Cửa sổ chương trình mô phỏng được chia làm hai phần chính: phần “NHẬP VÀO” dùng để nhập các dữ kiện ban đầu mô phỏng và phần “KẾT QUẢ” dùng biểu diễn các kết quả mô phỏng ra màn hình (hình 3.4).
3.2.1.2 PHẦN NHẬP VÀO
Phần “NHẬP VÀO” của cửa sổ chương trình mô phỏng gồm 4 mục chính (hình 3.5):
Mục “GIÁ TRỊ BAN ĐẦU” cho ta biết một sốđiều kiện đưa vào ban đầu để mô phỏng như: đế là vật liệu SiO2 vô định hình, màng mô phỏng là màng TiO2, nhiệt độ
đế là 473 K. Ngoài ra phần này cho phép ta lựa chọn năng lượng hạt tới thông qua nhóm nút 1.
Mục “HẠT TỚI” cho phép nhập số hạt titan tới đế để mô phỏng.
Mục “KHẢO SÁT” chứa các nhóm nút thi hành lệnh mô phỏng bao gồm hai nhóm nút: nhóm nút 2 và nhóm nút 3. Nhóm nút 2 là nhóm nút thực thi các lệnh mô phỏng đơn lẻ, như tính khối lượng riêng và độ gồ ghề màng ứng với số hạt titan tới với năng lượng cụ thể (ví dụ số hạt titan tới đế là 9000, năng lượng tới là 10 eV), vẽ H-function, vẽ bề mặt màng. Nhóm nút 3 là nhóm nút dùng để thực thi các lệnh mang tính so sánh như: xét sự biến đổi khối lượng riêng của màng theo bề dày màng, sự biến
đổi của độ gồ ghề màng theo bề dày màng .v.v.
Mục cuối cùng trong phần nhập vào là mục chứa nhóm nút 4 bao gồm: nút “RUN” ra lệch cho chương trình bắt đầu chạy, nút “RESET” đưa cửa sổ mô phỏng về
3.2.1.3 PHẦN KẾT QUẢ
Phần “KẾT QUẢ” gồm hai vùng chính: Vùng hiển thị đồ thị và vùng hiển thị các kết quả tính toán (hình 3.6). Đồ thị trong vùng hiển thị đồ thị có thể có dạng 2D (mô phỏng các đặc tuyến) hoặc 3D (mô phỏng đế hoặc bề mặt màng) (hình 3.6).
3.2.2. GIỚI HẠN MÔ PHỎNG CỦA CHƯƠNG TRÌNH 3.2.2.1 MÔ PHỎNG ĐẾ
Để mô phỏng đế, chỉ cần cho các nhóm nút lệnh khác ở chếđộ none và bấm vào nút “Đế: vật liệu SiO2 vô định hình”, kết quả thu được sẽ như hình 3.7.
Hình 3.7: mô phỏng đế SiO2 vô định hình.
3.2.2.1 MÔ PHỎNG VỚI NHÓM NÚT LỆNH 2
Để tính khối lượng riêng và độ gồ ghề màng, chọn năng lượng hạt tới trong mục “GIÁ TRỊ BAN ĐẦU”, nhập vào số hạt tới, chọn nút “khối lượng riêng và độ gồ ghề
màng”, nhấn nút “RUN”. Ví dụ sau khi chọn các giá trị xong, nhấn “RUN” chúng tôi thu được kết quả như hình 3.8.
Các lệnh “H-function”, “Bề mặt màng” cũng đều phải chọn năng lượng hạt tới, và nhập vào số hạt titan tới thì chương trình mới thực thi. Ví dụ: hình 3.9 cho kết quả
tính H-function ứng với số hạt titan tới là 500, năng lượng hạt tới 10 eV.
Nếu số hạt tới bỏ trống không nhập hoặc nhập vào giá trị không phải dạng số thì chương trình sẽ báo lỗi (hình 3.10).
Hình 3.8: Ví dụ mô phỏng tính khối lượng riêng và độ gồ ghề của màng.
Hình 3.9: Kết quả mô phỏng H-function ứng với số hạt Ti là 5000, năng lượng hạt tới là 10eV.
