Chương 2 Thực nghiệm
2.2. Cỏc phương phỏp được dựng để chế tạo mẫu
2.2.1. Bốc bay chựm tia điện tử:
Chỳng ta nhận thấy rằng tất cả cỏc nguồn bốc bay nhiệt từ thuyền xoắn, thuyền lỏ, thuyền graphit, chộn kim loại và chộn sứ nhiệt độ cao,vv… cũng chỉ sử dụng trong một số trường hợp nhất định, với thời gian sử dụng khụng cao. Một trong cỏc nguyờn nhõn làm cho cỏc nguồn bốc bay như thuyền hay chộn kể trờn cú hạn chế là sự tương tỏc giữa thuyền hoặc chộn với vật liệu gốc. Như vậy, muốn trỏnh hiện tượng này cần sử dụng nguồn nhiệt, trong đú khụng cú tiếp xỳc trực tiếp nào giữa chộn hay thuyền với vật liệu gốc. Chựm tia điện tử hội tụ trong chõn khụng là nguồn nhiệt lý tưởng đỏp ứng yờu cầu trờn. Đú là phương phỏp lắng đọng màng mỏng trong chõn khụng dựng chựm tia điện tử hội tụ làm nguồn bốc bay. Phương phỏp này được gọi tắt là bốc bay chựm tia điện tử. Đặc điểm nổi bật của phương phỏp dựng chựm tia điện tử khỏc với phương phỏp bốc bay nhiệt hay phỳn xạ cathode là sử dụng năng lượng của chựm điện tử được hội tụ trực tiếp lờn vật liệu. Khi chựm tia điện tử năng lượng cao bắn lờn vật liệu gốc, do bị dừng đột ngột, toàn bộ động năng của chựm điện tử được chuyển thành nhiệt năng làm húa hơi vật liệu này. Do đú cú thể thấy những ưu điểm chớnh của phương phỏp này là:
- Mụi trường chế tạo sạch nhờ cú chõn khụng cao.
- Hợp thức húa học và độ tinh khiết của màng so với vật liệu gốc được đảm bảo do chựm tia điện tử cấp nhiệt trực tiếp cho vật liệu gốc và cỏc phần tử húa hơi xảy ra tức thỡ dưới tỏc dụng nhanh của nhiệt.
- Bốc bay được hầu hết cỏc loại vật liệu khú núng chảy vỡ chựm tia điện tử hội tụ cú năng lượng rất lớn.
- Dễ điều chỉnh ỏp suất, thành phần khớ, nhiệt độ và dễ theo dừi quỏ trỡnh lắng đọng.
- Cú thể sử dụng rất ớt vật liệu gốc, cho nờn trong cỏc trường hợp cần tiến hành nhiều thực nghiệm để tỡm kiếm cụng nghệ mới nhằm tiết kiệm đỏng kể nguồn vật liệu, nhất là vật liệu quý hiếm.
Theo phương phỏp này, vật liệu bốc bay được đặt trong chộn chịu nhiệt, sau đú được đốt núng bằng chựm tia điện tử và gia tốc với mật độ cụng suất cao để hội tụ vào chộn. Một dõy Volfram cú đường kớnh 0,4mm được đốt
núng với dũng cỡ 10A, cỏc electron được gia tốc trong điện trường cao khoảng 10KV, cathode là sỳng điện tử, anode là chộn đựng vật liệu. Hệ từ trường điều khiển chựm tia điện tử được gia tốc và hội tụ vào vật liệu đặt trong chộn để đốt núng vật liệu. Năng lượng của chựm tia phụ thuộc vào thế gia tốc và dũng đốt, nhiệt độ của chựm tia khoảng từ 1700 o
C cho đến 1800oC và tốc độ bay đạt tới 1018
atoms/am2 sec. Thực tế, để bốc bay ITO thỡ cường độ dũng điện ở cực anode đo được là 8A, UAK = 7KV, W ≈ 0,2mm.
2.2.2. Phương phỏp bốc bay nhiệt:
Phương phỏp bốc bay trong chõn khụng dựng thuyền điện trở làm nguồn cung cấp nhiệt là phương phỏp bốc bay nhiệt truyền thống. Phương phỏp này đơn giản, dễ thực hiện và hiệu quả cao. Để thực hiện quỏ trỡnh bốc bay, chỳng ta cần cú nguồn bốc bay để chứa vật liệu cần bốc bay và để cung cấp nhiệt tạo ra ỏp suất hơi cần thiết và duy trỡ quỏ trỡnh bốc bay vật liệu. Trong phương phỏp này, tốc độ lắng đọng màng cú thể nằm trong dải rộng từ 1Ǻ đến 1000 Ǻ/s. Hơn nữa, vật liệu khỏc nhau cú nhiệt độ bốc bay rất khỏc nhau. Nhiệt độ bốc bay của vật liệu phụ thuộc rất mạnh vào ỏp suất, nú giảm theo chiều giảm của ỏp suất trong buồng chõn khụng. Núi cỏch khỏc là chõn khụng càng cao thỡ nhiệt độ bốc bay càng giảm.
