tinh [2,6,14]. Sau đó dùng phƣơng pháp hóa siêu âm và thủy nhiệt để tạo màng nano ZnO trên lớp màng dẫn trong suốt ZnO: In này. Đây là hai phƣơng pháp cho phép chế tạo vật liệu khơng địi hỏi thiết bị q phức tạp và rất phù hợp với điều kiện thực nghiệm ở nƣớc ta.
2.1 Chế tạo màng dẫn trong suốt ZnO pha tạp Indium bằng phƣơng pháp phún xạ Magnetron phún xạ Magnetron
2.1.1 Phƣơng pháp phún xạ Magnetron
Cơ sở vật lý của các phƣơng pháp phún xạ dựa trên hiện tƣợng va chạm của các hạt có năng lƣợng cao (các ion khí trơ nhƣ Ar, Xe, He,...) với các nguyên tử vật liệu trên bia gốm, và làm bật các nguyên tử (hoặc từng đám vài nguyên tử) của bia và chuyển động về phía đế mẫu. Khi đến đế mẫu chúng lắng đọng lại trên bề mặt đế và tạo thành màng. Về bản chất vật lý, phún xạ là một q trình hồn tồn khác với sự bốc bay - q trình chuyển hóa xung lƣợng giữa các ion khí hiếm và các nguyên tử bên trong vật liệu làm bia. Khi các ion bắn phá bề mặt của bia, tƣơng tác giữa các ion khí với các nguyên tử của bia coi nhƣ q trình va chạm. Sự va chạm có thể xảy ra đến độ sâu 5 ÷ 10nm, nhƣng sự trao đổi xung lƣợng chỉ xảy ra trong khoảng cách 1nm từ bề mặt bia. Thông thƣờng, các nguyên tử bị phún xạ rời khỏi bia với động năng tƣơng đối lớn, khoảng 3 ÷ 10eV. Một phần năng lƣợng này sẽ bị tiêu hao do quá trình tán xạ với các nguyên tử khí trên đƣờng đi đến đế mẫu. Khi đến đế mẫu, năng lƣợng chỉ cịn khoảng 1 ÷ 2eV, cao hơn năng lƣợng của quá trình bốc bay khoảng hai bậc. Năng lƣợng này làm tăng nhiệt độ đế mẫu và giúp cho các nguyên tử lắng đọng sẽ bám vào đế mẫu chắc hơn (hình 2.1).
Hình 2.1. Nguyên lý của quá trình phún xạ
Các hệ phún xạ DC và RF có một hạn chế cơ bản là hiệu suất sử dụng điện tử không cao do điện tử chỉ đi theo đƣờng thẳng từ cathode đến anode và do đó chỉ có khả năng ion hóa các phân tử khí trên qng đƣờng đó. Trong các cấu hình phún xạ này, chỉ vài phần trăm ngun tử khí trơ đƣợc ion hóa. Tăng khả năng ion hóa chất khí của các điện tử thứ cấp, ngƣời ta phải vận hành hệ thống ở áp suất tƣơng đối cao. Để nâng cao hiệu suất sử dụng điện tử trong khi vẫn duy trì đƣợc áp suất ở mức thấp, ngƣời ta dùng từ trƣờng để lái quỹ đạo của các điện tử theo những quỹ đạo cong. Thiết bị thực hiện giải pháp kỹ thuật này là phún xạ magnetron (Magnetron Sputerring). Cấu hình của hệ phún xạ manhêtrôn đƣợc cải tiến bằng cách đặt một nam châm ở dƣới bia vật liệu (hình 2.2). Từ trƣờng của nam châm có tác dụng bẫy các điện tử và ion ở gần bề mặt bia làm tăng số lần va chạm giữa các điện tử và các nguyên tử khí và làm tăng hiệu suất ion hóa của chúng.
Hệ phún xạ Magnetron có các ƣu điểm nhƣ tốc độ lắng đọng cao, sự bắn phá của các điện tử và ion trên màng giảm, hạn chế sự tăng nhiệt độ đế và sự phóng điện phát sáng có thể đƣợc duy trì ở áp suất phún xạ thấp hơn. Ngoài ra, do hiệu suất ion hóa của các điện tử thứ cấp tăng nên mật độ plasma tăng và trở kháng của khối plasma giảm. Kết quả là, với cùng một cơng suất phát, hoặc là sẽ tăng đƣợc dịng phóng điện, hoặc là sẽ giảm đƣợc điện áp nuôi hệ thống so với hệ phún xạ khơng đƣợc tăng cƣờng bằng từ trƣờng.
Có thể sử dụng phún xạ magnetron cho cả một chiều và xoay chiều. Kỹ thuật phún xạ magnetron cho phép chế tạo các loại màng kim loại, điện môi, bán dẫn trên nhiều loại đế khác nhau, các màng có thể chế tạo với các tính chất, chức năng định trƣớc với một quy trình định trƣớc với tốc độ tạo màng và chất lƣợng màng rất cao.
2.1.2. Quy trình chế tạo mẫu:
. Màng mỏng ZnO pha tạp In [12] đƣợc chế tạo trên đế thủy tinh bằng cách phún xạ trên một bia ZnO:In có đƣờng kính 7,5 cm trong một hệ phún xạ R.F. magnetron. Bia ZnO:In đƣợc chế tạo bằng cách nung hỗn hợp bột ZnO (99,9%) và bột In2O3(99,9%) ở nhiệt độ cao. Hàm lƣợng In2O3 đƣợc đƣa vào bia là 2% theo khối lƣợng. Bia gốm ZnO pha tạp đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp gốm truyền thống từ vật liệu chính là bột ZnO, độ sạch 99,9% . Bia có dạng đĩa trịn phẳng, khơng rạn nứt, đƣờng kính = 75mm và có độ dày từ 3 5 mm. Khoảng cách giữa bia và đế là 4 cm. Khí đƣợc dùng để phún xạ là khí Ar với độ sạch 99,9%. Nguồng cung cấp cho đế hoạt động ở tần số 13,56MHz. Một lò nung bằng dây điện trở đƣợc đặt dƣới đế để thay đổi nhiệt độ của đế khi chế tạo mẫu.
Bia đƣợc chúng tôi chế tạo nhƣ sau: Trộn đều bột ZnO với lƣợng tạp chất đƣa vào và dung dịch kết dính PVA (Polyvinyl Alcohol), tạo thành một hỗn hợp có độ đồng nhất cao, sau đó bột đƣợc đƣa vào khn ép hình trụ và ép với áp suất 1,2 tấn/cm2. Việc trộn hỗn hợp vật liệu ban đầu có tác dụng vừa làm cho hỗn hợp có độ đồng nhất cao vừa giúp cho bia không bị nứt khi ép. Trong quá trình trộn và ép phải
chú ý không làm vật liệu bị nhiễm bẩn bởi các tạp không mong muốn. Bia sau khi ép đƣợc sấy sơ bộ ở 150oC trong thời gian 2 giờ để nƣớc bay hơi và bia có độ cứng nhất định. Sau đó, bia đƣợc đƣa vào lị nung thiêu kết ở nhiệt độ 1100 1300o
C trong 4 giờ.
Đế thủy tinh đƣợc làm sạch bằng quá trình rung siêu âm trong acetone và sau đó đƣợc thổi sạch bằng khí N2 trƣớc khi phún xạ. Buồng phún xạ đƣợc hút chân không đến áp suất cơ bản là 10-5Torr bởi một bơm sơ cấp dùng dầu và một bơm turbo phân tử, sau đó hỗn hợp khí gồm Ar và N2 đƣợc bơm vào buồng thơng qua một bộ điều chỉnh lƣu lƣợng dịng khí. Trong suốt q trình tạo màng, áp suất khí trong buồng đƣợc giữ ở 5Pa với các áp suất riêng phần của khí N2 thay đổi từ 0 đến 100%.