Hình 3.10: Lỗi gặp phải khi nhập số hạt titan tới không đúng.
3.2.2.2 MÔ PHỎNG VỚI NHÓM NÚT LỆNH 3.
Hình 3.12: Mô phỏng sự biến đổi khối lượng riêng của màng theo năng lượng hạt tới.
Để mô phỏng sự biến đổi của khối lượng riêng hoặc độ gồ ghề của màng theo bề
dày màng ta phải chọn năng lượng hạt tới trong nhóm nút 1, không cần nhập số hạt tới, nhóm nút 2 để ở chếđộ none (hình 3.11).
Để mô phỏng sự biến đổi của khối lượng riêng hoặc độ gồ ghề của màng theo năng lượng hạt tới ta chỉ cần chọn các lệnh ở nhóm nút 3, không cần nhập số hạt, nhóm nút 1 và nhóm nút 2 ở chếđộ none (hình 3.12).
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
4.1 SỰ BIẾN ĐỔI KHỐI LƯỢNG RIÊNG CỦA MÀNG
4.1.1 SỰ BIẾN ĐỔI KHỐI LƯỢNG RIÊNG CỦA MÀNG THEO BỀ DÀY MÀNG
Bảng 4.1: Sự biến đổi của khối lượng riêng theo bề dày màng ứng với các năng lượng 10 eV và 20 eV.
Năng lượng hạt tới 10eV Năng lượng hạt tới 20eV Số hạt Ti
trên đế Bề dày màng (nm) Khối l(g/cm3) ượng riêng Bề dày màng (nm) Khối l(g/cm3) ượng riêng
500 11,43 2,71 10,97 2,82 1000 23,47 2,63 21,62 2,86 2000 48,22 2,61 45,94 2,74 3000 72,81 2,58 69,22 2,71 4000 93,21 2,65 89,48 2,76 5000 104,37 2,95 99,70 3,08 6000 119,53 3,11 115,04 3,24 7000 138,65 3,11 131,94 3,27 8000 142,89 3,45 142,46 3,46 9000 148,71 3,76 146,92 3,81
Sau khi tiến hành mô phỏng chúng tôi thu được sự biến đổi khối lượng riêng theo bề dày của màng ở bảng 4.1. Kết hợp đồng thời với hình 4.1 chúng tôi nhận thấy như
sau: Khi bề dày màng tăng (từ 11,43 nm đến 148,71nm ứng với năng lượng hạt tới 10 eV, và từ 10,97 nm đến 146,92 nm ứng với năng lượng hạt tới 20 eV), khối lượng riêng của màng tăng (từ 2,71 g/cm3 đến 3,76 g/cm3 ứng với năng lượng hạt tới 10 eV và từ 2,82 g/cm3 đến 3,81 g/cm3 ứng với năng lượng hạt tới 20 eV), quy luật tăng có thể xem là tuyến tính tương ứng với các khoảng bề dày mà chúng tôi xét. Điều này phù hợp với những nhận xét trong [29] hình 1.19b.
a)
b)
Hình 4.1: Sự biến đổi khối lượng riêng theo bề dày của màng ứng với: a) Năng lượng hạt tới 10 eV. a) Năng lượng hạt tới 10 eV.
