CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA OXY ĐẾN CẤU TRÚC MÀNG SI:H
3.2.2. Tác động của Oxy đến cấu trúc màng Si:H
Hình 3.18 trình bày phổ hấp thụ của màng Si:H với các tỉ lệ khí R khác nhau trong vùng 500 cm-1 đến 2300 cm-1. Tất cả các phổ đều xuất hiện đỉnh tại số sĩng 1000 – 1050 cm-1 đĩ là đặc trưng dao động của liên kết Si – O, điều này chứng tỏ trong màng vẫn cĩ sự cĩ mặt của oxy. Càng tăng tỉ lệ khí pha lỗng thì cường độ của đỉnh này càng tăng chứng tỏ rằng hàm lượng oxy trong màng tăng lên. Nhiều tác giả khác đã cho rằng đỉnh này sẽ tiếp tục phát triển mạnh đến một giá trị bão hịa khi để mẫu trong mơi trường tự nhiên cĩ độ ẩm cao và giàu oxy. Tỉ lệ khí pha lỗng R N ồn g đo ä H (a t% )
Hình 3.18: Hệ số hấp thụ của các màng Si:H với các tỉ lệ khí R khác nhau trong vùng 500cm-1 đến 2300cm-1.
Hình 3.19 trình bày phổ hấp thụ của các mẫu trong vùng 1800 cm-1 – 2300 cm-1. Trong vùng này các đỉnh dịch chuyển dần về phía năng lượng cao khi tỉ lệ khí pha lỗng R tăng và làm xuất hiện các đỉnh mới ở số sĩng 2100cm-1 và 2250 cm-1. 1800 1900 2000 2100 2200 2300 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 α ( cm -1 ) Số sĩng (cm-1 ) R=1 R=2 R=3 R=4 R=5 R=6 Hình 3.19: Đỉnh hấp thụ của các màng tại vùng số sĩng 1800cm-1 - 2200cm-1. Số sĩng H ệ so á h ấp th ụ( a. u)
Như đã trình bày trong phần 3.2 các đỉnh 2000 cm-1 , 2100 cm-1 và 2245 cm-1 đặc trưng cho mode dao động của liên kết Si-H trong ma trận vơ định hình, cho mode dao động của H liên kết với bề mặt của các pha tinh thể (nghĩa là H chiếm vị trí trống tại biên hạt µc-Si:H) và cho các mode dao động của nhĩm Si- H2 với một, hai, ba nguyên tử oxy trong khung sườn liên kết, tương ứng.
Từ các kết quả trên cho thấy nồng độ oxy ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc của màng Si:H khi tỉ lệ khí pha lỗng R tăng. Kết hợp với phổ UV-Vis (phần 3.1.5) cho thấy độ rộng vùng cấm tăng tương đối lớn khi R tăng, minh chứng cho sự tồn tại của pha SiOx trong màng.
Kết hợp nhận xét trên với kết quả thu được từ phần 3.1.5 cho phép chúng tơi rút ra nhận xét là màng Si:H chế tạo ở điều kiện tỉ lệ khí pha lỗng hydro cao trong tiến trình thực nghiệm của chúng tơi sẽ là hỗn hợp của các nc-Si:H với các pha SiO2 trong ma trận vơ định hình.
KẾT LUẬN
Chúng tơi đã chế tạo thành cơng các màng Si:H cĩ độ kết tinh tương đối cao và cĩ thể điều khiển q trình tinh thể hĩa bằng việc điều chỉnh nồng độ khí tải hydro ban đầu thơng qua việc thay đổi tỉ lệ khí pha lỗng giữa hydro và silan. Ba phép đo độc lập khác nhau là tán xạ Raman, nhiễu xạ tia X và ảnh FESEM đều giúp chúng tơi dẫn đến một kết luận chung là quá trình tinh thể hĩa và hàm lượng tinh thể Si:H tăng khi tỉ lệ khí pha lỗng R tăng. Từ đĩ cĩ thể điều khiển và kiểm sốt dễ dàng được cấu trúc của màng Si:H (vơ định hình hay micro tinh thể) chỉ thơng qua sự thay đổi một thơng số chế tạo màng duy nhất là tỉ lệ khí pha lỗng. Điều này sẽ rất thuận lợi cho quá trình áp dụng màng Si:H vào các ứng dụng cụ thể như pin mặt trời, linh kiện điện huỳnh quang, sensor…
Từ kết quả đo hấp thụ hồng ngoại cho thấy nồng độ oxy ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc của màng Si:H khi tỉ lệ khí pha lỗng R tăng. Kết hợp với phổ UV- Vis cho thấy độ rộng vùng cấm tăng tương đối lớn khi R tăng, minh chứng cho sự tồn tại của pha SiOx trong màng.
