Hệ magnetron cân bằng dùng nam châm ở giữa khá mạnh để có thể kéo hầu hết các đường sức từ phát ra từ nam châm bên ngoài. Còn ở hệ magnetron không cân bằng thì ngược lại, nam châm ở giữa có cường độ không đủ mạnh để có thể kéo vào tất cả các đường sức phát ra từ các nam châm vòng ngoài bao quanh nó. Chính vì thế, một vài đường sức không kéo vào, nó lượn uốn cong ra ngoài hướng vào đế. Các điện tử dịch chuyển trên những đường sức này không bị tác động của từ trường ngang nên sẽ di chuyển hướng về đế. Khi di chuyển nó sẽ kéo theo các ion được gọi là hiện tượng khuếch tán lưỡng cực, hiện tượng này làm tăng mật độ dòng ion đến đế. Năng lượng bắn phá đế có thể tăng lên tuỳ vào thế phân cực âm ở đế, và đế sẽ được đốt nóng. Như vậy, đế được cấp nhiệt một cách liên tục, bởi sự bắn phá của ion, do đó thích hợp cho việc tổng hợp các màng ở nhiệt độ cao.
Hình 2.1: Hệ magnetron cân bằng.
Hình 2.2: Hệ magnetron không cân bằng
Hình 2.3: Hệ thống phún xạ magnetron DC 2.2.2 Nguyên tắc hoạt động:
Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động phún xạ magnetron.
Khi thế âm được áp vào hệ giữa bia (catốt) và đế vật liệu được phủ (anốt) sẽ sinh ra một điện trường →E làm định hướng và truyền năng lượng cho các hạt mang điện có trong hệ. Những điện tử và ion tạo thành thác lũ điện tử, những ion đập vào catốt (bia) và giải phóng các điện tử thứ cấp, các điện tử này được gia tốc trong điện trường →E đồng thời bị tác động của từ trường ngang →B, từ trường này sẽ giữ điện tử ở gần catốt theo quỹ đạo xoắn trôn ốc, do đó chiều dài quãng đường đi của điện tử được tăng lên nhiều lần trước khi đến anode (đế).
Trong quá trình chuyển động, điện tử sẽ va chạm với các nguyên tử hay phân tử khí và tạo ra những ion (sự ion hóa), các ion này được gia tốc đến bia và làm phát xạ những điện tử thứ cấp dẫn làm cho nồng độ điện tử được tăng lên. Khi số điện tử sản sinh bằng số điện tử mất đi do quá trình tái hợp lúc đó sự phóng điện là tự duy trì. Lúc này, khí phát sáng trên bề mặt bia, thế phóng điện giảm và dòng tăng nhanh. Những điện tử năng lượng cao sinh ra nhiều ion và những ion năng lượng cao này đập vào bia làm phún xạ vật liệu bia và bức xạ các điện tử thứ cấp để tiếp tục duy trì phóng điện. Lúc này khi tăng thế rất nhỏ dòng sẽ tăng đáng kể .
Phương pháp phún xạ magnetron phẳng có các ưu điểm sau: • Phóng điện trong từ trường và điện trường vuông góc nhau. • Hoạt động ở áp suất thấp dẫn đến vận tốc lắng đọng màng cao. • Màng đạt chất lượng cao về độ bền cơ học.
2.3 Các phương pháp xác định tính chất vật lý và cấu trúc màng SZO.
LVTD Điều kiện tín hiệu
Mẫu
Bàn soi
Chuyển đổi A/D
2.3.1 Đo độ dày màng mỏng bằng phương pháp đo Stylus.
Hình 2.6: Máy đo Stylus.
Đo Stylus là phương pháp đo điện cơ bằng cách di chuyển một cách chính xác và đầu dò ghi theo chương trình làm sẵn về quét chiều dài, tốc độ và lực đầu dò. Stylus là dạng nối giữa cơ với hệ LVDT (Linear Variable Differential Transformer).