Bảng 4.2: Sự biến đổi độ gồ ghề theo bề dày của màng ứng với cùng một công suất phún xạ [8]. Mẫu Tphx (phút) Iphx (A) VDC (V) P (mTorr) (hkl) df (nm) Rms (nm) D (nm) tại A(101) G53 15 0,5 400 13 A(101) 138 9,2 22,5 G54 30 0,5 400 13 A(101) 249 10,5 20,0 G55 45 0,5 400 13 A(101) 444 16,8 25,9 G56 60 0,5 400 13 A(101) 517 17,5 29,3 G57 75 0,5 400 13 A(004) 640 24,0 30,7
Hình 4.2: Giản đồ XRD của màng TiO2 khi tphx khác nhau. Ứng với tphx = 15 phút, bề
Khi so sánh với các giá trị khối lượng riêng TiO2 ứng với pha vô định hình (2,24 g/cm3 ở 20oC) [22], pha anatase (3,84 g/cm3) và pha rutile (4,26 g/cm3) chúng tôi thấy rằng khi bề dày màng là 148,71 nm (hoặc 146,92 nm) khối lượng riêng màng tương ứng là 3,76 g/cm3 (hoặc 3,81 g/cm3) lớn hơn khối lượng riêng màng ứng với pha vô định hình nhưng nhỏ hơn khối lượng riêng màng ứng với pha anatase. Điều này cho phép kết luận ở bề dày khoảng 146 nm tương ứng với điều kiện giảđịnh của chúng tôi, màng đã chuyển pha từ vô định hình sang tinh thể anatase, tuy nhiên trong màng vẫn còn chứa pha vô định hình. So sánh với kết quả thu được từ
thực nghiệm của tác giả Vũ Thị Hạnh Thu [8] chúng tôi nhận thấy kết quả thu được là hợp lý, trong [8] tác giả Vũ Thị Hạnh Thu đã thu được màng TiO2 chứa pha anatase ở
bề dày 138 nm (bảng 4.2 và hình 4.2).
4.1.2 SỰ BIẾN ĐỔI KHỐI LƯỢNG RIÊNG CỦA MÀNG THEO NĂNG LƯỢNG HẠT TỚI
Hình 4.3: Sự biến đổi khối lượng riêng theo bề dày của màng ứng với năng lượng hạt tới khác nhau. Đường màu xanh ứng với năng lượng hạt tới 10 eV, đường màu đỏứng với năng lượng hạt tới 20 eV.
Hình 4.4: Sự biến đổi khối lượng riêng của màng SiO2 theo năng lượng hạt Si tới, thu
được từ mô phỏng MD [33].
So sánh các giá trị về bề dày và khối lượng riêng màng trong trường hợp có cùng số hạt titan trên đế nhưng năng lượng tới đế khác nhau (bảng 4.1 và hình 4.3) chúng tôi nhận thấy: ứng với cùng số hạt titan trên đế, khi năng lượng hạt tới tăng thì bề dày màng giảm và khối lượng riêng của màng tăng. Nhận xét này cũng phù hợp với kết quả mô phỏng trong [33] (hình 4.4) của tác giả Masafumi Taghuchi và các đồng sự
khi mô phỏng sự hình thành màng SiO2 vô định hình bằng cách cho các hạt Si tới với các năng lượng khác nhau.
Mặt khác, chúng tôi còn nhận thấy trong khoảng bề dày màng từ 11,4 nm đến 140 nm, đường biểu diễn sự thay đổi của khối lượng riêng theo bề dày màng ứng với năng lượng hạt tới 20 eV (đường màu đỏ) nằm trên đường biễu diễn sự thay đổi của khối lượng riêng theo bề dày màng ứng với năng lượng hạt tới 10 eV (đường màu xanh). Tuy nhiên, ứng với bề dày màng từ 140 nm trở đi hai đường đã tiến lại gần nhau (hình 4.3). Điều này cho phép kết luận: trong giai đoạn đầu hình thành màng, ứng với cùng một bề dày màng nếu ta cho năng lượng hạt tới càng lớn thì khối lượng
văn khoảng 140 nm) thì sự tăng của khối lượng riêng theo bề dày màng là không đáng kể (hai đường đỏ và xanh trong hình 4.3 gần như trùng nhau). So sánh với hình 1.19.b cho thấy kết quả này hợp lý.
4.2 SỰ BIẾN ĐỔI ĐỘ GỒ GHỀ CỦA MÀNG
4.2.1 SỰ BIẾN ĐỔI ĐỘ GỒ GHỀ THEO BỀ DÀY MÀNG
Bảng 4.3: Sự biến đổi độ gồ ghề của màng theo bề dày màng ứng với các năng lượng hạt tới 10 eV và 20 eV.
