4.1. CHẾ TẠO HỆ PHÚN XẠ MAGNETRON KHƠNG CÂN BẰNG ĐỂ
TẠO MÀNG VÀ HỆ ĐO QUANG XÚC TÁC
4.1.1. HỆ TẠO MÀNG TiO2:N
Màng TiO2 được tạo bởi hệ chân
không B302(hình 4.1) đặt tại phòng Vật Lý Chân Không, hệ thiết bị này gồm có các thông số :
• Kích thước của hệ 1130 x 800
x1880(mm).
• Trọng lượng 480 kg.
• Buồng chân không làm bằng
hợp kim nhôm, có đường kính
30cm, cao 50cm. Hình 4.1. Hệ chân khơng dùng để tạo màng.
• Aùp suất trong buồng có thể đạt tới 10-4torr nhờ hệ thống bơm khuếch tán dầu và bơm sơ cấp.
Hình 4.2. Bố trí hệ phún xạ trong buồng chân khơng
Cấu trúc hệ phún xạ magnetron lắp đặt bên trong buồng chân khơng được xếp đặt như trong hình 4.2. Đế được đặt cố định và khơng nung nhiệt cho đế.
Cấu tạo của hệ magnetron khơng cân bằng (hình 4.3) như sau:
¾ Vỏ ngồi làm bằng inox được nối đất cĩ chức năng làm giá đỡ và làm anode. Kích thước của vỏ 91x91x51 mm. ¾ Vỏ trong làm bằng inox được nối cực âm cĩ chức năng định vị nam châm và dùng làm cathode. Kích thước của vỏ 81x81x 41 mm.
¾ Áo nước làm lạnh bia được chế tạo bằng ống đồng, dày 3mm, đường kính 15mm. Ống đồng được uốn gấp khúc theo hình chữ nhật và được hàn tiếp xúc vào tấm đồng dày 3 mm. Từ trường được tạo bằng loại nam châm vĩnh cửu Ferit. Hệ nam châm được xếp liền nhau tạo thành một khung hình vuơng, giữa khung này đặt nam châm đối cực với chúng. Để bố trí hệ khơng cân bằng, nam châm ở giữa cĩ cường độ từ trường nhỏ
hơn nhiều so với các nam châm vịng quanh (hình 4.4). Vì vậy, các đường sức từ trên bề mặt bia sẽ khơng cân bằng giữa hai cực trong và ngồi. Khoảng cách giữa hai cực nam châm là 2.25cm (hình 4.3). Cường độ từ trường của hệ (đo tại điểm
Hình 4.5. Hệ magnetron khơng cân bằng trong quá trình phún xạ
Hình 4.4. Bố trí nam châm trong hệ phún xạ magnetron khơng cân bằng
Hình 4.3. Thiết kế và chế tạo hệ magnetron khơng cân bằng
Giá đặt đế
Plasma trên bề mặt bia
Bia
Đồng
Hình 4.6. Cải thiện hệ magnetron từ 400Gauss thành 200Gauss.
giữa hai cực trên bề mặt bia) khoảng 550Gauss. Khi muốn cải tiến để nâng cao tính khơng cân bằng của hệ, lõi nam châm ở giữa được thay bằng lõi sắt nối từ. Lúc đĩ từ trường giảm xuống cịn
400Gauss. Tuy nhiên, với từ trường 400Gauss chúng tơi thấy rằng cơng suất phún xạ chưa cao nên khả năng pha tạp nitrogen cịn thấp. Do đĩ chúng tơi tiếp tục cải thiện hệ magnetron để giảm từ trường trên mặt bia cịn 200Gauss bằng việc nâng cao bề mặt bia lên 1.5cm (hình 4.6).(lĩt miếng đồng dày 1.5cm)
4.1.2. HỆĐO TÍNH NĂNG QUANG XÚC TÁC
Để đo tính năng quang xúc tác chúng tơi sử dụng phương pháp Zeman với sơ đồ được bố trí như sau:
Hình 4.7. Mơ hình tổng quát của hệđo tính năng quang xúc tác của màng
Trong đĩ nguồn ánh sáng khả kiến dùng trong hệ đo tính năng quang xúc tác của TiO2:N là ánh sáng phát ra từđèn huỳnh quang 220V-11W (đây là loại bĩng đèn tiết kiệm điện của cơng ty Điện Quang). Từ phổ phát quang của bĩng đèn compact cho thấy, cường độ sáng tập trung trong vùng ánh sáng khả kiến (hình 4.8)
Hình 4.8. Phổ huỳnh quang của đèn compact Hình 4.9. Hệđo tính năng quang xúc tác của màng TiO2:N dưới ánh sáng khả kiến
Nguồn sáng và vị trí đặt mẫu được bố trí như hình 4.9 và hình 4.10.
Hình 4.10. Ảnh chụp hệđo tính năng quang xúc tác của màng TiO2 dưới ánh sáng UV và màng TiO2:N (bên phải) dưới ánh sáng khả kiến
Máy quang phổ là thiết bị dùng đểđo độ truyền qua của màng sau khi đã ngâm trong dung dịch MB trước và sau khi chiếu sáng. Ở đây chúng tơi sử dụng máy đo OPTIMA – SP 300 (hình 4.11 ) của bộ mơn Khoa học Vật liệu, trường ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐH Quốc gia TPHCM.