Khi bàn soi di chuyển mẫu, đầu dò sẽ lướt trên bề mặt mẫu. Biến thiên của bề mặt làm đầu dò dịch chuyển theo chiều thẳng đứng. Tín hiệu đầu dò ghi nhận được sẽ được chuyển đến vị trí lõi của LVTD. Thang đo LVTD sẽ chuyển thành tín hiệu điện với độ chính xác cao tương ứng với sự thay đổi vị trí của đầu dò, tín hiệu analog chuyển thành tín hiệu số.
Tín hiệu số trong quá trình quét sẽ được lưu lại trong bộ nhớ máy tính cho việc biễu diễn, tính toán, đo đạc và in. Chương trình bộ nhớ máy đo Stylus (Dektal 6M) có thể dễ dàng thay đổi để phù hợp với mục đích sử dụng và thí nghiệm.
2.3.2 Đo độ truyền qua của màng bằng phương pháp UV-Vis.
Phương pháp đo phổ truyền qua được sử dụng xác định tính trong suốt của màng mỏng. Nếu màng mỏng có độ truyền qua trong vùng ánh sáng khả kiến trên 85% thì được xem là trong suốt trong vùng đó. Ngoài ra từ phổ truyền qua chúng ta có thể tính được độ rộng vùng cấm quang, chiết suất, hệ số hấp thu của màng. Sơ đồ khối của hệ đo truyền qua được mô tả như hình 2.7.
Bia Giải nhiệt Đường sức từ
Electron di
chuyển Bia bị ăn mòn
Nam châm vĩnh cửu Máy đo phổ Mẫu
Đèn Đầu thuththu
Dòng thay đổi Đầu dò 1mm Mẫu R A V
Từ phổ đo truyền qua ta có thể đánh giá sơ bộ độ rộng vùng cấm Eg. Trước tiên ta khảo sát sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ α theo năng lượng ánh sáng tới qua công
thức: ( )m g E E − =α0 α (2.1)
Trong đó, E = hνlà năng lượng photon,α0 là hằng số không phụ thuộc vàoE, m = 2 (đối với màng ZnO được xem là chất bán dẫn) là dịch chuyển không thẳng cho phép. Từ dãy bước sóng đã chọn trong khoảng 300-400 nm, ta có mối liên hệ
( ) ( ) m eV Eg µ λ0 24 . 1 = (2.2) Trong đó λ0 độ dài sóng tới hạn, được ngoại suy từ đường cong phổ truyền qua khi T% = 0.
2.3.3 Xác định diện trở suất của màng bằng phương pháp đo bốn mũi dò.
SVTH: Nguyễn Thị Thu Trang Trang 35
Điện trở suất ρcủa mẫu là thông số quan trọng, nó có thể liên hệ với độ bẩn của mẫu (ví dụ như quá pha tạp) như là hiệu ứng một chiều trên đặc tính thiết bị. Đơn giản, để xác định ρmà 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 được dùng để tiếp xúc với bề mặt bán dẫn. Dòng điện đi qua giữa hai kim bên ngoài, trong khi đó hiệu điện thế được 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, tập hợp bởi kích cỡ và bề dày mẫu, từ đó suy ra biểu thức liên hệ dòng cung cấp, hiệu điện thế khác nhau và điện trở suất của mẫu.
Trường hợp mẫu bán vô hạn, điện trở suất được cho bởi công thức
I V s) 2 ( π ρ = (2.3) S: khoảng cách giữa các đầu dò
Trong trường hợp màng hai chiều mỏng. Ở đây 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”, R (Ohm/square) hay (Ω/ ).
) . ( .t cm Rs Ω = ρ (2.4) Và điện trở mặt cho hai hướng
/ ( . 53 . 4 . 2 ln . = Ω = I V I V G Rs π ) (2.5) Mẫu tạo bởi quá trình khuếch tán có độ sâu lớp khuếch tán t thì
4.53. . ( / )t V I
ρ = Ω W (2.6)
2.3.4 Xác định cấu trúc và kích thước hạt bằng nhiễu xạ tia X.
Nhiễu xạ tia X trên tinh thể khi bước sóng của nó tương ứng với tính tuần hoàn mạng tinh thể. Sự nhiễu xạ tia X cho thông tin về mạng tinh thể 3 chiều khi θ (góc tới)
c
θ
≥ (góc giới hạn), có thể xác định được tinh thể, phân biệt các dạng kết tinh khác nhau của cùng một chất, các biến thể. Với phương pháp này mẫu không bị phân huỷ, chỉ cần một lượng nhỏ có thể phân tích được, nên phương pháp này có thể dùng khảo sát cấu trúc của màng mỏng.
