Chương 1 TỔNG QUAN
1.5. Một số phương pháp chế tạo vật liệu PTO
1.5.5. Phương pháp lắng đọng bằng xung điện tử (PED)
Gần đây, kỹ thuật lắng đọng sử dụng xung điện tử PED (Pulsed Electron Deposition) đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học [4]
Bốc bay bằng xung điện tử là phương pháp chế tạo màng mỏng bằng các xung điện tử có năng lượng cao. Chùm xung điện tử công suất lớn bắn xuyên vào bia với độ sâu khoảng 1m dẫn đến sự bốc bay của vật liệu và hình thành trạng thái plasma. Tốc độ lắng đọng của màng vào khoảng 0.01-0.1 nm/xung.
Kỹ thuật PED được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1979 trên cơ sở hiện tượng phóng điện trong điều kiện áp suất thấp. Q trình phóng điện chất khí ở áp suất thấp xảy ra giữa cực anode phẳng và cực catot rỗng. Các thiết kế sau này cho phép nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng lên 30 % so với 4 % so với thiết kế ban đầu. Kỹ thuật PED cũng dựa trên các điện tử, nhưng hệ PED lại khơng phức tạp như kính hiển vi điện tử. PED khơng cần sử dụng các thấu kính
từ. Chùm điện tử đi qua một máng nhỏ và được dẫn vào trong một ống nhơm oxit hoặc kính có đường kính 4-6 mm hướng thẳng vào bia. Gia tốc của điện tử được gây ra do sự chênh lệch giữa thế đặt vào ở catot và bia (đất). Năng lượng điện tử vào khoảng 3-5 J/xung. Sự phóng điện được cho phép bởi các mạch trigger, tần số xung được điều khiển, thay đổi theo mục đích của người sử dụng. Chùm điện tử phát ra rất nhỏ khoảng vài mm2, nên mật độ dòng rất cao khoảng 106 A/cm2, do đó mật độ năng lượng đạt tới 109W/cm2 với độ rộng xung khoảng 100 ns trên bề mặt bia.
Hình 1. 12. Sơ đồ k ỹ thuật PED [2]
Tuy hệ PED tương đối đơn giản nhưng các hiện tượng vật lý cơ bản và q trình phóng điện vẫn phức tạp. Sự phóng điện theo khơng gian và thời gian là một q trình động lực học rất phức tạp. Các nghiên cứu thực nghiệm về phân bố năng lượng chỉ ra rằng chùm điện tử có các điện tử với năng lượng khác nhau và các điện tử có năng lượng cao nhất chỉ tập trung ở cạnh. Điều này đã giải thích hiện tượng các hạt được tạo ra lại cản trở quá trình mọc màng tối ưu. Áp suất và thế gia tốc có ảnh hưởng lớn lên số lượng hạt và kích thước hạt của màng mỏng. Kích thước các hạt thay đổi theo hàm số mũ với thế gia tốc chùm tia. Kích thước
hạt có thể giảm xuống dưới 100 nm bằng việc tăng áp suất. Bằng cách thay đổi các tham số chế tạo, kích thước các hạt của màng mỏng có thể điều khiển từ kích thước micromet tới nanomet.
Ưu điểm của phương pháp lắng đọng xung điện tử
- Bộ phận tạo xung điện tử được sử dụng trên cùng hệ laser, tiết kiệm chi phí, diện tích đặt máy.
- Năng lượng xung điện tử ổn định, với năng lượng xung tới 0.8J, điện áp cần dùng khoảng 15-18 kV.
- Có thể áp dụng cho nhiều vật liệu khác nhau như oxit kim loại nhiều thành phần, hợp kim hay polymer.
- Màng có độ dày đồng đều, có thể tạo màng mỏng trên đế có kích thước lớn.