CẤU TRÚC NANO BÁN DẪN THẤP CHIỀU
1.2. Các vật liệu quan tâm của luận án – Vật liệu bán dẫn
1.2.3. Sơ lược về các ứng dụng tiềm năng của dây nano bán dẫn
Cảm biến khí [118] là các thiết bị có thể phát hiện các khí khác nhau chẳng hạn ethanol, LPG, CO2 và CO … . Các cảm biến khí phổ biến nhất hiện nay là dựa trên công nghệ MOS như SnO2, TiO2, WO3, ZnO, Fe2O3, và In2O3 có một vai trò rất quan trọng trong kiểm tra môi trường, điều khiển các phản ứng hay quá trình hóa học. Xem sơ đồ cảm biến có sử dụng các dây nano ZnO ở dưới (hình 1.20). Độ nhạy của cảm biến dây nano được tăng cường lên rất nhiều do tăng được diện tích bề mặt “phơi” khí. Ngoài ra tỷ số bề mặt/thể tích tăng cũng làm giảm kích thước và thu nhỏ thiết bị cảm biến. Hai yếu tố này cũng được sử dụng trong các sơ đồ linh kiện cảm biến sinh học dựa trên mảng các dây nano.
34
Hình 1.19: Sơ đồ cảm biến khí dựa trên màng mỏng ZnO (trái) và trên dây nano ZnO phải [trích từ tài liệu tham khảo 118]
1.2.3.2. Ứng dụng tế bào quang điện trên dây nano:
Các nghiên cứu gần đây [11, 83] cho thấy có thể nuôi cấy được các dây nano có khả năng hấp thụ ánh sáng được làm từ các vật liệu có tính quang điện cao (vật liệu nhóm III-V, như GaN, AlGaN, GaNP …) trên các lớp mỏng polyester linh hoạt. Phát hiện này đưa đến các ứng dụng quang điện vừa linh động lại vừa rẻ hơn các tế bào quang điện hiện nay (hiện tại hiệu suất công nghiệp từ Si là vào khoảng ~9%). Các vật liệu bán dẫn nhóm III-V được biết đến là các vật liệu quang điện có hiệu suất cao hơn nhiều so với Si nhưng giá thành cao đã giới hạn khả năng sử dụng chúng trong các ứng dụng quang điện. Tuy nhiên giá thành sẽ giảm đi rất nhiều với các dây nano bởi (i) lượng vật liệu dùng để chế tạo sẽ giảm đi và bề mặt tiếp xúc ánh sáng cũng tăng lên rất nhiều so với mặt phẳng 2 chiều (xem hình mô phỏng 1.20 ở dưới) (ii) thêm vào đó các cấu trúc dây nano lại có một cách hấp thụ ánh sáng và bứt các quang electron hiệu quả hơn nhiều. Mỗi dây nano có kích cỡ từ 10 đến 100 nm rộng và dài đến 5 micromet. Chiều dài của nó cho phép hấp thụ tối đa ánh sáng trong khi chiều ngang cỡ nano cho phép các quang electron dịch chuyển tự do hơn nhiều và cũng dễ dàng tập hợp lại.
Sử dụng dây nano kết hợp với các phân tử chất nhạy màu trong tế bào quang điện dùng chất nhạy quang (DSSC) cũng được cho là sẽ làm cải thiện hiệu suất của các pin mặt trời thế hệ tiếp theo.
35
Hình 1.20: Sơ đồ của tế bào quang điện dựa trên NW lõi/vỏ [83]
Trong các dây nano dị chất dạng lõi/vỏ (tức là sắp xếp đồng trục hai loại vật liệu khác nhau) từ các vật liệu bán dẫn có vùng cấm rộng, chẳng hạn ZnO và ZnS chúng tạo thành một cấu trúc dị chất loại II làm thay đổi độ rộng vùng cấm, và có thể điều chỉnh sự
thay đổi này. Đó là do vùng cấm kết hợp lúc này sẽ được tính từ đáy vùng dẫn thấp hơn đến đỉnh vùng hóa trị cao hơn của hệ thống này, do đó độ rộng vùng cấm sẽ giảm đi, và còn có thể điều chỉnh làm cho độ rộng của nó tương ứng với ánh sáng nhìn thấy được phù hợp cho các ứng dụng tế bào quang điện, nghĩa là cỡ ~2eV. Vùng cấm kết hợp này lại chỉ có ở một giới hạn nhỏ lân cận mặt tiếp giáp dị chất, do đó cần phải chế tạo một thiết bị kích cỡ nano, sao cho khu vực tiếp giáp chiếm một tỷ lệ lớn của thiết bị (hay là tỷ số bề mặt/thể tích cao) ví dụ như dây nano NW. Hơn nữa trong các cấu trúc dị chất NW với mặt tiếp xúc xuyên tâm việc phân tách các cặp exciton (e--h+) có thể xảy ra trên quy mô không gian rất nhỏ và do đó có thể làm suy giảm đáng kể khả năng tái tổ hợp của chúng. Như vậy cấu trúc NW đồng trục dị chất đồng thời thỏa mãn cả bốn chức năng chính của một tế bào quang điện lý tưởng: (i) hấp thụ ánh sáng cao do tỷ số bề mặt/thể tích cao, tức là theo phương ngang xuyên tâm có kích cỡ nano, (ii) khả năng chuyển đổi năng lượng do điều chỉnh độ rộng vùng cấm bằng cách thay đổi đường kính của NW hay hàm lượng chất dựa trên việc sắp lại các cấu trúc vùng và hiệu ứng lượng tử phụ thuộc vào kích thước, (iii) phân tách tự
nhiên các hạt tải (e--h+) do kích thước ngang của vùng cấm hẹp này chỉ ở một khu vực kích cỡ nano ngoài khu vực này các vùng cấm là rộng nên ngăn chặn được việc tái hợp exciton, và (iv) vận chuyển các hạt tải được tăng cường do kích thước nano của lớp vỏ/lõi và việc giảm khối lượng hiệu dụng của hạt tải trong cấu trúc chuẩn 1 chiều.
