Điện trở suất của mẫu là thông số quan trọng, nó có thể liên hệ với độ dẫn của mẫu (ví dụ như quá pha tạp) như là hiệu ứng một chiều trên đặc tính thiết bị. Một phương pháp đơn giản để xác định mà không phá hủy mẫu thường người ta dùng phương pháp bốn mũi dò.
Có bốn đầu nhọn bằng kim loại tungsten (W) có khoảng cách bằng nhau Dòng thay đổi Đầu dò 1mm Mẫu R A V Hình 2.7: Sơđồ phương pháp bốn mũi dò. LVTD Điều kiện tín hiệu Mẫu Bàn soi Chuyển đổi A/D Bộ nhớ máy tính Hình 2.6. Sơđồ khối của máy đo Stylus.
Luận văn thạc sĩ Vật lý 38 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
được dùng để tiếp xúc với bề mặt bán dẫn. Dòng điện đi qua giữa hai kim bên ngoài, trong khi đó hiệu điện thếđược đặt giữa hai mũi kim bên trong. Vì không có dòng điện (rất nhỏ) đi xuyên qua nên không có sự sai biệt hiệu điện thế đưa vào giữa các kim tiếp xúc. Tuy nhiên, có sự giảm thế ngang ở chổ tiếp xúc của các kim bên ngoài nhưng chúng ta chỉ đo dòng trong phạm vi vòng giữa chỗ tiếp xúc các kim.
Các đầu dò mang dòng (đầu dò bên ngoài) giống như nguồn lưỡng cực, thiết lập trường phân bố bên trong mẫu khi đo. Chúng ta phải giải thích điện thế khác nhau giữa hai đầu dò lân cận dưới sự biến đổi của điều kiện biên, từđó suy ra biểu thức liên hệ dòng cung cấp, hiệu điện thế khác nhau và điện trở suất của mẫu thông qua các trường hợp sau:
Trường hợp mẫu bán vô hạn, điện trở suất được cho bởi công thức
I V s) 2 ( (2.12) s: khoảng cách giữa các đầu dò.
Trong trường hợp màng hai chiều mỏng. Ởđây dòng được xem như bị giam hãm hoàn toàn trong lớp bề dày t, với t << s. Điện trở này được định nghĩa là “điện trở mặt”, Rs (Ohm/square) hay (Ω/).
Điện trở suất của thanh vật liệu có chiều dài, rộng và bề dày t là
Rs.t(.cm) (2.13) Và điện trở mặt cho hai hướng
I V I V G Rs . 4.53. 2 ln . ( Ω/) (2.14)
Mẫu tạo bởi quá trình khuếch tán có độ sâu lớp khuếch tán t thì
I V t. . 53 . 4 (Ω/) (2.15) 2.2.5. Xác định nồng độ hạt tải, độ linh động bằng phép đo Hall.
Phép đo hiệu ứng Hall là công nghệ được sử dụng rộng rãi để xác định nồng độ hạt tải và độ linh động trong vật liệu bán dẫn. Hơn nữa, từ phép đo Hall
Luận văn thạc sĩ Vật lý 39 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
trong phạm vi nhiệt độ rộng có thể cung cấp cho ta những thông tin về loại tạp chất, sai hỏng, tính đồng đều, và sự tán xạ…
* Nguyên tắc của phép đo hiệu ứng Hall:
Khi một từ trường B được áp vào (theo phương z) vuông góc với chiều dòng điện (theo phương x), từ trường B gây ra một lực lên các hạt tải chuyển động, được gọi là lực Lorentz và được cho bởi công thức:
.( ) L D F q V B uur uur ur (2.16) với vuurD .Eur là vận tốc cuốn của hạt tải. và μ là độ linh động của hạt tải.
Theo hình trên, FL chỉ có thành phần theo phương y, nên (2.16) có thể viết lại:
Fy = - q.vD.Bz = - q.μ.Ex.Bz (2.17) Dưới tác dụng của lực Lorentz, các hạt tải mang điện sẽ di chuyển theo như mô tả trong hình 2.9.
Các hạt tải điện di chuyển đến bề mặt vuông góc với phương y và bị “mắc kẹt”, nên bề mặt sẽ bị tích điện. Dấu của điện tích bề mặt phụ thuộc vào loại hạt tải, bề mặt sẽ tích điện âm nếu hạt tải là electron và tích điện dương nếu hạt tải là lỗ trống. Chiều củaFurtrong cả hai trường hợp là như nhau, vì có sựđổi dấu đồng thời
giữa điện tích q và vận tốc dòng cuốn vuurD .