Theo phương phỏp này, vật liệu cần bốc bay được đặt trực tiếp lờn thuyền điện trở làm bằng dõy Volfram, uốn dạng giỏ và được đặt trong chõn khụng cao (10-5 Torr). Khi cú dũng điện chạy qua, thuyền được đốt núng lờn đến nhiệt độ cao bằng hoặc hơn nhiệt độ húa hơi của vật liệu gốc thỡ cỏc phần tử húa hơi sẽ bay ra và lắng đọng trờn đế. Cũng cần biết rằng, ở nhiệt độ cao Volfram dễ dàng tỏc dụng với hơi nước hoặc oxy tan trong hơi nước cũn sút lại trong buồng chõn khụng tạo thành tạp chất bẩn, tạp chất này cũng bay lờn cựng cỏc phõn tử của vật liệu cần bốc bay, do đú chất lượng của màng sẽ bị giảm đỏng kể. Sau khi bốc bay, nhất là trong trường hợp dựng lại thuyền giỏ nhiều lần, thuyền và vật liệu bốc bay tương tỏc với nhau tạo thành hợp kim. Lớp hợp kim này bỏm chặt vào thành thuyền nhờ sức căng bề mặt của chỳng và rất khú tẩy sạch.
Trong thực tế, vật liệu gốc được thực nghiệm là viờn Al (Nga chế tạo) và bột PVK. Cường độ dũng dựng để bốc bay Al là khoảng 80A và cho PVK là gần bằng 40A. Thuyền Volfram cú dạng giỏ cho Al và dạng phễu cho PVK. Khi dũng đốt tăng lờn đến mức nhiệt độ thuyền đạt độ núng chảy của kim loại
Al, chất lỏng này sẽ xoỏy theo vũng cuốn và bay lờn với tốc độ lớn như mong muốn, do đú cú thể bốc bay hết vật liệu gốc.
2.2.3. Phương phỏp quay phủ ly tõm:
Kỹ thuật tạo màng bằng phương phỏp quay phủ ly tõm được mụ tả như sau: Dung dịch chứa chất tạo màng cựng dung mụi hũa tan của nú nhỏ xuống từng giọt trờn đế đó được xử lý đang quay với tốc độ xỏc định. Số giọt chất lỏng nhỏ xuống tựy thuộc vào yờu cầu về độ dày của lớp màng. Lưu ý rằng, trước khi tiến hành quay phủ cần phải kiểm tra xem mỏy bơm hỳt hoạt động cú tốt khụng để tạo lực hỳt mạnh, giữ chặt mẫu trờn trục quay, nếu khụng vật mẫu sẽ văng ra ngoài khi tiến hành quay phủ. Khi nhỏ chất lỏng xuống thỡ quỏ trỡnh sẽ tiến hành theo cỏc bước sau:
- Phủ, bắt đầu quay. - Kết thỳc giai đoạn quay
- Làm bay hơi
Trong giai đoạn phủ, một lượng chất lỏng được phủ lờn bề mặt chất nền. Trong giai đoạn spin-up, lớp chất lỏng hướng ra ngoài do bị chi phối bởi lực ly tõm. Khi lớp màng mỏng đi, tỷ lệ loại bỏ lớp chất lỏng này trong giai đoạn kết thỳc quay giảm xuống. Bởi màng càng mỏng thỡ sự cản trở dũng chảy càng lớn. Khi kết thỳc quỏ trỡnh quay phủ, lớp chất lỏng này chảy quanh chu vi của giỏ đỡ và tạo thành những giọt nhỏ.
Trong giai đoạn ba, sự bay hơi được xem là khõu cơ bản của việc làm mỏng lớp màng, đõy là điểm đặc trưng của phương phỏp quay so với cỏc phương phỏp khỏc.
Thuận lợi của phương phỏp này là lớp màng tạo ra cú tớnh đồng nhất về độ dày, khuynh hướng trờn xuất hiện là do sự cõn bằng của hai lực chớnh:
1. Lực ma sỏt do độ nhớt gõy ra.
2. Lực ly tõm điều chỉnh dũng chảy hướng ra ngoài.
Độ dày của lớp màng theo thời gian được tớnh theo cụng thức: h(t) = h0 [(1 + 4 2 h0 2 t)/3 ]-1/2 Trong đú: : vận tốc gúc t: thời gian
h: độ dày ban đầu
Đặt biệt là với ưu thế giữ được cấu trỳc phõn tử của cỏc polymer nờn phương phỏp này thường được lựa chọn cho việc chế tạo màng mỏng hữu cơ, vớ dụ như chế tạo màng dẫn lỗ trống, điện tử hoặc phỏt xạ trong cỏc OLED. Từ quỏ trỡnh thực hiện cho thấy quỏ trỡnh tạo màng bằng phương phỏp quay phủ rất đơn giản, khụng đũi hỏi về chõn khụng khắc khe như cỏc phương phỏp lắng đọng pha hơi vật lý.