Ưu điểm:
- Phún xạ được nhiều loại vật liệu.
- Dễ dàng chế tạo màng đa lớp nhờ tạo ra nhiều bia riêng biệt, dễ triển khai rộng quy mô công nghiệp.
- Độ bám dính màng lên đế rất cao. Nhược điểm:
- Phần lớn năng lượng phún xạ tập trung lên bia, làm nóng bia, cho nên phải có bộ làm lạnh bia.
- Tốc độ phún xạ nhỏ hơn nhiều so với tốc độ bốc bay chân không. - Hiệu suất về năng lượng thấp.
- Các tạp chất nhiễm từ thành chuông, trong chuông hay từ anot có thể bị lẫn vào trong màng.
Các phương pháp vật lý kể trên đều có những ưu nhược điểm riêng, song nghiên cứu này chúng tôi chọn phương pháp hóa để chế tạo cả hai màng mỏng BLT và ZnO. Nguyên lý chế tạo được trình bày chi tiết trong chương 2 của luận văn này.
1.6. Mục tiêu nghiên cứu của Luận văn thạc sĩ
Theo tra cứu, chế tạo bộ nhớ sắt điện FeRAM bằng phương pháp sol-gel là hướng nghiên cứu mới và tiềm năng tại Việt Nam. Mỗi phương pháp chế tạo đều có những ưu nhược điểm riêng, như các phương pháp vật lý luôn cho độ chính xác cao, chất lượng tốt
nhưng đòi hỏi phải có phương tiện hiện đại, chi phí đắt đỏ, thao tác phức tạp đồi hỏi phải có trình độ chuyên môn cao. Ngược lại phương pháp sol-gel lại đơn giản, thời gian chế tạo nhanh, vì vậy để phù hợp với điều kiện nghiên cứu và hoàn cảnh chúng tôi chọn phương pháp sol-gel để chế tạo thử nghiệm hoàn chỉnh bộ nhớ trên.
Trong luận văn này, những hóa chất thông dụng và có giá thành thấp như kẽm nitrat Zn(NO3)2 và các dung môi khác như axit citric, cồn được lựa chọn và sử dụng. Từ phương pháp hóa học, chúng tôi tiến hành chế tạo dung dịch tiền chất, từ đó để chế tạo màng mỏng ZnO bằng phương pháp sol-gel định hướng thử nghiệm bộ nhớ sắt điện, qua đó có thể chủ động hoàn toàn việc chế tạo dung dịch tiền chất và chế tạo thành công màng mỏng ZnO bằng phương pháp sol-gel.
Dựa trên những mục tiêu này, tên đề tài nghiên cứu được lựa chọn là:
“Khảo sát và chế tạo màng mỏng nano ZnO bằng phương pháp sol-gel định hướng ứng dụng trong bộ nhớ sắt điện”
Chương 2
PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT 2.1. Chế tạo tiền chất ZnO
2.1.1. Dụng cụ và hóa chất Dụng cụ, máy móc: Dụng cụ, máy móc:
Cốc thủy tinh, cốc đong, pipet. Cân tiểu ly.
Tủ sấy.
Máy khuấy từ. Hóa chất:
Muối Kẽm nitrat: Zn(NO3).6H2O.
Axít Ctric C6H8O7.H2O, axít flohidric HF. Axetone, cồn, butanol, saccharin.