-Xác định cấu trúc:
Phương pháp nhiễu xạ tia X dùng để khảo sát màng mỏng là phương pháp Bragg- Brentano. Theo công thức nhiễu xạ Bragg, khi chiếu chùm tia X có bước sóng λ lên một tinh thể, mỗi nút của mạng trở thành một tâm nhiễu xạ. Sự nhiễu xạ xảy ra theo mọi phương nhưng mạnh hơn cả là theo phương phản xạ gương. Ta xét một họ mặt nguyên tử song song cách đều nhau một khoảng dhkl.
Hình 2.9: Sự nhiễu xạ tia X trên các mặt nguyên tử
Giả sử chùm tới nằm trong mặt phẳng của hình. Hiệu quang lộ giữa các tia phản xạ từ các mặt lân cận bằng 2dhklsinθ . Sóng phản xạ từ các mặt kế tiếp nhau sẽ được tăng cường khi hiệu quang lộ bằng một số nguyên lần bước sóng λ .2dhkl sinθ =mλ .
Công thức này gọi là công thức nhiễu xạ Bragg hay điều kiện nhiễu xạ Bragg. Từ lập luận đơn giản như trên ta thấy công thức Bragg là hệ quả của tính chất cơ bản của tinh thể tính tuần hoàn không liên quan gì đến thành phần hoá học của tinh thể cũng như cách sắp xếp của các nguyên tử trong những mặt phản xạ. Các yếu tố đó ảnh huởng đến cường độ của chùm nhiễu xạ, một thông số quan trọng khi phân tích định lượng.
- Xác định kích thước hạt
Các vạch nhiễu xạ đo ở giai góc2θ , chúng có thể liên hệ với hằng số mạng tinh thể theo công thức Bragg. Với m=1 bước sóng được dùng là λCuKα =1.5406A0 và θ là góc nhiễu xạ bậc nhất. Bán kính hạt theo Scherrer là
θ θ λ cos ) 2 ( 9 . 0 ∆ = b Mặt sóng tới
2.3.5 Xác định nồng độ hạt tải và độ linh động bằng phương pháp đo Hall
Phép đo hiệu ứng Hall là công nghệ được sử dụng rộng rãi để xác định mật độ hạt tải và độ linh động trong vật liệu bán dẫn. Hơn nữa, từ phép đo Hall 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
Fr =q Vr ×Br (2.7)
Với VD =µ.E: vận tốc cuốn của hạt tải; μ: độ linh động của hạt tải.
Theo hình trên, FL chỉ có thành phần theo phương y, nên phương trình (2.7) có thể viết lại:
Fy = - q.VD.Bz = - q.μ.Ex.Bz (2.8) Dưới tác dụng của lực Lorentz, các hạt tải mang điện sẽ di chuyển theo như mô tả trong hình 2.10:
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 của Fr trong cả hai trường hợp là như nhau, vì có sự đổi dấu đồng thời giữa điện tích q và vận tốc dòng cuốn VD. 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 (2.9)
Ey = - μ Ex Bz (2.10)
Từ đó 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 Hall z x E R B j = (2.11)
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 µ µ µ σ σ µ − − − = = − = = (2.12)
CHƯƠNG 3:
CHẾ TẠO MÀNG ZnO PHA TẠP Sn BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON DC
3.1 Chế tạo bia gốm ZnO và SZO
Để thuận tiện trong việc so sánh kết quả, chúng tôi chế tạo hai loại bia gốm là ZnO không pha tạp và ZnO pha tạp Sn (SZO) với các thành phần pha tạp lần lượt là 1%, 2%, 3%, 4% .Các loại bột ôxít tinh khiết được sử dụng là ZnO 99%, SnO2 99.5%. Quy trình chế tạo các bia gốm ZnO và SZO được tóm tắt theo sơ đồ hình 3.1:
Hình 3.1: Quy trình chế tạo bia gốm ZnO và SZO
Bột ZnO TQ 99% Nghiền phương pháp ướt Sấy sàng Trộn với bột Sn02 Sàng cho thật đều Trộn keo Ép Nung và mài Thành phẩm
a) Nghiền ướt:
Hình 3.2: Máy nghiền ceramic sassuolo_Italy
Bột ZnO khối lượng 500 gam (Vì sự hạn chế của kích thước của các dụng cụ chế tạo bia nên để đạt hiệu quả tốt trong quá trình nghiền ta chỉ nghiền mỗi lần là 500 gam bột ZnO) đổ vào bình đựng cùng với 400 gam bi nhỏ, 150 gam bi lớn rồi sau đó đổ 400 ml nước cất vào.
