Chương 1 Tổng quan về vật liệu bỏn dẫn ZnO
1.1. Tớnh chất của ZnO và cỏc cấu trỳc nano của nú
1.1.2.2. Tớnh chất điện
Màng ZnO tinh khiết với độ hợp thức cao thường cú điện trở suất rất lớn. Khi pha tạp chất là cỏc nguyờn tố nhúm III như: Al, Ga, In … điện trở suất của màng ZnO giảm mạnh và năng lượng vựng cấm tăng. Năng lượng vựng cấm Eg ở nhiệt độ phũng ZnO cú giỏ trị bằng Eg = 3,37 eV. Độ rộng vựng cấm của màng ZnO pha tạp mạnhcú thể lớn hơn 3,37 eV. Sự dịch bờ hấp thụ cơ bản về phớa năng lượng cao hơn khi pha tạp mạnh như vậy gọi là sự dịch Burstein-Moss [4].
Độ dịch vựng cấm do hiệu ứng Burstein-Moss [7] được cho bởi biểu thức:
2 2 / 3 2 2 1 1 3 8 g e h h E n m m (1. 1)
trong đú me=0,28 mo, mh=0,59 mo, h là hằng số Planck, cũn n là nồng độ electron trong mẫu. Kết quả là độ rộng vựng cấm tổng cộng cú dạng: Eg=Ego+Eg, với Ego là độ rộng vựng cấm của ZnO dạng khối ở nhiệt độ phũng.
So với màng mỏng, cỏc cấu trỳc nano của ZnO cú một số tớnh chất điện được tăng cường đỏng kể.
Cỏc nghiờn cứu cơ bản về tớnh chất điện của cỏc cấu trỳc nano ZnO đúng vai trũ quyết định đối với sự phỏt triển của cỏc ứng dụng tương lai của chỳng trong lĩnh vực điện tử nano. Cỏc phộp đo tớnh chất điện đó được thực hiện đối với riờng mỗi loại dõy nano và thanh nano. Cỏc dõy nano đơn tinh thể đó được thiết lập để làm transitor hiệu ứng trường (FET) [47]. Chỳng đó được phõn tỏn trong propanol 2 để hỡnh thành cỏc dõy nano nằm lơ lửng sau đú được lắng đọng trờn đế SiO2/Si.
Phương phỏp quang khắc được sử dụng để tạo cỏc điện cực tiếp xỳc và đế Si đúng vai trũ cỏc điện cực cửa sau. Hỡnh 1.3a mụ tả giản đồ cấu trỳc của cỏc FET làm từ dõy nano được gắn trong mạch đo. Do cỏc sai hỏng nội tại như nỳt khuyết oxy và Zn điền kẽ, dõy nano ZnO đó được cụng bố là thể hiện đặc tớnh bỏn dẫn loại n [108].
Hỡnh 1.3. (a) Ảnh TEM của FET làm từ dõy nano ZnO cựng với giản đồ mạch của phộp đo; (b) Đường đặc trưng I-V của FET làm từ dõy nano ZnO; (c) Sự thay đổi đặc tớnh dẫn của hai dõy nano chế tạo trong cỏc điều kiện khỏc nhau. Dõy nano A cú độ linh động của electron 80 cm2
/V.s, nồng độ hạt tải ~106 cm-1 và dõy nano B cú độ linh động của electron 22 cm2
/V.s, nồng độ hạt tải ~ 107 cm-1; (d) Một vớ dụ về sự biến điệu tuần hoàn của cỏc dõy nano. Bảng đi kốm là giản đồ bố trớ phộp đo [47]
Hỡnh 1.3b chỉ ra đường đặc trưng I-V của dõy nano ZnO dưới cỏc hiệu điện thế cực cửa khỏc nhau. Hỡnh 1.3c biểu diễn tớnh chất điện của cỏc mẫu dõy nano, ngoài ra nồng độ hạt tải và độ linh động của cỏc mẫu này cũng được khảo sỏt. Hơn nữa, tớnh chất điện của FET dõy ZnO đó được nghiờn cứu nhờ sử dụng AFM dẫn điện, cỏc dõy nano ZnO thể hiện độ đồng đều cao đối với tớnh chất điện. Hơn nữa, người ta cú thể tạo ra một đầu quột cú khả năng bật tắt độ dẫn điện của cỏc dõy nano một cỏch tuần hoàn (Hỡnh 1.3d), mở ra khả năng ứng dụng của cỏc hệ nano điện cơ.
