏng hơn (có thể do ứng suất giữa màng và đế tăng) tạo ra nhiều chỗ khuyết oxi, chính những chỗ khuyết oxi này bắt bớt đi những điện tử làm cho nồng độ hạt tải giảm và điện trở suất của màng tăng. Vậy nhiệt độ 1800C là nhiệt độ ngưỡng để V pha tạp vào tối ưu nhất.
Luận văn thạc sĩ Vật lý 77 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Từ hình 3.37, ta thấy khi nhiệt độđế càng tăng thì cấu trúc màng càng được cải thiện (cường độ của đỉnh (002) tăng đáng kể). Nhưng khi nhiệt độ đế lớn hơn 1800C thì cấu trúc màng có nhiều sai hỏng hơn dẫn đến cường độ của đỉnh (002) bị giảm đi.
Sau đây, chúng tôi dùng phổ truyền qua để xác định tính chất quang của các màng ZnO:V theo các nhiệt đế khác nhau.
Hình 3.38 là phổ truyền qua của các màng VZO theo nhiệt độ. Từ hình 3.24 cho ta thấy phổ truyền qua của các màng IZO thay đổi nhẹ theo nhiệt độ đế. Khi nhiệt độ đế tăng thì độ truyền qua trong vùng khả kiến kể cả vùng hồng ngoại gần. Điều này do khi nhiệt độđế tăng đã cải thiện hợp thức oxi trong màng và làm giảm nồng độ hạt tải của màng nhưđã giải thích ở phần tính chất điện bên trên.[ref].
Luận văn thạc sĩ Vật lý 78 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Tiếp theo, chúng tôi tiến hành chụp ảnh AFM của các màng theo nhiệt độ đế khác nhau để xác định độ mấp mô bề mặt của màng. Các kết quả được cho ở hình 3.39.
Hình 3.38: Phổ truyền qua của các màng VZO theo nhiệt độđế.
a)
TS=1000C RRMS=5.1 nm
Luận văn thạc sĩ Vật lý 79 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Từ hình 3.39 ta thấy các màng đều có độ mấp mô bề mặt RRMS thấp, ở nhiệt độ đế 1800C thì màng VZO có RRMS nhỏ nhất (khoảng 7.8 nm), điều này cũng chứng tỏ cho việc màng tạo ở nhiệt độ này có tính chất quang và điện trở suất tốt nhất. Do đó nhiệt độđế tối ưu cho quá trình tạo màng VZO của chúng tôi là 1800C.
TS=1800C RRMS=7.8 nm
TS=2800C RRMS=6.4 nm
Luận văn thạc sĩ Vật lý 80 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Chúng tôi đã chế tạo thành công màng bán dẫn trong suốt loại n ZnO pha tạp V bằng phương pháp đồng phún xạ. Việc nghiên cứu của chúng tôi được tiến hành song song cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm:
Trong phần thực nghiệm, chúng tôi tổng hợp màng ZnO:V bằng phương pháp đồng phún xạ magnetron DC. Chúng tôi đã thu được các kết quả thực nghiệm như sau:
Tạo thành công bia gốm ZnO có độ kết khối tốt, độ dẫn điện rất phù hợp cho quá trình tạo màng bằng phương pháp đồng phún xạ magnetron DC của chúng tôi.
Thiết kế và lắp ráp thành công hệđồng phún xạ magnetron DC từbia V
và bia gốm ZnO.
Tạo thành công màng dẫn điện trong suốt ZnO:V bằng phương pháp đồng phún xạ magnetron DC từ hai bia ZnO và bia V.
Tìm ra được vị trí tối ưu để chế tạo màng VZO đối với hệ đồng phún của chúng tôi. Kết quả cho thấy màng VZO có thể được ứng dụng làm điện cực trong suốt khi được chế tạo từ các thông số như sau:
- Góc tạo bởi hai bia là 350, khoảng cách giữa hai bia là 2 cm. - Áp suất phún xạ: 10-3 torr.
- Công suất phún xạ của bia gốm 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 gốm ZnO và khoảng cách từ mép dưới của đếđến bia gốm ZnO là 2.5 cm.
- Khoảng cách x tính từ biên của vùng ăn mòn đến đế là 3 cm - Nhiệt độđế TS là 180oC.
Luận văn thạc sĩ Vật lý 81 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Khi đó màng VZO có điện trở suất là 4,9.10-4 Ω.cm, cấu trúc màng phát triển theo mặt mạng (002) và độ truyền qua trung bình trong vùng ánh sáng khả kiến là 82 %.
