1. Ảnh SEM
Hình 3.1 là kết quả chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM của lớp màng ZnO:Al với nồng độ tạp chất Al từ 0-3% sau khi ủ ở nhiệt độ 5000C trong không khí, với thời gian ủ nhiệt là 1 giờ. Cho thấy sự khác biệt về hình thái bề mặt màng.
Hình 3.1: Ảnh SEM của màng
ZnO:Al ( 0%-3%)
Hình 3.1 cho thấy các hình thái bề
mặt của màng phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ pha tạp Al. Kích thước hạt lớn, khoảng vài chục nanomet. Nồng độ pha tạp Al từ 0-5,5% các hạt gắn kết chặt vào nhau, mật độ khá đồng đều. Khi tăng nồng độ pha tạp Al từ 1,5-3%
thì bề mặt của màng trở nên ghồ ghề hơn do có sự kết tụ đám của các hạt tinh thể.
Như vậy khi tăng nồng độ tạp chất Al thì bề mặt của màng trở nên thô hơn. Do đó, độ nhám bề mặt của màng có thể được điều chỉnh bởi nồng độ tạp chất Al.
2.Giản đồ nhiễu xạ tia X
Hình 3.2 là giản đồ nhiễu xạ XRD của màng ZnO và ZnO pha tạp Al với nồng độ pha tạp từ 0%-3% trên đế thủy tinh, ủ nhiệt 1 giờ trong không khí ở 5000C, cấu trúc tinh thể màng được xác định bằng phổ nhiễu xạ tia X với bước sóng 1,5406 .
Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ XRD của màng ZnO:Al( 0%-3%) Giản đồ nhiễu xạ XRD cho thấy màng ZnO:Al có cấu trúc đa tinh thể, định hướng theo nhiều phương khác nhau. Các đỉnh nhiễu xạ ứng với các mặt phẳng mạng (100), (002), (101), (102), (110), (103), (112) có thể quan sát được trên giản đồ. Do xuất hiện mặt phẳng mạng (002) cho thấy ZnO có cấu trúc lục giác xếp chặt.
Cường độ đỉnh của các mặt phẳng mạng (002) có các tinh thể của màng ZnO có một định hướng ưu tiên theo hướng [002] khi nồng độ pha tạp Al tăng lên. Sự định hướng tinh thể theo hướng nhất định làm tăng độ xếp chặt của màng, do đó làm tăng độ linh động của các hạt tải và độ dẫn điện. Tất cả các
đỉnh trong phổ XRD là đỉnh nhọn và hẹp, các đỉnh nhiễu xạ của các tạp chất khác không xuất hiện trong phổ XRD.
Các kích thước tinh thể trong màng được tính theo công thức Scherrer:
D =
trong đó D là kích thước tinh thể, là bước sóng X-ray (1,54 ), là độ bán rộng (FWHM) , và là góc nhiễu xạ.
Từ vị trí các đỉnh nhiễu xạ của các mặt phẳng mạng (100) và (002), các hằng số mạng a và c được xác định thông qua công thức trực giao (3.1):
= + (3.1)
Màng ZnO : Al thu được có các hằng số mạng , các hằng số này phù hợp với cấu trúc lục giác wurtzite.
Ta thu được kết quả bảng dưới đây:
Tên FWHM ( D(nm) a(nm) c(nm
)
ZnO tinh khiết 0.489 17.013 0.325 0.523
0,5% Al pha tạp vào ZnO 0.366 27.735 0.325 0.520 1,5% Al pha tạp vào ZnO 0.411 20.250 0.324 0.520 3% Al pha tạp vào ZnO 0.444 18.745 0.324 0.520
Bảng 2.1 Các kích thước tinh thể của ZnO:Al
Từ bảng trên chúng ta nhận thấy rằng với mỗi nồng độ pha tạp Al khác nhau thì thu được độ bán rộng, kích thước tinh thể khác nhau. Độ bán rộng của các đỉnh nhiễu xạ ở các mẫu khác nhau đều khá nhỏ, kích thước hạt lớn và lớn nhất khi ZnO pha tạp 0,5% Al.
3.Độ truyền qua quang học
Kết quả đo độ truyền qua của các màng ZnO với nồng độ pha tạp Al từ 0 đến 3% trên đế thủy tinh sau khi ủ nhiệt 1 giờ trong không khí được trình bày trong hình 3.3.
Hình 3.3: (a) Phổ truyền qua của màng ZnO:Al, (b) Độ truyền qua trung bình của màng
ZnO:Al.
Ở hình 3.3a cho thấy tất cả các mẫu đều có tính truyền qua cao trong khoảng bước sóng từ 380-800 nm ở nhiệt độ phòng. Hình 3.3b cho thấy độ truyền qua trung bình của các mẫu đều T > 95%. Và độ truyền qua trung bình cao nhất có thể đạt được khi nồng độ pha tạp Al là 1%. Điều này được giải thích có thể do một phần đóng góp của độ nhám trên bề mặt mẫu. Như vậy, khi Al đưa vào ZnO sẽ cải thiện đáng kể độ truyền qua quang học. Do đó đảm bảo khả năng ứng dụng làm các điện cực dẫn điện trong suốt trong các thiết bị quang điện tử, pin mặt trời,…
Hình 3.4: (a) Đồ thị của (αhν)2 của màng ZnO:Al phụ thuộc vào năng lượng photon, (b) Năng lượng cấm của màng ZnO:Al phụ thuộc vào nồng độ
pha tạp.
Để xác định giá trị vùng năng lượng của màng ta sử dụng công thức . Trong đó α là hệ số hấp thụ, β là hằng số và hν là năng lượng photon. Vì ZnO bản chất là một bỏn dẫn chuyển dời thẳng nờn m được chọn bằng ẵ . Cỏc hệ số hấp thụ α được tính từ phổ truyền qua bằng cách sử dụng phương trình , trong đó t là độ dày của màng và T là độ truyền qua. Năng lượng vùng cấm Eg
được xác định bằng cách ngoại suy các vùng tuyến tính của (αhν)2 so với năng lượng được thể hiện trong hình vẽ 3.4a và mô tả trong hình 3.4b. Năng lượng vùng cấm quang học được mở rộng trong khoảng 3,21-3,31 eV khi nồng độ pha tạp Al được thay đổi từ 0%-3%. Việc mở rộng vùng năng lượng quang học có thể là do hiệu ứng Burstein-Moss.