Luận văn thạc sĩ Vật lý 40 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Bề mặt tích điện sinh ra một điện trường Ey theo phương y và ngược chiều với lực Lorentz, làm cho các hạt tải điện có xu hướng di chuyển ngược lại. Ở trạng thái cân bằng, Ey sẽ có giá trị bằng FL nhưng ngược dấu:
q Ey = - q μ Ex Bz (2.18)
Ey = - μ Ex Bz (2.19)
Từđây ta có thể xác định được độ linh động μ của hạt tải.
Ngoài ra, ta có hệ số Hall đặc trưng cho mỗi loại vật liệu và được định nghĩa theo công thức: . y H a ll z x E R B j (2.20)
Khi xác định được hệ số Hall, ta cũng có thể dễ dàng xác định được độ linh động và nồng độ hạt tải thông qua công thức:
. . 1 . . . . . x z Hall x z E B R E B q n q n (2.21) với jx = σ Ex là mật độ dòng điện và n là nồng độ hạt tải.
2.2.6 Xác định độ mấp mô màng mỏng bằng phương pháp đo AFM (Atomic force microscopy). (Atomic force microscopy).
Sự tương tác cơ bản nhất giữa đầu dò và mẫu trong phương pháp đầu dò quét là lực tương tác nguyên tử Vander Wall. Để đo lực này ở một độ phân giải không gian nào đó thì thiết bị đầu dò quét cần phải được lắp đặt một sensor lực
Luận văn thạc sĩ Vật lý 41 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
thích hợp, mà nó có thể giúp cho thiết bị có thể xác định được cấu trúc hình ảnh nguyên tử. Thiết bị đó thường được gọi là kính hiển vi lực nguyên tử (AFM). Một kính hiển vi lực loại này có thể phân tích rất nhiều loại lực khác nhau bao gồm cả sự tương tác ngắn cũng như dài. Do đó các ứng dụng của nó rất rộng rãi để phân tích các lực tương tác nguyên tử.
Phương pháp đo AFM cho ta thấy được hình thái bề mặt của mẫu thí nghiệm với độ phân giải cao. Sơđồ khối của phương pháp này được mô tả ở hình 2.11. Điện tử quét Điều khiển Bật/Tắt Sensor Máy tính Hình ảnh Hiệu chỉnh Sự tương tác Mẫu Hình 2.10. Sơđồ khối kính hiển vi lực nguyên tử. Thước đo Photodiode Giá đỡ Thấu kính Hệquét Hình 2.11. Sự sắp xếp quang học của một hệ AFM.
Luận văn thạc sĩ Vật lý 42 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Đểđơn giản ta xét mô hình gồ ghềđơn như sau:
Trong đó R là bán kính mũi AFM, Ra là bán kính gồ ghề, h là khoảng cách tiếp xúc.
Với mô hình trên thì lực tương tác toàn phần vào mẫu có dạng:
2 2 a c a c a R h F R R R h R (2.21) 2R là lực nghỉ đối với một tiếp xúc phẳng (Ra = 0), hc là khoảng cách tiếp xúc, giả sử hc << R.
Số hạng Ra/(R+Ra) đặc trưng cho sự tương tác gồ ghề với mũi AFM.
Số hạng [hc/(hc+Ra)]2đặc trưng cho độ gồ ghềđóng vai trò chính trong việc giữ hai phần đó cách nhau.
Số hạng thứ nhất chiếm ưu thế nếu độ gồ ghề lớn, số hạng thứ hai chiếm ưu thế nếu độ gồ ghề nhỏ nên F đạt giá trị nhỏ nhất với mộ giá trị R cho trước khi: 1 3 min (2 2 ) a c R h R (2.22)
2.2.7 Phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy - EDS). Spectroscopy - EDS).
Phổ tán sắc năng lượng tia X hay phổ tán sắc năng lượng (EDS – Energy
Mẫu
Luận văn thạc sĩ Vật lý 43 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
dispersive X-ray spectroscopy), là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử).
* Nguyên lý của EDX.
