Kết quả đo tính chất điện của hệ mẫu Zn1-yAlyO- 123docz.net

3.1.1 :Kết quả đo tính chất cấu trúc của hệ mẫu Zn1-xMnxO

3.2. Kết quả đo của hệ mẫu Zn1-yAlyO

3.2.3. Kết quả đo tính chất điện của hệ mẫu Zn1-yAlyO

3.2.3.1. Kết quả đo giá trị của điện dung (C):

Hình 3.25 biểu thị sự phụ thuộc của điện dung của hệ mẫu Zn1-yAlyO vào tần số.

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 C ( n F ) F (Khz) 0% 3 % 6% 9% 12% 15%

Hình 3.25 : Giá trị điện dung của hệ mẫu Zn1-yAlyO

Trong dải tần số khảo sát (dƣới 13MHz), ZnO nguyên chất là chất bán dẫn thơng thƣờng có giá trị điện dung C xấp xỉ bằng 0. Khi pha thêm tạp chất điện dung của mẫu thay đổi đáng kể.

Khi tần số tăng dần đến khoảng 50 kHz điện dung của mẫu nhanh chóng giảm về giá trị tƣơng đối ổn định. Ở mẫu pha tạp y ≤ 0,06 điện dung của mẫu tăng nhẹ khi

Ở dải tần số f ≥ 50 kHz , khi pha Al với nồng độ y = 0,03 giá trị điện dung đạt giá trị tƣơng đối ổn định khoảng 0,18 nF. Giá trị của điện dung nhanh chóng tăng lên khoảng 0,3 nF khi nồng độ pha tạp là y = 0,06, tiếp tục tăng thêm tạp chất với nồng độ là 9%, 12%, 15% điện dung của hệ mẫu có giá trị nhỏ hơn của mẫu có nồng độ pha tạp 6%. Điều đó cho thấy tạp chất đã gây ảnh hƣởng đáng kể đến giá trị điện dung của hệ mẫu, khi nồng độ Al tăng thì điê ̣n dung của mẫu đã tăng và thay đổi đáng kể.

3.2.3.2. Kết quả đo giá trị của độ dẫn điện (G)

Hình 3.26 biểu thị sự phụ thuộc của độ dẫn điện G của hệ mẫu Zn1-yAlyO vào

tần số. Bản thân ZnO khi chƣa pha tạp coi nhƣ chất điện môi, với nồng độ hạt tải điện tự do rất nhỏ, nên khi tăng tần số từ 0 đến 13MHz độ dẫn của nó hầu nhƣ khơng thay đởi và xấp xỉ bằng không. Khi pha thêm Al với nồng độ nhỏ, độ dẫn của mẫu thay đổi đáng kể, có xu hƣớng tăng khi tần số tăng dần.

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 -2 0 2 4 6 8 10 G (mS) F (khz) 0% 3% 6% 9% 12% 15%

Hình 3.26: Giá trị độ dẫn phụ thuộc tần số của hệ mẫu Zn1-yAlyO.

Khi nồng độ pha tạp Al tăng dần từ 0% đến 6% độ dẫn của mẫu tăng rất nhanh và chúng ta thấy có sự khác biệt rõ rệt . Cụ thể, trong cùng khoảng tần số 6 MHz đến 8 MHz khi pha y = 6% độ dẫn của mẫu tăng trên 6 lần chứng tỏ khi pha thêm Al trong khoảng nồng độ y ≤ 0,06 số lƣợng hạt tải đã tăng mạnh hầu hết các nguyên tử Al đã thay thế trong mẫu tạo ra nhiều điện tử tự do. Nhƣng khi nồng độ pha tạp tiếp tục tăng (y = 9%; 12%; 15%) độ dẫn của các mẫu bị giảm đi nhiều so với khi nồng độ pha tạp là 6%. Điều đó chứng tỏ khi hàm lƣợng Al là quá lớn vƣợt quá giá trị tới hạn (trong luận văn chúng tơi có thể nồng độ giới hạn là 6%) sẽ tồn tại các nguyên tử Al dƣ thừa không đƣợc thay thế trong mẫu, xuất hiện ở ngồi nút mạng (tạo thành pha thứ hai) có thể gây ra sai hỏng trong mạng tinh thể dẫn đến độ dẫn của chúng giảm đáng kể.

