CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.7. TiO2 pha tạp Niobium (Nb)
TiO2 anatase pha tạp Nb (TNO) là một loại TCO đang rất được quan tâm và có khả năng cạnh tranh với các màng ZnO pha tạp nhôm (AZO), ZnO pha tạp Gallium, In2O3 pha tạp Sn (ITO) trong các ứng dụng như làm lớp phủ kính, các linh kiện quang điện tử [63, 15, 20].
Năm 2005, Furubayashi và cộng sự đã chế tạo thành công màng TNO bằng phương pháp lắng đọng xung laser (PLD) với độ dày màng 40 nm. Kết quả chỉ ra nồng độ hạt tải của màng mỏng TNO (TiO2 pha tạp Nb 6%) trong khoảng 1019 đến 2.1021 cm-3, điện trở suất 2 - 3.10-4𝛺 cm và hệ số truyền qua đạt 97% ở bước sóng
550 nm [63]. Những tính chất điện và quang này của màng TNO tương đương với màng ITO.
TNO có tính chất dẫn điện là do khi pha tạp Nb vào mạng tinh thể TiO2, nguyên tố Nb là kim loại chuyển tiếp, thuộc nhóm V-B với bán kính của ion Nb5+ (0.064 nm) gần bằng bán kính của ion Ti4+ (0.0605 nm) nên một nguyên tử Ti dễ bị thay thế bởi nguyên tử Nb [67] .Kết quả một số nguyên tử Nb nằm xen kẽ giữa vị trí các nút mạng trong tinh thể. Cụ thể hơn ta có thể phân tích cơ chế pha tạp theo cấu hình electron dưới đây: Ti: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2
Nb: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d104p6 5s2 4d3
Hình 1.7: Cơ chế pha tạp Nb vào mạng tinh thể TiO2 pha Anatase [19]
Dựa vào cấu hình electron ta thấy rằng Nb có 5 electron hóa trị, trong khi đó Ti chỉ có 4 electron hóa trị, vì vậy khi ngun tử Nb thay thế vị trí của Ti, Nb sẽ liên kết với 2 nguyên tử O và dư ra 1 electron không tham gia vào liên kết nào, electron này trở thành electron dẫn trong mạng tinh thể. Vì vậy TNO có nồng độ hạt tải cao cỡ 1021 cm-3 [63]. Theo lý thuyết về cơ chế phản xạ tia hồng ngoại của màng có nồng độ điện tử cao, như vậy TNO có tiềm năng phản xạ lại ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng plasma [15]. Do đó, vật liệu TNO có tiềm năng trong những ứng dụng sản xuất kính, các màng chắn nóng.