Khi chùm điện tử có năng lượng cao được chiếu và đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn, nó sẽ tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử làm cho một số điện tử bị đẩy ra ngoài và để lại một số vị trí trống ở lớp này. Lúc này một sốđiện tử khác ở các lớp bên ngoài sẽ nhảy về lấp vị trí trống đó và tạo ra các tia X. Tia X có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo định luật Mosley: 2 15 2 2 0 3 4 1 10 48 . 2 1 4 3 8 Z Hz Z h q m v f e e (2.23) e bịđẩy ra Kích thích bên ngoài Hạt nhân NT NL bức xạ
Luận văn thạc sĩ Vật lý 44 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Tần số tia X phát ra là đặc trưng cho nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố.
Có nhiều thiết bị phân tích EDX nhưng chủ yếu EDX được phát triển trong các kính hiển vi điện tử, ởđó các phép phân tích được thực hiện nhờ các chùm điện tử có năng lượng cao và được hội tụ nhờ hệ các thấu kính điện từ. Phổ tia X phát ra sẽ có tần số (năng lượng photon tia X) trải trong một vùng rộng và được phân tích nhờ phổ kế tán sắc năng lượng, từ đó ta có thể ghi nhận được thông tin về các nguyên tố cũng như thành phần.
* Kỹ thuật ghi nhận và độ chính xác của EDX.
Tia X phát ra từ vật rắn sẽ có năng lượng biến thiên trong dải rộng, sẽđược đưa đến hệ tán sắc và ghi nhận (năng lượng) nhờ detector dịch chuyển (thường là Si, Ge, Li...) được làm lạnh bằng nitơ lỏng, gồm một con chip nhỏ tạo ra điện tử thứ cấp do tương tác với tia X. Cường độ tia X tỉ lệ với thành phần nguyên tố có mặt trong mẫu. Độ phân giải của phép phân tích phụ thuộc vào kích cỡ chùm điện tử và độ nhạy của detector (vùng hoạt động tích cực của detector).
Độ chính xác của EDX ở cấp độ một vài phần trăm (thông thường ghi nhận được sự có mặt của các nguyên tố có tỉ phần cỡ 3 - 5% trở lên). Tuy nhiên, EDX tỏ ra không hiệu quả với các nguyên tố nhẹ (ví dụ B, C...) và thường xuất hiện hiệu ứng chồng chập các đỉnh tia X của các nguyên tố khác nhau (một nguyên tố thường phát ra nhiều đỉnh đặc trưng Kα, Kβ..., và các đỉnh của các nguyên tố khác nhau có
Điện tử
Mẫu
Luận văn thạc sĩ Vật lý 45 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
thể chồng chập lên nhau gây khó khăn cho phân tích).
Hình 2.15. Phổ tán sắc năng lượng tia X mẫu màng mỏng, ghi nhận trên kính hiển vi điện tử truyền qua FEI Tecnai TF20.
Luận văn thạc sĩ Vật lý 47 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN.
3.1. Mục đích của quá trình thực nghiệm.
Trong phạm vi của luận văn này, chúng tôi sẽ chế tạo màng mỏng dẫn điện trong suốt loại n ZnO:V bằng phương pháp đồng phún xạ magnetron DC phản ứng.
Sau quá trình chế tạo, chúng tôi khảo sát tính chất điện quang của màng ZnO:V theo khoảng cách bia đế, công suất phún xạ của bia V và nhiệt độ đếđể tìm ra bộ thông số phún xạ tối ưu.
3.2. Tiến trình thực nghiệm.
3.2.1. Chế tạo bia gốm ZnO.
Các thiết bị, hóa chất được sử dụng:
ZnO 99 %.
Cân kỹ thuật số (Sartorius, Germany) độ chính xác 0.01 mg.
Máy nghiền bi (Ceramic Instrument, Italy) với cối và bi nghiền bằng vật liệu corundum, chếđộ hoạt động quay theo kiểu hành tinh.
Buồng sấy chân không (SHELLAB, England), áp suất < 10-2 torr và nhiệt độ tối đa 200oC.
Máy nén thủy lực (Italy), lực tối đa 180 tấn.
Lò nung nhiệt độ cao, tối đa 1800oC (VMK 1800, Linn, Germany) có khả năng lập trình nhiệt độ theo thời gian.
Các hình 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 và 3.5 là các thiết bị dùng trong quá trình chế tạo bia ZnO.