Chúng tơi nhận xét rằng q trình hình thành tinh thể tùy thuộc vào nồng độ khí hydro và q trình dịch chuyển pha từ vơ định hình sang pha tinh thể thơng qua một pha trung gian ( para crystal) gồm những hạt cĩ kích thước rất nhỏ xen lẫn vào trong ma trận vơ định hình của Si. Trong q trình nghiên cứu tính chất điện của các màng Si:H chúng tơi gặp phải những khĩ khăn, do thiết bị khơng đáp ứng được u cầu ( vì màng Si:H cĩ độ dẫn thấp). Vì vậy, trong bài này chúng tơi chưa khảo sát tính chất điện của các màng mà chúng tơi đã tạo. Trong q trình nghiên cứu chúng tơi nhận thấy rằng các màng chế tạo cĩ “sự tấn cơng” của oxy làm ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc của màng. Một nguyên
nhân cĩ thể là do bơm hoạt động trong quá trình giải hấp chưa thật sự đuổi hết hơi nước trong buồng lắng đọng.
Hướng phát triển kế tiếp là khắc phục sự “cĩ mặt bất đắc dĩ” của oxy bằng cách dùng bơm ion thay thế bơm turbo. Nếu q trình cải thiện này khơng hiệu quả thì buộc chúng tơi phải nghĩ đến chất lượng của các bình khí Hydro mua tại Việt Nam, độ tinh khiết của khí trong bình cĩ thể khơng cao dẫn đến xuất hiện tạp chất khơng mong muốn trong màng chế tạo.
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
Tran Quang Trung, Stuchlik Jiri, Ha Stuchlikova, Le Khac Binh, Nguyen Nang Dinh, Huynh Kim Khuong, Phan Thi Nhu Huynh, Nguyen Thi Huynh Nga, “The
Effects of Hydrogen Dilution on Structure of Si:H Thin Films Deposited by PECVD”, APCTP – ASEAN Workshop on Advanced Materials Science and
TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT
[1]. Lý Hịa (1975), Cấu trúc phổ phân tử, nhà xuất bản ĐH và TH chuyên nghiệp, Hà Nội.
TIẾNG ANH
[2]. A.Kolodziel (2004), “Staebler-Swronski effect in amorphous silcon and its alloys”, Institute of electronics rewiew 12(1), 21 – 32.
[3]. Chris G. Van de Walle (1994), “Energies of various configuration of hydrogen in silicon”, The American Physical Society, vol 49, no 7.
[4]. G. Lucovsky and W. B. Pollard (1984), in “The Physics of Hydrogenated
Amorphous Silicon II” ed. by J. D. Joannopoulos and G. Lucovsky, Spinger,
chapter 7.
[5]. G. Muller (1988), “On the generation and annealing of dangling bond defects in hydrogenated amorphous silicon”, Applied physics A.
[6]. H. Chen, M.H. Gullarna, W.Z. Shen (2004), “Effect of high hydrogen dilution on the optical and electrical properties in B - doped nc – Si:H thin films”, Journal of Crystal Crowth, 260 (91 – 101).
[7]. Hari Singh Nalwa (2002), Handbook of Thin Film Materials, United States of America, vol 1.
[8]. H.L Hartnagel, A L. Dawar, A K.Jain, C. Jagadish (1995), “Semiconducting Transparent thin films”, Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia.
[9]. J. Yang, S. Guha, A.H. Mahan, and D.L. Williamson (2000), “Structural changes in a-Si:H film crystallinity with high H dilution”, Physical review B, vol 61(3).
[10]. J.Kocka and J.Stuchlik, L.Chen and J Tauc, M.Sstutmann (1992), “Microscopic origin and energy levels of the states produced in a – Si:H by phosporus doping”, The American Physical Society Review, vol 47(20).
[11]. M.H.Brodsky, Manuel Cardona and J.J.Coumo (1977), “Infared and Raman spectra of the silicon-hydrogen bonds in amorphous silicon prepared by glow discharge and sputtering”, Physical review B, vol 16(8).
[12]. Mullerova (2005), Characterization of the amorpous to polycrytallline
stransition with nano size grains in PECVD growth of Si:H, University of
West Bohemiathe Czech Republic.
[13]. Mark Fox (2001), Optical properties of solids, Oxford University Press Inc., New York, London.
[14]. M.R.Esmaeili – Rad, A. Sazonov, A.G. Kazanskii, A.A. Khomich, A. Nathan (2007), “Optical properties of nanocrystalline silicon deposited by PE CVD”, Springer Science, 18(405 – 409).
[15]. Thomas Kruger and Alexander F.Sax (2001), “Microstructure of local defects in amorpous Si:H : A quantum chemical study”, The American Physical Society Review, vol 64.
[16]. Thorsten Tylla (2004), Electron spin resonance and transient photocurrent
measurements on microcrystalline silicon, Zulich Reseach Center – Physical
Deparment, Berlin Open University.
[17]. U.Kroll, J.Meier, A.Shah, S.Mikhailov and J.Weber (1996), “Hydrogen in amorphous and microcrytalline silicon films prepared by hydrogen dilution”,