Tìm ra công suất phún xạ tối ưu của bia V là 50 W thì màng VZO có nồng độ pha tạp là 1.2% trên màng sẽ có tính chất điện quang tốt hơn như sau: điện trở suất là 3,8.10-4 Ω.cm, độ truyền qua trong vùng ánh sáng khả kiến tăng lên đến 90%, và độ rộng vùng cấm tăng lên 3.378eV.
Khảo sát được sự phụ thuộc của tính chất điện quang của màng VZO theo nhiệt độ đế. Kết quả tìm được nhiệt độ hoạt động tối ưu cho hệ đồng phún của chúng tôi là 1800C.
Từ các kết quảđạt được ở trên, chúng tôi có một vài kiến nghị như sau:
Màng VZO của chúng tôi có khả năng ứng dụng làm điện cực trong suốt trong các thiết bị hiện thị phẳng như pin mặt trời, tivi plasma, OLED, ....
Tính chất điện quang của màng VZO của chúng tôi khá tốt so với các kết quả của nhiều tác giả trên thế giới.
Hệ đồng phún xạ của chúng tôi có thể được ứng dụng để nghiên cứu trong nhiều trường hợp mà không thể chế tạo màng bằng một hệ phún xạ.
Hướng phát triển đề tài:
Tiếp tục nghiên cứu, thay đổi các điều kiện chế tạo màng, thay đổi tỷ lệ khí oxi/argon và oxi, góc nghiêng của hai bia ..… để cải thiện hơn nữa tính chất quang điện của màng bán dẫn loại n.
Tạo màng VZO với sự thay đổi công suất phún xạ của bia ZnO và bia V phù hợp để nồng độ pha tạp V trên màng nhiều hơn.
Luận văn thạc sĩ Vật lý 82 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH
[1]. Phung Nguyen Thai Hang, Nguyen Pham Quoc Duy, Duong Thi Kim Tron, Ho Van Binh, Le Vu Tuan Hung, “Research and fabrication transparent
conducting oxide vanadium doped ZnO thin films by co-sputtering method”, The 6th
international conference on photonics and application, Ha Noi, Viet Nam, 8 – 12 November, 2010.
[2]. Phùng Nguyễn Thái Hằng, Nguyễn Phạm Quốc Duy, Dương Thị Kim Trọn, Hồ Văn Bình, Lê Vũ Tuấn Hùng, “Research and fabrication transparent
conducting oxide vanadium doped ZnO thin films by co-sputtering method”, Hội nghị khoa học lần 7 trường Đại học Khoa học Tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh, 26/11/2010.
Luận văn thạc sĩ Vật lý 83 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Tạ Thị Kiều Hạnh (2010), "Nghiên cứu chế tạo màng mỏng trong suốt dẫn điện loại p bằng phương pháp phún xạ magnetron", Luận văn Thạc sĩ Vật Lý, trường đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh.
[2] Nguyễn Phạm Quốc Duy (2010), “Chế tạo màng dẫn điện trong suốt ZnO pha tạp V bằng phương pháp đồng phún xạ magnetron DC”, Khóa luận tốt nghiệp đại học, trường đại học khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh.
[3] Trương Kim Hiếu, (2007), "Bài giảng vật lý quang bán dẫn 2", đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh.
[4] Le va Ngojc, (2009), "Chế tạo màng vonfram oxit bằng phương pháp phún xạ
phản ứng magnetron dc không cân bằng từ bia kim loại", Luận án tiến sĩ Vật Lý, trường đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh.
[5] Dương Anh Quang (2010), "Chế tạo màng dẫn điện trong suốt loại p… ", Luận văn Thạc sĩ Vật Lý, trường đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh.
[6] Lê Quẹo (2010), “Chế tạo màng dẫn điện trong suốt ZnO pha tạp In bằng phương pháp phún xạ magnetron DC”, Luận văn Thạc sĩ Vật Lý, trường đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh.
[7] Lê Trấn (2009), "Nghiên cứu chế tạo màng gương nóng truyền qua bằng phương pháp phún xạ magnetron dc", Luận án tiến sĩ Vật Lý, trường đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh.
[8] Phạm Thành Tuân (2009), "Nghiên cứu chế tạo màng ZnO pha tạp In bằng phương pháp phún xạ magnetron dc", Khóa luận tốt nghiệp đại học, trường đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh.