Hình 4.11. Máy quang phổ OPTIMA-SP300 và cuvet chứa mẫu
4.2. CHẾ TẠO MÀNG TiO2:N
Mục đích của đề tài là chế tạo màng TiO2:N cĩ tính năng quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến. Từ những nhận định ban đầu và những cơng trình nghiên cứu thử nghiệm [25] chúng tơi nhận thấy rằng để màng TiO2:N cĩ tính năng quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến thì màng phải: vừa cĩ lượng nitrogen lớn và vừa cĩ diện tích bề mặt hiệu dụng lớn. Do đĩ, chúng tơi tiến hành thực nghiệm theo 2 giai đoạn: a) tìm cơ chế để cĩ lượng nitrogen lớn và b) tăng diện tích bề mặt hiệu dụng bằng việc tăng áp suất (theo mơ hình Thorton).
4.2.1. TÌM CƠ CHẾ ĐỂ CĨ LƯỢNG PHA TẠP NITROGEN LỚN VÀO TINH THỂ TiO2. TINH THỂ TiO2.
Theo các cơng trình nghiên cứu [5,7,26] để N cĩ thể thay thế hay xen kẽ được vào tinh thể TiO2, thì năng lượng các ion N khi bắn pha lên đế phải lớn cỡ 500eV. Tuy nhiên,chỉ cĩ những phương pháp như IBAD, PLD (xung laser), mới đạt được mức năng lượng này nhưng thiết bị lại rất đắt tiền và khĩ triển khai ứng dụng. Đối với phương pháp phún xạ magnetron thơng thường thì năng lượng các hạt lên đế cũng khơng cao. Trong cơng trình này chúng tơi cũng sử dụng phương pháp phún xạ magnetron nhưng hệ magnetron đã được cải thiện thành hệ khơng cân bằng thì năng lượng đạt được cũng khá cao. Đa số các hạt lên đế cĩ năng lượng cao là các hạt trung hịa và điện tử, do khối lượng phân tử của N và O nhỏ hơn nhiều so với Ti. Vì vậy, cần nâng cao động năng của chúng khi đến đế cĩ khả năng làm tăng lượng tạp N cĩ trong thành phần màng. Để thực hiện điều này, việc nghiên cứu được tiến hành theo các nội dung sau đây:
• Tăng năng lượng để gia tốc cho ion dương trước khi bị trung hịa bằng cách cải tiến hệ phún xạ sao cho nâng cao hơn tính khơng cân bằng của hệ. Lúc này, lõi nam châm chính giữa của hệ được thay thế bằng lõi sắt non và từ trường trong hệ giảm đến giá trị bằng 400Gauss. Nhờ đĩ, tính khơng cân bằng của hệ tăng và đồng thời làm tăng cơng suất phún xạ.
• Bảo tồn năng lượng cho hạt trung hịa trong quá trình đi từ bia lên đế. Nghĩa là, việc mất mát năng lượng do va chạm giữa khí hoặc ion với các hạt trung hịa trên quãng đường từ bia đến đế phải nhỏ (thay đổi khoảng cách bia – đế) • Tăng lượng ion dương N trong quá trình phún xạ bằng cách tăng lượng khí N
trong mơi trường phún xạ (thay đổi tỉ lệ FN )
Trong quá trình thực nghiệm, kí hiệu các thơng số bao gồm: FO = Ar/O2: tỉ lệ thành phần khí O2/Ar; FN = N2/(N2 + O2): tỉ lệ thành phần khí N2/(N2 + O2); p: áp suất phún xạ (mtorr); I: dịng phún xạ (A); V: thế phún xạ (V); P: cơng suất phún xạ (W); Ts: nhiệt độ đế (oC); h: khoảng cách bia – đế (cm); df: độ dày màng (nm); t: thời gian phún xạ (phút)
4.2.1.1. THAY ĐỔI KHOẢNG CÁCH BIA – ĐẾ (h) VÀ ÁP SUẤT (p)
Để bảo tồn năng lượng cho các hạt trung hịa khi lên đến đế ta cần phải giảm va chạm của chúng với các hạt khác. Ở nhiệt độ phịng, đối với khí cĩ đường kính phân tử d ~ 3.7. 10-8 cm, như Ar, O2, N2, …quãng đường tự do trung bình của phân tử khí là [27]: ) ( 10 . 5 ) ( 3 torr p cm o − = λ (4.1)
Cĩ hai cách để giảm sự va chạm này: 1) thay đổi khoảng cách bia - đế (h) sao cho h < λo; 2) Giảm áp suất phún xạ p.
Tuy nhiên, giá trị p nhỏ nhất để hệ vẫn duy trì được plasma là 1mtorr. Từ cơng thức (4.1), với p = 1mtorr thì λo = 5cm. Vì vậy, chúng tơi tiến hành thực nghiệm kiểm chứng với các điều kiện chế tạo màng với h = 4cm, 6cm và p = 1mtorr, 13mtorr.