Các bước cơ bản của quá trình chế tạo bia gốm từ hỗn hợp các ôxít ban đầu được trình bày trên hình 3.6.
Nghiền bột ZnO bằng máy nghiền bi ly tâm với cối và bi Corundum (Al2O3) (Ceramic Instruments, Italy) với thời gian hơn 5 giờ bằng phương pháp
Luận văn thạc sĩ Vật lý 48 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
nghiền ướt với nước cất. Sấy khô bột ZnO trong chân không ở nhiệt độ 2000C với thời gian hơn 10 giờ.
Hình 3.3. Máy sấy. Hình 3.4. Máy ép thủy lực.
Hình 3.5. Lò nung.
Luận văn thạc sĩ Vật lý 49 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Cân lượng bột ZnO sấy khô cần dùng bằng cân phân tích (Sartorius, Germany) có độ chính xác 0.01mg, sau đó trộn với keo PVA trước khi đổ vào khuôn ép để tạo sự kết dính ban đầu cho các hạt bột, làm cho mẫu bia sau khi ép có độ cứng vừa đủ để không bị nứt. Lượng keo phải được chọn vừa đủ, nếu dư quá sẽ ảnh hưởng đến độ chặt của bia.
Bột sau khi trộn keo được đổ vào khuôn và ép với áp lực 1400 kg/cm2. Quá trình ép phải tiến hành thật chậm để đảm bảo sự xếp chặt và đồng nhất của mẫu. Sau khi ép, mẫu dạng đĩa tròn đường kính 90 mm.
Dung kết khối vật liệu theo chu trình nhiệt như hình 3.7, thời gian ủ Cân các oxit thành phần Nghiền ướt và trộn Sấy khô Trộn với keo PVA Định hình bằng lực ép Bay hơi keo Dung kết Tạo hình và kiểm tra
Luận văn thạc sĩ Vật lý 50 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
nhiệt là 2 giờở nhiệt độ cực đại là 15000C trong lò VMK 1800 (Linn, Germany) có khả năng lập trình nhiệt độ theo thời gian. Điểm nhiệt độ này được chọn từ thực nghiệm trên nhiều mẫu nung khác nhau và tham khảo [9].
Với các công đoạn chế tạo bia như trên, chúng tôi đã tạo được bia gốm ZnO, mẫu bia thu được có màu xanh lục, bia có dạng hình vuông cạnh 75 mm, dày 6 mm, khối lượng riêng tính được khoảng 5.1 g/cm3, độ nén chặt của bia khoảng 91%, điện trở khối của bia khoảng 2.6.10-3 Ω.cm. Các hình 3.8 và 3.9 là bia ZnO sau khi được chế tạo thành công và sau khi phún xạ.
Hình 3.8. Bia ZnO sau khi chế tạo Hình 3.9. Bia ZnO sau khi phún xạ
Luận văn thạc sĩ Vật lý 51 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
3.2.2. Thiết kế và lắp ráp hệđồng phún xạ magnetron DC.
Đồng phún xạ magnetron DC là một phương pháp còn khá mới ở Việt Nam. Tại Bộ môn Vật lý Ứng dụng, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp Hồ Chí Minh phương pháp này lần đầu tiên được nhóm chúng tôi sử dụng trong quá trình chế tạo màng. Đồng phún xạ magnetron DC là phương pháp
Hình 3.10. Cấu tạo hệ magnetron.
Hình 3.12. Sơđồ buồng chân không
Hình 3.11. Hệ phún xạ magnetron tại phòng thí nghiệm Quang- Quang Phổ.
Luận văn thạc sĩ Vật lý 52 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
tạo màng mới mà ta phải sử dụng nhiều hơn một hệ magnetron, mỗi hệ magnetron được nối với một nguồn cấp thếđộc lập nhau và ta sử dụng nhiều bia để thực hiện phún xạ đồng thời trên cùng một đế. Mỗi bia tham gia trong hệ được chế tạo từ những vật liệu khác nhau tùy theo yêu cầu về tính chất và vật liệu của màng.
Trong quá trình thiết kế và lắp ráp, chúng tôi đã tính đến tính cơđộng của hệ giá đỡ. Sau khi thiết kế mô hình tổng quát, chúng tôi đã đo đạc lấy số liệu cụ thể và tiến hành lắp ráp hệ. Hệ tạo màng có sơđồ như trong các hình 3.10, 3.11, 3.12