2.1.2. Quy trình chế tạo tiền chất
Dung dịch tiền chất ZnO được pha chế ở nhiệt độ phòng tại Trung tâm Khoa học Vật liệu thuộc trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Dung dịch tiền chất ZnO được pha chế từ các chất rất phổ biến, rẻ tiền và không độc hại như là muối kẽm nitrat, axít citric hay còn gọi là axít chanh. Phương pháp chế tạo hoàn toàn dựa trên phản ứng hóa học của các chất. Đây là phương pháp đơn giản, thời gian chế tạo nhanh, giá thành thấp và không yêu cầu nhiều thiết bị hiện đại. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng muối kẽm nitrat làm tiền chất chính để pha chế dung dịch chế tạo màng mỏng ZnO. Muối kẽm nitrat là chất tan tốt trong nước. Ở điều kiện thường chúng tồn tại ở dạng tinh thể ngậm sáu nước có công thức hóa học là Zn(NO3)2.6H2O. Khi nung nóng muối kẽm nitrat phân hủy thành ZnO theo phương trình sau:
2Zn(NO3)2 → 2ZnO + 4NO2 + O2 (2.1) Ngoài ra axít citric C6H8O7.H2O (CA) và một số chất khác đóng vai trò làm dung môi. Muối kẽm nitrat và axít citric được cân bằng cân tiểu li theo khối lượng được tính toán theo nồng độ mol và tỉ lệ giữa muối và axít. Sau đó hòa tan hoàn toàn muối và axít trong dung môi nước cất. Tiếp theo dung dịch được sấy trong tủ sấy ở 80oC trong sáu giờ. Sau đó, nước cất được bù cho dung dịch thu được bằng thể tích ban đầu rồi khuấy đều bằng máy khuấy từ. Các bước chế tạo như sau:
Bước 1: Cân khối lượng muối kẽm nitrat và axit citric theo tính toán tỉ lệ. Bước 2: Khuấy tan bằng máy khuấy từ trong năm phút tại nhiệt độ phòng. Bước 3: Sấy tại nhiệt độ 80o
Bước 4: Bù thêm nước cất cho dung dịch bằng thể tích ban đầu. Bước 5: Khuấy từ tại nhiệt độ phòng trong 5 phút.
Cụ thể nồng độ dung dịch muối kẽm nitrat trong dung dịch được tính theo công thức:
CM = 𝑛
𝑉 (mol/l) (2.1) Trong đó:
V là thể tích của dung môi
n là số mol của muối Zn(NO3)2.6H2O được tính theo công thức: 𝑛 = 𝑚
𝑀 (mol) (2.2) Trong đó:
m là khối lượng của muối Zn(NO3)2.6H2O (đơn vị gam).
M là khối lượng mol chất, ở đây 𝑀Zn(NO3)2.6H2O = 297.49 (g/mol)
Tương tự khối lượng axít citric cũng được tính toán theo tỉ lệ mol so với muối kẽm. Với
𝑀C6H8O7.H2O =210.14 g/mol.
Do giới hạn về thời gian, trong nghiên cứu này chúng tôi cố định nồng độ mol muối Kẽm CM là 0.8 và khảo sát thay đổi tỉ lệ mol giữa muối và axít CA
Sau đây là bảng thống kê các thông số chế tạo các dung dịch tiền chất.
Bảng 2.1: Thông số chế tạo các dung dịch tiền chất
Tên mẫu dd Thể tích dung dịch (ml) Tỉ lệ mol Zn(NO3)2.6H2O C6H8O7.H2O M1:0.5 20 1 0.5 M1:1 20 1 1 M1:1.5 20 1 1.5 M1:2 20 1 2 M1:2.5 20 1 2.5 M1:3 20 1 3 M1:4 20 1 4 M1:5 20 1 5 M1:6 20 1 6
Bảng 2.2: (Sơ đồ) Quy trình chế tạo tiền chất.
2.2. Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp sol-gel 2.2.1. Nguyên lý chế tạo của phương pháp sol-gel 2.2.1. Nguyên lý chế tạo của phương pháp sol-gel
Phương pháp sol-gel đã được quan tâm từ năm 1800 để tạo gốm sứ và được nghiên cứu rộng rãi vào đầu năm 1970, ngày nay Sol-gel đựơc ứng dụng rộng rải trong khoa học đời sống. Phương pháp sol – gel là một kỹ thuật tổng hợp hóa keo để tạo ra các vật liệu có hình dạng mong muốn ở nhiệt độ thấp. Nó được hình thành trên cơ sở phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ từ các chất gốc (alkoxide precursors). Công nghệ sol-gel là công nghệ cho phép ta trộn lẫn các chất ở quy mô nguyên tử và hạt keo để tổng hợp các vật liệu có độ sạch và tính đồng nhất cao. Quá trình xảy ra trong dung dịch lỏng và các tiền chất như các oxit hoặc các muối kim loại thông qua các phản ứng thủy phân và ngưng tụ, sẽ dẫn đến việc hình thành một pha mới - đó là Sol. Gel là hệ phân tán dị thể, các hạt pha rắn tạo thành khung 3 chiều, pha lỏng nằm ở khoảng trống của khung 3 chiều nói trên. Bằng phương pháp sol-gel, không những tổng hợp được các oxit siêu mịn (nhỏ hơn 10 µm), có tính đồng nhất cao, bề mặt riêng lớn, độ tinh khiết hóa học cao mà còn có thể tổng hợp được các tinh thể cỡ nanomet, các sản phẩm dạng màng mỏng, sợi.