Năng lượng hạt tới 10eV Năng lượng hạt tới 20eV Bề dày màng (nm) Độ gồ ghề màng (nm) Bề dày màng (nm) Độ gồ ghề màng (nm) 11,43 0,45 10,97 0,47 23,47 0,87 21,62 1,04 48,22 0,91 45,94 1,32 72,81 0,89 69,22 1,48 93,21 0,81 89,48 1,46 104,37 1,15 99,70 2,13 119,53 1,20 115,04 1,81 138,65 0,91 131,94 2,24 142,89 0,88 142,46 2,28 148,71 1,15 146,92 2,27
Kết quả mô phỏng vềđộ gồ ghề màng thu được ở bảng 4.3 và hình 4.5. So sánh về mặt quy luật biến đổi của độ gồ ghề màng theo bề dày màng chúng tôi nhận thấy:
độ gồ ghề màng tăng khi bề dày màng tăng, quy luật tăng có thể xem là tuyến tính tương ứng khoảng bề dày được khảo sát trong mô hình. Kết quảđược so sánh với thực nghiệm của tác giả Vũ Thị Hạnh Thu [8] trong hình 4.6 và hình 1.19.a trong mục 1.5.4 cho thấy quy luật biến đổi là hợp lý.
a)
b)
Hình 4.5: Sự biến đổi độ gồ ghề theo bề dày của màng ứng với: a) Năng lượng hạt tới 10 eV. a) Năng lượng hạt tới 10 eV.
b) Năng lượng hạt tới 20 eV.
Tuy nhiên các giá trị vềđộ gồ ghề thu được trong mô phỏng lại không phản ánh
được thực nghiệm. Cụ thể trong kết quả mô phỏng, khi năng lượng hạt tới là 10 eV,
ứng với bề dày màng 148,71 nm thì độ gồ ghề màng là 1,15 nm (bảng 4.3), nhưng các kết quả thực nghiệm của tác giả Vũ Thị Hạnh Thu [8] ứng với bề dày màng là 138 nm,
độ gồ ghề màng là 9,2 nm (bảng 4.2). Sự khác biệt này quá lớn mặc dù các năng lượng hạt tới trong mô phỏng và trong thực nghiệm có khác nhau. Điều này cho thấy rằng
mô hình mô phỏng phản ánh chưa tốt về sự biến đổi của độ gồ ghề theo bề dày màng, nó chỉ có thể chỉ ra một cách định tính sự biến đổi của độ gồ ghề màng theo bề dày màng.
Hình 4.6: Sự biến đổi độ gồ ghề theo bề dày của màng ứng với cùng một công suất phún xạ, thu được từ thực nghiệm.
4.2.1 SỰ BIẾN ĐỔI ĐỘ GỒ GHỀ THEO NĂNG LƯỢNG HẠT TỚI
Mặc dù khảo sát sự thay đổi độ gồ ghề của màng theo bề dày màng chỉ có thể
dừng lại ở giới hạn định tính nhưng vẫn có thể sử dụng mô hình để khảo sát sự biến
đổi độ gồ ghề của màng theo năng lượng hạt tới. Dựa vào hình 4.7 có thể thấy một số điểm như sau: đường biểu diễn sự thay đổi độ gồ ghề của màng theo bề dày màng ứng với năng lượng hạt tới 20 eV (đường màu đỏ) nằm trên đường biểu diễn sự thay đổi độ
gồ ghề của màng theo bề dày màng ứng với năng lượng hạt tới 10 eV, khoảng cách giữa hai đường nở rộng khi bề dày tăng. Đều này cho phép kết luận: độ gồ ghề của màng tăng khi năng lượng hạt tới tăng, sự tăng độ gồ ghề theo năng lượng càng lớn khi bề dày màng càng lớn (tương ứng với bề dày mà chúng tôi khảo sát).
Hình 4.7: Sự biến đổi độ gồ ghề theo bề dày của màng ứng với năng lượng hạt tới khác nhau. Đường màu xanh ứng với năng lượng hạt tới là 10 eV, đường màu đỏứng với năng lượng hạt tới là 20 eV.