36
1.2.3.3. Ứng dụng điện tử và quang điện tử của dây nano
Bên cạnh các cấu trúc dây nano bán dẫn dị chất dạng đồng trục kể trên còn một loại cấu trúc dây nano bán dẫn dị chất khác đang được nghiên cứu rộng rãi là dây dị chất loại dọc theo trục của dây nano bao gồm các tiếp xúc dị chất dọc trục dây nano hình thành siêu mạng một chiều. Các nghiên cứu mới nhất cho thấy các dây nano đơn tinh thể chứa các mặt tiếp giáp dị chất Si/SiGe [14], GaAs/GaP, InAs/InP và ZnSe/CdSe tạo thành các siêu mạng chuẩn một chiều đã được nuôi thử nghiệm. Điều này mở ra khả năng tạo ra hàng loạt các thiết bị chức năng (TD các tiếp xúc p-n, các transistor một cực và hai cực dị chất) trên một dây nano đơn. Các cấu trúc dây nano dị chất này tiếp sau đó có thể được sử dụng như là các thành tố cơ bản cho các vi mạch điện tử nano và các thiết bị phát quang [11, 132].
Thêm vào đó cấu trúc ống nano của một loạt các loại vật liệu không có cấu trúc lớp có thể được tổng hợp nên bằng cách cho ăn mòn có chọn lọc lớp lõi bên trong của cấu trúc dị chất lõi/vỏ ở trên. Hướng tổng hợp này đòi hỏi các vật liệu lõi và vỏ phải được nuôi cấy bằng epitaxy lên trên nhau và phải có độ ổn định hóa học khác nhau. Công nghệ này còn được gọi là ‘đúc epitaxy’ (‘epitaxial casting’) đã được sử dụng gần đây để tổng hợp được mẫu ống nano từ đơn tinh thể GaN đường kính ~20nm và thành dày 5nm (không đơn lớp).
Công nghệ này sử dụng dây nano ZnO làm khuôn mẫu (dây này sau đó được bỏ đi bằng hạ nhiệt và cho bay hơi). Đây là lần đầu tiên tạo được ống nano đơn tinh thể của GaN và quá trình mẫu này có thể được áp dụng cho nhiều vật liệu bán dẫn khác.
Tóm lại khả năng tạo nên các cấu trúc dị chất thông qua việc pha tạp có kiểm soát tốt và cho tiếp giáp với nhau là chìa khóa cho công nghệ vi mạch tích hợp của tương lai.
1.2.3.4. Ứng dụng dây nano từ các vật liệu bán dẫn có từ trong spintronics
Chất bán dẫn từ loãng (DMS) là đại diện cho một hợp lực giữa các chất bán dẫn trên cơ sở điều biên điện tích và điều biên từ tính dựa trên cơ sở spin. Người ta biết đến một loạt các DMS khác nhau, chẳng hạn GaAs có thể trở thành sắt từ ở nhiệt độ thấp (dưới 150K) khi pha tạp với một vài phần trăm các ion từ Mn hay Co. Tuy nhiên, trong hầu hết các vật liệu này tính chất từ loãng sẽ biến mất khi vật liệu được nung nóng đến gần nhiệt độ phòng. Trong các chất bán dẫn oxide như ZnO và TiO2 người ta dự đoán với một số bằng chứng thực nghiệm gần đây [113] là pha tạp của các ion từ (~3-5% Mn hay Co) sẽ làm cho nó có tính chất sắt từ thậm chí ở nhiệt độ phòng. Với cấu trúc dây nano có một tỷ số bề mặt/thể tích cao và cho phép thay đổi bề mặt theo tỷ số này, điều này có thể được sử dụng để làm thay đổi cấu hình điện tử và thậm chí để kích hoạt sự chuyển đổi từ dạng
37
thuận từ sang sắt từ. Do vậy dây nano trên vật liệu bán dẫn từ loãng có thể trở thành các thành tố tiềm năng cho spintronics kích thước nano.