3.2.3.3. Kết quả các giá trị phần thực của hằng số điện môi

Tƣ̀ phép đo điê ̣n dung C và độ dẫn điện G của các mẫu , chúng ta tính đƣợc s ự

phụ thuộc của phần thực ’ và phần ảo ’’ của hằng số điện môi phụ thuộc tần số với

mỗi nồng độ Al pha ta ̣p khác nhau . Hình 3.27 là sự phụ thuộc của phần thực của hằng số điê ̣n môi vào tần số của hê ̣ mẫu Zn1-yAlyO:

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 -400 0 400 800 1200 1600 2000 2400 Ph ần th ực đ iệ n m ôi F (Khz) 0% 3% 6% 9% 12% 15%

Hình 3.27: Giá trị phần thực của hằng số điện môi của hệ Zn1-yAlyO.

Giá trị phần thực (’) của hằng số điện môi khi pha tạp thay đổi đáng kể. Khi tần số tăng phần thực của hằng số điện môi đạt giá trị tƣơng đối ổn định.

Trƣớc khi pha tạp, giá trị phần thực của hằng số điện môi xấp xỉ bằng 0. Khi nồng đô ̣ pha tăng lên (0 ≤ y ≤ 0,06), giá trị của ’ tăng dần. Khi nồng đô ̣ Al tiếp tu ̣c

tăng (lớn hơn 6%) thì ’ có xu hƣớng giảm dần, và đạt giá trị thấp nhất khi y = 0,15. Sự

thay đổi này có thể giải thích do điện dung của các mẫu tỉ lệ với giá trị phần thực hằng số điện môi của mẫu

3.2.3.4. Kết quả các giá trị phần ảo của hằng số điện môi

Giá trị phần ảo của hằng số điê ̣n môi của hê ̣ Zn1-yAlyO thể hiê ̣n nhƣ hình 3.28.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 50 100 150 200 250 300 P h ầ n ả o đ iệ n m ô i F (Khz) 0% 3% 6% 9% 12% 15% 0 50 100 150 200 0 50 100 150 200 250 300 P h ầ n ả o đ iệ n m « i F (Khz) 0% 3% 6% 9% 12% 15%

Hình 3.28 : Giá trị phần ảo của hằng số điện môi của hệ mẫu Zn1-yAlyO.

Khi pha tạp thêm Al, giá trị ”

tăng lên đáng kể. Điều này cho thấy sự ảnh hƣởng rất lớn của tạp chất vào ”

. Khi nồng độ tạp chất tăng từ 0% đến 6% giá trị phần ảo của hằng số điện môi tăng nhanh. Nhƣng khi tiếp tục tăng nồng độ tạp chất giá trị của ” bị giảm xuống rõ nét theo quy luật giống của độ dẫn G, điện dung C.

Sự thay đổi của ”

phụ thuộc vào giá trị của tần số, tuy nhiên khi tần số của mẫu tăng, giá trị phần ảo của hằng số điện mơi vẫn tăng. Điều này có thể do sự biến thiên của độ dẫn G (theo nồng độ hạt tải và độ linh động của hạt tải tự do) nhanh hơn sự biến thiên của tần số. Ở các mẫu có nồng độ pha tạp y = 3%, 12%, 15% giá trị của ” giảm nhanh và nhanh chóng đạt giá trị tƣơng đối ổn định ở khoảng tần số f < 20KHz. Ở các nồng độ pha tạp y= 6%; 9% xuất hiện các cực tiểu tại đó giá trị phần ảo của hằng số điện môi đạt giá trị thấp nhất.

3.2.3.5. Kết quả đo giá trị tg()

Hình 3.29 là sự phụ thuộc của hằng số tổn hao vào tần số.

-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 tg t h et a F (KhZ) 0% 3% 6% 9% 12% 15%

Hình 3.29: Giá trị của tg() phụ thuộc tần số của hệ mẫu Zn1-yAlyO.