4.3 BỀ MẶT MÀNG
a) 500 hạt b)2000 hạt
c) 4000 hạt d) 5000 hạt
e) 6000 hạt f)7000 hạt
g)8000 hạt h) 9000 hạt
Hình 4.8 biểu diễn bề mặt màng mô phỏng khi số hạt titan trên đế tăng dần, nó cho thấy bề mặt màng có sự biến đổi, sự gồ ghề xuất hiện và tăng dần khi số hạt titan trên đế tăng lên. Tuy nhiên sự gồ ghề trên bề mặt của của các ảnh mô phỏng không
đáng kể khi so sánh với ảnh AFM [8] (hình 4.9) của các bề mặt trong thực nghiệm.
Hình 4.9: Ảnh AFM của màng TiO2được chế tạo với các thời gian khác nhau [8].
4.4 SỰỔN ĐỊNH CỦA MÔ HÌNH
Theo 2.3 tiêu chí để đánh giá một mô hình có ổn định hay không người ta sử
dụng H-function. Hình 4.10 cho thấy H-function ứng với số hạt trên đế khác nhau. Chúng tôi nhận thấy, H-function tính theo phân bố của vận tốc trong mô phỏng luôn
trên dưới 1000 bước thời gian. Điều này cho phép kết luận mô hình chạy ổn định, các kết quả khảo sát có thể tin được.
a) 500 hạt
c) 9000 hạt
Hình 4.10: H-function ứng với số hạt titan trên đế khác nhau a) H-function khi có 500 hạt titan trên đế. a) H-function khi có 500 hạt titan trên đế.
b) H-function khi có 5000 hạt titan trên đế. c) H-function khi có 9000 hạt titan trên đế.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Từ cơ sở của lý thuyết tạo màng, kết hợp sử dụng hai phương pháp mô phỏng MD, MC và thực hiện việc xây dựng mô hình cũng như tính toán nhờ phần mềm Matlab version 7.4.0.287 (R2007a), chúng tôi nhận được một số kết quả như sau:
1. Việc khảo sát sự biến đổi khối lượng riêng của màng TiO2 theo bề dày màng cho thấy:
1.1 Khi bề dày màng tăng thì khối lượng riêng của màng cũng tăng. Kết quả cho thấy có sự phù hợp tốt với [29].
1.2 Sự thay đổi khối lượng riêng theo bề dày màng cho thấy có sự chuyển pha dần từ vô định hình sang tinh thể. Khi bề dày màng đạt đến khoảng 147nm, màng đạt được pha tinh thể anatase. Kết quả này phù hợp với kết quả thực nghiệm [7].
1.3 Khi tăng năng lượng hạt đến đế cho thấy sự chuyển pha xảy ra nhanh hơn nghĩa là màng sớm đạt được pha tinh thể anatase.
2. Việc khảo sát sự biến đổi độ gồ ghề của màng TiO2 theo bề dày màng cho thấy:
2.1 Khi bề dày màng tăng lên thì độ gồ ghề của màng cũng tăng. Kết quả cho thấy quy luật biến đổi phù hợp tốt với [7].
2.2 Khi tăng năng lượng hạt tới độ gồ ghề của màng cũng tăng. Điều này khẳng định việc sớm hình thành pha tinh thể.
3. Từ một số kết quả nhận được bước đầu về khảo sát sự biến đổi khối lượng riêng cũng như độ gồ ghề của màng TiO2 theo bề dày màng nhờ thuật toán MD kết hợp với MC như đã nêu trên, cho thấy triển vọng ứng dụng phương pháp mô phỏng này đểđưa ra các thông số tối ưu cho thực nghiệm chế tạo màng mỏng trong tương lai.
Một số hạn chế và hướng phát triển:
1. Thời gian tính toán còn quá lâu (hai tháng liên tục). Nguyên nhân một phần do cấu hình máy tính chưa đủ mạnh, vì lý do đó không thể khảo sát với bề dày lớn hơn nữa. Điều này có thể được khắc phục trong tương lai khi thực hiện việc tính toán trên các hệ thống có cấu hình mạnh.
2. Độ gồ ghề thu được chưa phản ánh đúng với thực tế. Nguyên nhân là do việc thực hiện mô phỏng trên đế với kích thước quá bé, vì với kích thước đế mô phỏng lớn hơn là không khả thi về mặt thời gian tính toán nhờ các máy tính có cấu hình như hiện