Thời gian(s) Dõy nano Vds (V) I (nA) I (nA) I (nA) Vg (V)
Quỏ trỡnh chế tạo cỏc cấu trỳc nano bằng phương phỏp CVD cho ta cỏc cấu trỳc đơn tinh thể, khiến cho chỳng cú những tớnh chất điện vượt trội so với màng mỏng đa tinh thể. Vớ dụ, độ linh động của electron là 7 cm2/V.s đó được xem là khỏ cao cho cỏc transitor màng mỏng ZnO. Tuy nhiờn, cỏc dõy nano đơn tinh thể cho thấy độ linh động là khoảng 80 cm2
/Vs và Park đó cụng bố rằng sau khi phủ cỏc dõy nano bằng polyimide để làm giảm sự tỏn xạ electron và bẫy ở bề mặt [84], độ linh động của electron là khoảng 1000 cm2
/Vs. Cỏc kết quả thực nghiệm cho thấy cỏc linh kiện hoạt động dựa trờn cỏc cấu trỳc nano của ZnO cú thể đạt được tốc độ hoạt động lớn hơn so với màng mỏng. Hơn nữa, bằng cỏch thay đổi cỏc thụng số cụng nghệ trong quỏ trỡnh tổng hợp mẫu, chỳng ta cú thể điều chỉnh nồng độ hạt tải và độ linh động của cỏc dõy nano (Hỡnh 1.3c). Cỏc cấu trỳc nano pha tạp loại p sẽ tăng cường cỏc ứng dụng tương lai trong cỏc thiết bị điện tử và quang điện tử kớch thước nano. Cỏc dõy nano ZnO loại p và loại n cú thể đúng vai trũ làm cỏc điốt và cỏc điốt phỏt quang (LED). Cỏc FET được sản xuất từ cỏc dõy nano ZnO cú thể tạo thành cỏc mạch lụgic bổ sung. Cựng với hiệu ứng lỗ trống quang, laze dõy nano điều khiển bằng điện cú thể sẽ trở nờn rất khả thi. Một nỗ lực để tạo ra một chuyển tiếp p-n trờn cỏc dõy nano ZnO đó được thực hiện bởi Liu và cỏc cộng sự [64]. Trong trường hợp này, màng nhụm đó được sử dụng làm cỏc khuụn với kớch thước lỗ trung bỡnh khoảng 40 nm. Một quỏ trỡnh phỏt triển vận chuyển pha hơi hai bước đó được ỏp dụng và nguyờn tố Boron đó được đưa vào để làm pha tạp loại p. Kết quả cho thấy đặc tớnh chỉnh lưu do chuyển tiếp p-n trong dõy nano. Ngoài ra cỏc nghiờn cứu về cỏc tớnh chất vận chuyển điện, phỏt xạ điện trường từ cỏc dõy/thanh nano ZnO sắp xếp theo chiều thẳng đứng cũng được khảo sỏt rộng rói. Cỏc vật liệu nano giả 1 chiều (Q1D) với cỏc đầu nhọn là một ứng cử viờn hết sức tự nhiờn cho phỏt xạ điện trường. Thực tế phỏt xạ trường từ cỏc kim nano, và dõy nano ZnO sắp xếp theo chiều thẳng đứng đó được nghiờn cứu bởi rất nhiều nhà khoa học. Tseng và cỏc cộng sự [102] đó tạo ra cỏc dõy nano ZnO dạng kim trờn màng ZnO pha tạp Ga ở 550oC. Cỏc dõy nano được tạo ra như vậy thể hiện cấu trỳc được sắp xếp tốt theo chiều thẳng đứng (Hỡnh 1.4a). Cỏc dõy nano này được đem tiến hành cỏc thớ nghiệm trường phỏt xạ, giỏ trị trường kớch thớch là ~18 V/m, ở mật độ dũng 0,01 A/cm2
, và dũng phỏt xạ cú thể đạt đến 0,1 mA/cm2 ở 24 V/m (Hỡnh 1.4b). Xing và cỏc cộng sự [115] đó cụng bố cỏc kết quả cũn tốt hơn cho cỏc dõy nano được tổng hợp ở nhiệt độ thấp. Giỏ trị trường kớch thớch là 6 V/m thỡ mật độ dũng là 0,1 A/cm2
dũng phỏt xạ cú thể đạt được 1 mA/cm2 khi trường kớch thớch là 11 V/m, tức là cú thể cung cấp đủ độ sỏng để được ứng dụng làm cỏc màn hỡnh phẳng. Thật thỳ vị là trong cỏc electron phỏt xạ từ ZnO cú cấu trỳc tứ cực (tetrapod), người ta thấy trường kớch thớch chỉ cần rất thấp vào cỡ 1,6 V/m là cú thể tạo ra mật độ dũng 1 àA/cm2
. Sự vượt trội của hiệu suất phỏt xạ này được qui cho là do tỉ số diện tớch bề mặt cao hơn của tứ cực so với cỏc dõy nano.
Hỡnh 1.4. (a) Cỏc dõy nano sắp xếp theo chiều thẳng đứng trờn màng ZnO pha tạp Ga; (b) đặc trưng I-V phỏt xạ của dõy nano ZnO [102]