Tƣ̀ vào hình 3.29 ta thấy: nhìn chung giá trị tg() của hệ mẫu Zn1-yAlyO có giá trị tƣơng đối nhỏ trong dải tần số nhỏ hơn 8 MHz. Đối với mẫu ZnO khi chƣa pha tạp giá trị tg() giảm dần. Nhƣng khi pha thêm tạp chất ta thấy: tg() nhanh chóng đạt giá trị cực tiểu và có xu hƣớng tăng dần khi tần số tăng. Điều này có thể giải thích do: Khi pha thêm tạp chất một phần nguyên tử Al không vào phân mạng của ZnO nên đã gây ra sai hỏng trong mạng tinh thể và hình thành các tâm tán xạ gây ra sự tổn hao điện của vật liệu.

KẾT LUẬN

Trong luận văn này, chúng tôi đã thu đƣợc một số kết quả chính nhƣ sau:

 Đã chế tạo thành công 2 hệ mẫu Zn1- xMnxO và Zn1- yAlyO bằng phƣơng pháp gốm. Kết quả nghiên cƣ́u tính chất cấu trúc tƣ̀ phổ nhiễu xa ̣ tia X cho thấy: khi nồng đô ̣ pha tạp Mn và Al với hàm lƣợng thấp (x  0,06) các mẫu đơn pha và có cấu trúc lục giác wurtzite. Ảnh SEM của các mẫu cho thấy kích thƣớc hạt khá đồng đều và có kính thƣớc tinh thể trung bình cỡ 30 nm.

 Phổ Raman ở nhiệt độ phòng đƣợc cho thấy tất cả các đỉnh của ZnO đều xuất hiện trong dải sóng khảo sát. Khi nồng độ tạp chất thay đổi, phổ Raman có sự dịch chuyển các đỉnh phổ ứng với các số sóng khác nhau. Đồng thời xảy ra sự dập tắt một số đỉnh phổ và có sự xuất hiện thêm các đỉnh mới đặc trƣng cho Mn, Al.

 Đối vớ i mẫu pha tạp Mn: Tƣ̀ đô ̣ phụ thuộc từ trƣờng cƣ̣c đa ̣i của các mẫu tăng dần và đạt giá trị 0,027; 0,051, 0,048; 0,051 emu/g tƣơng ƣ́ ng với các nồng đô ̣ Mn pha ta ̣p x = 0,02; 0,04; 0,06 và 0,08. Khi nồng độ Mn rất lớn (x = 0,10), từ độ tăng tuyến tính và đạt giá trị 0,0917 emu/g, vật liệu khi đó có tính siêu thuận từ.

 Đối với mẫu pha Al: Khi pha tạp hàm lƣợng nhỏ (y = 0; 0,03; 0,06) giá trị của điện dung, độ dẫn tăng dần khi nồng độ pha tạp tăng và đạt cực đại ở thành phần 6% điều đó cho thấy đã tìm đƣợc nồng đô ̣ pha ta ̣p tối ƣu cho hê ̣ Zn 1- yAlyO.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1]. Lê Khắc Bình, “Cơ sở vật lý chất rắn”, (2006).

[2]. Lê Thị Thanh Bình, “Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất của các màng mỏng AIIBIV’, Luận án phó tiến sĩ Tốn-Lý, Hà Nội, (1996).

[3]. Tạ Đình Cảnh, Nguyễn Thị Thục Hiền,”Giáo Trình Vật Lý Bán Dẫn”, (1999). [4]. Cao Thị Mỹ Dung, Trần Cao Vinh, Nguyễn Hữu Chí, “Tạp chí phát triển

KH&CN,” tập 10, số 3 – (2007).

[5]. Trần Đông Hải,” Chế tạo và nghiên cứu vật liệu nano ZnO và ZnO:Co bằng phƣơng pháp hóa sử dụng sóng viba làm xúc tác”, Luận văn thạc sỹ vật lý ,ĐHSP Hà Nội (2008).

[6]. Phùng Hồ, Phan Quốc Phổ, ”Giáo trình vật lý bán dẫn”, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật (2000).

[7]. Nguyễn Ngọc Long, “Vật lý chất rắn”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội (2007).

[8]. Lê Thị Lụa, Báo cáo FT-Raman và Micro-Raman, TP.HCM, (2010).