[9] Trần Cao Vinh (2007), "Tạo màng dẫn điện trong suốt bằng phương pháp phún xạ magnetron dc", Đề tài cấp bộ, trường đại học khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh.
Luận văn thạc sĩ Vật lý 84 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Tiếng Anh
[10] Assuncao V. et al., (2003), “Influence of the deposition pressure on the properties of transparent and conductive ZnO:Ga thin-film produced by r.f. sputtering at room temperature”, Thin Solid Films 427, 401–405. [11] Atuchin V.V. et al., (2008), “Optical properties of textured V2O5/Si thin
films deposited by reactive magnetron sputtering”, Optical Materials 30, 1145–1148
[12] Ayadi Z. Ben et al., “Effect of doping concentration on transparency and conductivity of ZnO:Al thin films”
[13] Benouis C.E., Sanchez-Juarez and M.S Aida (2007), “Physics properties comparison between undoped ZnO and AZO, IZO doped thin films prepared by spray pyrolysis”, Journal of Applied Sciences 7, 220-225. [14] Berg S., Nyberg T., (2005), “Fundamental understanding and modeling of
reactive sputtering processes”, Thin Solid Films 476, 215 – 230 [15] Bose S., Barua A.K. (1999) , J. Phys. D: Appl. Phys. 32 213
[16] Boulouz M. et al. (1998), “Influence of substrate temperature and target composition on the properties of yttria-stabilized zirconia thin films grown by r.f reactive magnetron sputtering”, Thin Solid Films 323, 85–92 [17] Bräuer F. et al., (2010), “Magnetron sputtering – Milestones of 30 years”,
Vacuum 84, 1354–1359.
[18] Cao et al., (2009), “Influence of O2/Ar ratio on the structural, electrical, and optical properties of transparent conductive zirconium-doped ZnO films prepared by RF sputtering”, Scripta Materialia 61, 231–233
[19] Coutts T. J, (2000), Young D. L., and Li X., "Characterization of Transparent Conducting Oxides," MRS Bulletin 25, pp. 58-65
[20] Couzinié-Devy F.et al., (2008), “Dependence of ZnO:Al properties on the substrate to target position in RF sputtering”, Thin Solid Films 516, 7094– 7097.
[21] Cui H.-N.et al., (2008), “Thermochromic properties of vanadium oxide films prepared by dc reactive magnetron sputtering”, Thin Solid Films 516 , 1484–1488.
Luận văn thạc sĩ Vật lý 85 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
[22] Cuomo J.J., et al., (1978), J.Vac.Sci, Tech., 15, 281.
[23] Chen L., Bi X., (2008), “Variations of microstructure, conductivity and transparency of Al-doped ZnO thin films prepared by radio frequency magnetron sputtering with target–substrate distances”, Vacuum 82, 1216– 1219.
[24] Chen M.et al. ,(2001), “Structural, electrical and optical properties of transparent oxide ZnO:Al thin films prepared by DC magnetron reactive sputtering”, J.Vac.Sci.Technol.A,Vol 14, No. 3.
[25] China C.H., Segwa Y., Koinuma H., Kawasaki M., Solid State Commun. 127-265.
[26] Dawar A. L. and Joshi J. C., (1984), “Semiconducting transparent thin films: their properties and applications,” J. Mater. Sci. 19, 1-23.
[27] Eckroad S., (2007), “Vanadium redox flow batteries”, Electric Power
Research Institute, 1014836.
[28] Edwards D. et al., (1997), “A new transparent conducting oxide in the Ga2O3–In2O3–SnO2 system,” Appl. Phys. Lett. 70, 1706-1708.
[29] Ellmer K. , et al., (2000), “Magnetron sputtering of transparent conductive zinc oxide: relation between the sputtering parameters and the electronic properties”, Applied physics Volume 33, Number 4.
[30] En-Gang F. et al., (2004), “Properties of transparent conductive ZnO:Al thin films prepared by magnetron sputtering”, Microelectronics Journal 35, 383–387
[31] Exarhos G. J. and Zhou X. D., (2007), “Discovery-based design of transparent conducting oxide films,” Thin solid films 515, 7025-7052. [32] Fu E.-G. et al., (2003), “Substrate temperature dependence of the
properties of ZAO thin films deposited by magnetron sputtering”, Applied
Surface Science 217, 88–94.
[33] Gao P. et al., (2000), “Influence of sputtering power and the substrate- target distance on the properties of ZrO2 films prepared by RF reactive sputtering”, Thin Solid Films 377-378, 557-561
[34] Gong L. et al., (2010), “Transparent and conductive Ga-doped ZnO films grown by RF magnetron sputtering on polycarbonate substrates”, Solar
Luận văn thạc sĩ Vật lý 86 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
[35] Gordon R. G. (2000), “Criteria for Choosing Transparent Conductors”,
MRS Bulletin 25(8), pp. 52 – 57.
[36] Granqvist C.G., (2007), “Transparent conductors as solar energy materials: A panoramic review”, Solar Energy Materials & Solar Cells 91, 1529–1598
[37] Guillén C. et al., (2008), “Transparent and conductive ZnO:Al thin films grown by pulsed magnetron sputtering in current or voltage regulation modes”, Vacuum 82, 668–672
[38] Guillén C. et al., “High conductivity and transparent ZnO:Al films prepared at low temperature by DC and MF magnetron sputtering”, Thin
Solid Films 515, 640 – 643
[39] Guo X.L., Tabata H., (2000), Optical Material, 19, 299 - 315
[40] GiesA. et al., (2008), “Effect of silver co-sputtering on V2O5 thin films for lithium microbatteries”, Thin Solid Films 516, 7271–7281
[41] Hamzaoui S.,Adnane M., (2000), Effects of temperature and r.f. power sputtering on electrical and optical properties of SnO2”, Applied Energy
65, 19-28
[42] Hsu C.Y. et al., (2008), “Influence of ZnO buffer layer on AZO film properties by radio frequency magnetron sputtering”, Journal of the
European Ceramic Society 28, 3065–3070
[43] Hwang H.S. et al., (2004), “Characterization of Ag-doped vanadium oxide (AgxV2O5) thin film for cathode of thin film battery”,
Electrochimica Acta 50, 485–489
[44] Jeong S.H., Boo J.H., (2004), “Influence of target-to-substrate distance on the properties of AZO films grown by RF magnetron sputtering”, Thin
Solid Films 447– 448, 105–110
[45] Jeong S.H. et al., (2008), “Physical properties and etching characteristics of metal (Al, Ag, Li) doped ZnO films grown by RF magnetron sputtering”, Thin Solid Films 516, 6598-6603.
[46] Jeong S.H. et al., (2008), “Study on the doping effect of Li-doped ZnO film”, Thin Solid Films 516, 5586-5589.
[47] Jin H.J (2008), “Unidirectional variation of lattice conctants of Al-N-codoped ZnO films by RF magnetron sputtering”, Applied Surface Science 254, 2207.
Luận văn thạc sĩ Vật lý 87 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
[48] Jing XU , et al., (2009), “Dependence of characteristics of LaB6 films on DC magnetron sputtering power”, Trans. Nonferrous Met. Soc. China 19,952-955.
[49] Joel N. Duenow et al., (2008) “ZnO:Al doping level and hydrogen growth ambient effects on CIGS solar cell performance”, 33rd IEEE
Photovoltaic Specialists Conference.
[50] Jung Y.S.et al., (2003), “Influence of DC magnetron sputtering parameters on the properties of amorphous indium zincoxide thin film”,
Thin Solid Films 445, 63–71.
[51] Kawasaki H., Ohshima T., Yagyu Y., Suda Y., Khartsev S. I., Grishin A. M. (2008), Journal of Physics: Conference Series 100, 012038.
[52] Kim T.H et al., (2009), “Fabrication of Mg-doped ZnO thin films by laser ablation of Zn:Mg target”, Applied Surface Science 255, 5264-5266.
[53] Kim Y.Y. et al., (2009), “Influence of Mg composition on the characteristics of MgZnO/ZnO heterostructures grown by co-sputtering”,
Materials Science and Engineering B 165, 80–84
[54] Kwak D-J et al., (2009), “Discharge power dependence of structural and electrical properties of Al-doped ZnO conducting film by magnetron sputtering (for PDP)”, Vacuum 83, 113–118.
[55] Kwak D-J, et al., (2009), “Effects of gas pressure and discharge power on electrical and properties of ZnO:Al thin film deposited on polymer substrate”, J. Plasma Fusion Res. SERIES, Vol. 8.
[56] Lan .J.H., Kanicki J., Katalano A., Keane J., Proceedings of the 2nd