Chương 2 Thực nghiệm
2.4. Trỡnh tự chế tạo mẫu
2.4.1. Quỏ trỡnh chế tạo điện cực anode (ITO)
Như ta đó biết, Indium tin oxide (ITO) được sử dụng rộng rói như là một điện cực truyền dẫn cho cỏc linh kiện quang điện tử chẳng hạn như cỏc tấm bảng hiển thị phẳng bằng tinh thể lỏng hay pin mặt trời… ITO là một chất bỏn dẫn loại n cú sự thoỏi húa cao và cú điện trở suất thấp từ 2.10-4
cm đến 4.10-4 cm và độ rộng khe dói trong khoảng từ 3.3eV đến 4.3eV. Nú cho thấy tớnh truyền dẫn cao trong vựng nhỡn thấy và gần với vựng quang phổ ỏnh sỏng hồng ngoại. Màng mỏng ITO thường được lắng đọng trờn cỏc tấm đế cứng bằng phương phỏp phỳn xạ, bốc bay hay nhiệt phõn bao gồm cả đế thủy tinh và cỏc wafer Si.
Để cú được màng ITO cú độ dẫn điện cao và trong suốt với ỏnh sỏng khả kiến, màng ITO sau khi bay hơi cần được xử lý nhiệt. Ban đầu, chọn vật liệu
là bột ụxit inđi In2O3 và ụxit thiết SnO2 cú độ sạch 99,99% (do Phỏp chế tạo). Cỏc ụxit này được cõn và nghiền trộn đều theo tỷ lệ khối lượng nhất định là In2O3 chiếm 10%, cũn lại là SnO2. Hỗn hợp ụxit thu được ở dạng bột sau đú sẽ được nghiền trộn và ủ nhiệt để cú viờn ITO dựng cho quỏ trỡnh bay hơi. Hỗn hợp được nghiền trộn bằng phương phỏp cơ học và sau đú cho ủ nhiệt trong khoảng 30 phỳt với nhiệt độ là 200oC, sau đú cỏc viờn được ủ ở nhiệt độ là 300oC trong vũng 1 giờ.
a) Quỏ trỡnh xử lý đế:
Màng ITO cú chất lượng cần phải đỏp ứng tốt cỏc yờu cầu về tớnh chất quang, bỏm dớnh tốt trờn đế thủy tinh... Do đú, đế cần được xử lý kỹ trước khi cho lắng đọng tạo màng. Màng ITO được lắng đọng trờn đế thủy tinh quang học cú kớch thước 1 x 1,5 cm2. Quỏ trỡnh xử lý đế được thực hiện như sau:
- Ngõm trong dung dịch (K2Cr2O7/H2SO4) để làm sạch trong khoảng 1 phỳt.
- Cho rung siờu õm trong dung dịch KOH, thời gian 45 phỳt, nhiệt độ 60oC.
- Cho rung siờu õm trong nước cất 2 lần, mỗi lần 45 phỳt với nhiệt độ khoảng 60o
C.
- Cho rung siờu õm trong dung mụi C2H5OH 5% khoảng 45 phỳt với nhiệt độ khoảng 60o
C.
- Cho rung trong nước khử ion 45 phỳt.
Sau cụng đoạn trờn, quan sỏt kỹ thấy vẫn cũn một số chất bẩn bỏm trờn đế, để loại bỏ chỳng cần thực hiện phương phỏp phúng lạnh trong chõn khụng thấp.
Đế sau khi đó xử lý bằng phương phỏp húa học được gỏ lờn giỏ đỡ và đưa vào buồng chõn khụng để xử lý bằng cỏch phúng điện bằng thiết bị Lambda Physik (CHLB Đức) (phũng thớ nghiệm cụng nghệ quang tử – khoa Vật lý kỹ thuật và cụng nghệ Nano- ĐHCN), thời gian xử lý trong vũng 10 phỳt, ỏp suất 10-2 Torr. Trong buồng phản ứng ỏp suất thấp đú, đặt một điện trường vào hai điện cực anode và cathode để xảy ra hiện tượng ion húa trong khớ kộm hay plasma lạnh. Khi đú cỏc điện tử và ion khớ được gia tốc bởi điện trường nờn thu được một động năng lớn. Cỏc hạt này va chạm vào bề mặt đế và đỏnh bật cỏc chất bẩn cũn lại trờn bề mặt đế sau khi đó xử lý đế bằng phương phỏp húa học.
b) Quỏ trỡnh tạo màng ITO:
Trờn bề mặt phõn cỏch của anode, cỏc lỗ trống được phun vào lớp phỏt quang, do đú quỏ trỡnh này đũi hỏi điện cực anode (ITO) cần phải cú cụng thoỏt cao để phự hợp với mức HOMO trong chất hữu cơ bỏn dẫn. Do đú ITO được xem là sự lựa chọn duy nhất cho cỏc liờn kết điện cực anode đan xen lẫn nhau bờn trong cỏc OLED. Điện cực dương anode là loại liờn kết phớa trờn đỉnh, nơi mà ỏnh sỏng thoỏt ra và màng ITO phải cú cỏc đặc tớnh truyền tốt nhất trong dóy rộng ỏnh sỏng cú thể nhỡn thấy bằng mắt thường. Lớp màng ITO phải cú điện trở bề mặt thấp từ 15Ω cho đến khoảng 100 Ω. Tớnh năng dẫn điện và truyền quang cao là trung tõm để cải thiện hiệu suất, giảm đến mức tối thiểu sự phản xạ và làm tăng đến mức tối đa tớnh truyền dẫn của lớp màng ITO, đõy là một ưu điểm làm tăng hiệu suất của OLED cấu trỳc đa lớp.
Lớp màng ITO cú thể được chế tạo để cú được cụng suất hoạt động trong phạm vi giữa 4,5eV và 5,0eV, rất thớch hợp cho việc lựa chọn màng mỏng hữu cơ. Tớnh trong suốt, tớnh dẫn và chức năng làm việc cú thể thay đổi hoàn toàn bởi kỹ thuật lắng đọng, xử lý bề mặt và qui trỡnh ủ nhiệt.
Chất ITO nhận được từ bước một được đặt trong chộn corrund trờn giỏ đỡ bằng đồng. Trong quỏ trỡnh bay hơi ITO, giỏ đỡ này được làm lạnh bằng nước. Đế sau khi xử lý được đặt vào vị trớ xỏc định nhờ bộ giữ đế. Nhiệt độ của đế được đọc trực tiếp trờn màn hiển thị của thiết bị đo sử dụng cặp nhiệt loại K (Chromel Alumel Thermocuople).
Hỡnh 2.4.1: Thiết bị Nabertherm (model: L0185E) dựng để ủ nhiệt cỏc mẫu ITO trong quỏ trỡnh thực nghiệm tại phũng thớ nghiệm vật liệu quang tử, khoa
Sau khi bơm sơ cấp hoạt động 30 phỳt, ỏp suất trong chuụng đạt 1.10-2
Torr. Tiếp theo, cho bơm khuếch tỏn hoạt động để đạt ỏp suất 5.10-5
Torr. Tổng thời gian của quỏ trỡnh hỳt chõn khụng khoảng 2 giờ. Đế được đốt núng lờn đến 150oC và được giữ khụng đổi ở nhiệt độ này trong suốt quỏ trỡnh bay hơi. Quỏ trỡnh bay hơi được thực hiện ở cao ỏp là 7,5kV, dũng cathode là 8A. Khi đú, chựm tia điện tử từ sỳng điện tử được hội tụ vào nguồn bay hơi bằng bộ điều khiển từ trường. Dũng đo được ở điện cực anode là 83mA cho phộp xỏc định tốc độ bay hơi một cỏch tương ứng. ITO nhận năng lượng từ chựm tia điện tử và thăng hoa phủ dần lờn đế. Thời gian bay hơi duy trỡ trong khoảng từ 8 đến 10 phỳt, khi đú màng nhận được cú chiều dày trong tầm khoảng từ 200nm đến 300nm.
Cỏc lớp màng nhận được sau khi bay hơi cú màu nõu đen, đú là màng mỏng giàu kim loại Inđi, độ truyền qua trong vựng khả kiến rất thấp. Vỡ vậy, chỳng cần được xử lý nhiệt để màng mỏng được oxy húa cú độ truyền qua và điện trở suất thớch hợp với mục đớch sử dụng.
Cỏc thụng số của quỏ trỡnh bay hơi như sau: Nhiệt độ đế: 150o
C.
Cao ỏp cho sỳng điện tử: 7,5kV. Dũng cathode: 6-10A.
Dũng anode: 62-95mA. Thời gian bay hơi: 8-10 phỳt.
Sau khi bay hơi, cỏc màng tiếp tục được ủ nhiệt trong khụng khớ và trong chõn khụng với thời gian và nhiệt độ thớch hợp, cuối cựng ta thu được cỏc kết quả như sau:
Mẫu M0 vẫn giữa nguyờn trạng thỏi lỳc ban đầu, khụng tỏc động chế độ ủ nhiệt cho nú.
Mẫu M1 thỡ được ủ trong mụi trường khụng khớ với nhiệt độ ủ là 400oC với thời gian là 1 giờ.
Mẫu M2 cũng chỉ là mẫu M1 lỳc nóy, tuy nhiờn mẫu sẽ được đem ủ trong mụi trường chõn khụng khoảng 1.10-2
Torr với nhiệt độ ủ là 300oC và thời gian ủ là 1 giờ.