[9]. Nguyễn Duy Phƣơng, “ Nghiên cứu chế tạo và khảo sát một số tính chất của màng mỏng trên cơ sở ZnO và khả năng ứng dụng của chúng”, Luận văn tiến sỹ Vật lý, khoa Vật lý trƣờng ĐHKHTN – ĐHQGHN, 2005.

[11] Nguyễn Cao Tài,” Chế tạo và khảo sát một số tính chất của vật liệu bán dẫn ZnO pha tạp Mn”, Luận văn thạc sỹ vật lý, ĐHSP Hà Nội (2006).8).

[12]. Tơ Thành Tâm, khóa luận tốt nghiệp ĐHKHTN Hà Nội ,” Chế tạo và nghiên cứu

tính chất điện của vật liệu ZnO pha tạp P”.(2011).

[13]. Lƣu Hồng Anh Thƣ, Khóa luận tốt nghiệp ĐHKHTN Hà Nội,” Chế tạo và nghiên cứu vật liệu ZnO pha tạp Mn”.(2012).

[14]. Ngô Hồ Quang Vũ, Giới thiệu về phương pháp SEM, TP.HCM, (2010).

Tiếng Anh

[15]. Ahuja R., Lars Fast, Eriksson O., Wills J. M. and Johansson B., “Elastic and high

pressure properties of ZnO”, Journal of Applied Physics, 83 (12), (1998), 8065-

8067.

[16]. Cari F. Herrmann, Frank W. DelRio, David C. Miller, Steven M. George,Victor M. Bright, Jack L. Ebel, Richard E. Strawser, Rebecca Cortez, Kevin D. Leedy, ”Alternative dielectric ﬁlms for rf MEMS capacitive switches depositedusing atomic layer deposited Al2O3 /ZnO alloys”. Sensors and Actuators A 135 (2007)). [17]. Chang Y.Q, Way D.B., Luo X.H, Chen X.H, “Magnetic properties of Mn_doped

ZnO nanowires”, Appl. Phys. Lett 83, (2003), 4020.

[18]. David R. Lide, ed., CRC Handbook of Chemistry and Physics 75th edition. CRC Press, (1994), 10–227.

[20]. D. Rubi, A. Calleja, J. Arbiol, X.G. Capdevila, M. Segarra, Ll. Aragonès and J. Fontcuberta, ”Structural and magnetic properties of ZnO:TM (TM:Co,Mn) nanopowders”, J. Magn. Magn. Mater. 317 (2007), e211-e214.

[21]. Feng Zhu, Ye Zhang, Youguo Yan, Wenhai Song and Lingli Xia, Bull.Mater.Sci.,

Vol.31, No.2, April 2008, pp.121–124.

[22]. HE Qing-Bo, XU Jia-Yue, LI Xin-Hua, A.Kamzin, L.Kamzina, Chin. Phys. Lett.,

Vol.24, No.12 ,(2007), 3499.

[23]. Jacques I. Pankove, Optical Processe in Semiconductors, New Jersey, USA,

(1971).

[24]. J. G. Lu, Y. Z. Zhang, Z. Z. Ye, L. P. Zhu, B. H. Zhao, and Q. L. Liang, Appl.

Phys. Lett. 88, (2006), 222114.

[25]. J. L. Birman, Phys. Rev. Lett. 2, (1959), 157

[26]. Khalid Omar, ”Investigation on Dielectric Constant of Zinc Oxide”, Modern Applied Science, Vol. 3, No. 2,(2009), 110 - 116.

[27] Khalid Omar, Investigation on Dielectric Constant of Zinc Oxide, Modern

Applied Science, Vol3, No. 2, (2009), 110 - 116.

[28]. Khan A. Alim, Vladimir A. Fonoberov, Manu Shamsa, and Alexander A. Balandina, Micro-Raman investigation of optical phonons in ZnO nanocrystals,

Nano-Device Laboratory, Department of Electrical Engineering, University of California-Riverside.