Bỏ bình vào máy nghiền ceramic Instrument srl Sasuolo xuất xứ Italy. Đây là một loại máy nghiền trên nguyên tắc dùng lực ly tâm. Bình chứa bột ZnO, bi và nước được đặt vào trong máy. Máy quay bình để tạo ra lực ly tâm làm các viên bi chuyển động nghiền và trộn bột ZnO. Để máy hoạt động tốt và tránh hư hỏng cho các dụng cụ ta nghiền 10 phút lại nghỉ 5 phút. Ta nghiền bột ZnO trong 5 giờ thì phải bật tắt trong 30 lần, thời gian tổng cộng cho quá trình này khoảng 10 giờ. Đây là một quá trình tốn thời gian khá nhiều trong chế tạo bia. Nghiền bi bằng phương pháp ướt có các ưu điểm sau đây :
* Khi nghiền ướt, sức căng bề mặt nước sẽ giúp tăng cường quá trình nghiền. * Đạt được độ đồng nhất cao vì vừa có tác dụng nghiền vừa có tác dụng trộn đều. * Hợp vệ sinh mà không cần bao che.
* Ít tiêu tốn năng lượng so với nghiền thô.
Trong phương pháp này ta thu được sản phẩm bột có độ mịn từ 5-10 μm. Khi đã đạt được độ mịn trên thì cho dù ta có kéo dài thời gian nghiền thì ta cũng không thể thu được vật liệu có độ mịn tốt hơn. Nếu cần độ mịn cao hơn thì ta cần phải sử dụng những phương pháp nghiền khác. Máy nghiền bi trong công nghệ gốm sứ thường dùng bi bằng sứ, bằng đá cuội do nó có tỉ lệ hao mòn ít và không làm lẫn tạp trong quá trình nghiền vào vật liệu cần nghiền. Tỉ lệ đưa vào cối nghiền như sau: nguyên liệu: bi: nước= 1: 2: 1 hoặc 1: 1: 0.5[2]
b) Sấy – rây nhuyễn:
Hình 3.3: máy sấy
Sau khi công đoạn nghiền ướt được thực hiện xong ta lấy bột đang ướt trong bình đựng dùng để nghiền ra. Bỏ cả bột và bi đang ướt vào trong máy sấy. Sấy ở nhiệt độ 1200C trong thời gian khoảng hơn 12 giờ thì bột ZnO khô. Khi đó ta thu được bột ZnO dưới dạng khô, vón cục và lẫn cả bi.
Công việc yêu cầu tiếp theo là tách bi ra khỏi bột ZnO. Do bột ZnO vẫn ở dạng vón cục, ta dùng muỗng cà phê nghiền bằng tay cho nhuyễn ra sau đó ta dùng ray để ray nhuyễn số bột trên. Ta ray bằng cái ray 60 (có 60 lỗ trên một mm2 đường kính hạt 0.3mm) trước. Ray bằng ray 60 trước để làm nhuyễn bột ZnO dưới dạng thô, sau đó
đoạn ray tinh để tạo ra bột ZnO nhuyễn, qua hai lần ray bằng hai loại ray 60 và 80 thì ta đã tạo ra được ZnO có kích thước tinh thể khoảng 0.2mm.
Quá trình sấy sàng (ray) kết thúc ta thu được bột ZnO mịn với kích thước hạt