[29]. K.J. Chen, T.H. Fang, F.Y. Hung, L.W. Ji, S.J. Chang, S.J. Young, Y.J. Hsiao, ”The crystallization and physical properties of Al-doped ZnO nanoparticles”,

[30]. K.J. Chen, T.H. Fang, F.Y. Hung, L.W. Ji, S.J. Chang, S.J. Young, Y.J. Hsiao,

The crystallization and physical properties of Al-doped ZnO nanoparticles,

Applied Surface Science 254, (2008), 5791–5795. [31]. Klingshim C.F., Semiconductors Optics, Berlin, (1995).

[32]. Müjdat ÇAGLAR, Saliha ILICAN, Yasemin ÇAĞLAR, ”Influence of substrate temperature on structure on structural and electrical properties of ZnO films“, Trakya Univ J Sci, 7(2), (2006), 153-159.

[33]. Mohd Rafie Johan, Lim May Ting, Structural, Thermal and Electrical Properties

of Nano Manganese-Composite Polymer Electrolytes, Int. J. Electrochem. Sci.,

vol. 6. (2011), 4737 – 4748.

[34]. M. Tzolov, U. N. Tzenov, D. Dimova-Malinovska, M. Kalitzova, C. Pizzuto, G. Vitali, G. Zollo, I. Ivanov,“Vibrational properties and structure of undoped and Al-doped ZnO ﬁlms deposited by RF magnetron sputtering”. Thin Solid Films

379, (2000), 28 - 36.

[35]. Murday, J. S., AMPTIAC Newsletter 6 (2002), 5.

[36]. Ngo Thu Huong, Nguyen Viet Tuyen, Nguyen Hoa Hong, Materials Chemistry and Physics 126, (2011), 54-57.

[37]. Pauling, L., The Nature of the Chemical Bond (3rd Edn.), Ithaca, NY: Cornell University Press, (1960).

[38]. Q.Wan, Appl. Phys. Lett. 89, (2006), 082515.

[40]. Sedky, Ayman Al- Sawalha and Amal M. Yassin, ”Enhancement of Electrical Conductivity of ZnO Ceramic Varistor by Al doping A.”, Egypt. J. Solids, Vol. 31,

No. (2), (2008), 205 - 213.

[41]. Shih-Shou Lo, Dison Huang, Chun Hsiang Tu, Chia-Hung Hou, and Chii-Chang Chen, “Raman scattering and band-gap variations of Al-doped ZnO nanoparticles synthesized by a chemical colloid process”, J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009),

095420.

[42]. Shufen Wang, Zhicheng Zhang, Huarong Liu, Wei Zhang, Zhen Qian, Bibo Wang, Colloid Polym Sci , 288, (2010), 1031–1039.

[43]. T. Dietl, H. Ohno, F. Matsukura, J. Cibert, and D. Ferrand, Science 287,

(2000),1019.

[44]. Te-Hua Fang, and Shao-Hui Kang, ”Physical Properties of ZnO:Al Nanorods for Piezoelectric Nanogenerator Application”. Current Nanoscience, Vol 6, No. 5,

(2010), 505 - 511.

[45]. Ü. Özgür, Ya.I.Alivov, C.Liu, A.Teke, M.A.Reshchikov, S.Doğan, V.Avrutin, S.- J. Cho, H. Morkoỗd , J.Appl.Phys 98, (2005), 041301.

[46]. V. Vaithianathan, B. T. Lee, C. H. Chang, K. Asokan, and S. S. Kim, Appl. Phys.

Lett. 88, (2006),112103.

[47]. W.-R. Liua, W.F. Hsieha, C.-H. Hsub, K.S. Liangb, F.S.-S. Chienc, “Inﬂuence of the threading dislocations on the electrical properties in epitaxial ZnO thin ﬁlms”, Journal of Crystal Growth 297, (2006), 294 - 299.

[48]. Yi-Wei Tseng, Fei-Yi Hung, Truan-Sheng Lui, Yen-Ting Chen, Ren-Syuan Xiao, and Kuan-Jen Chen, ”Research Article Electrical Crystallization Mechanism and

Interface Characteristics of Nanowire ZnO/Al Structures Fabricated by the Solution Method”, Journal of Nanomaterials, (2012), 6 trang.

Kết quả đo tính chất điện của hệ mẫu Zn1-yAlyO

Phép đo tính chất cấu trúc:

Phép đo tính chất từ: