3.2.3.1 Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp lên cấu trúc màng
Chúng tôi tiến hành chụp phổ XRD các mẫu ZnO:Cr ứng với các nồng độ pha tạp 0%at, 2%at, 4%at, 6%at để khảo sát ảnh hưởng của chất pha tạp lên cấu trúc vật liệu ZnO. Kết quả được cho trên hình 3.73.
101
Hình 3.73 Phổ XRD của các mẫu ZnO:Cr với nồng độ pha tạp khác nhau
So với phổ chuẩn (hình3.65), phổ XRD của các mẫu đều xuất hiện đỉnh phổ đặc trưng nhưng cường độ các đỉnh phổ là khác nhau. Các phổ không xuất hiện các đỉnh lạ chứng tỏ lượng pha tạp còn ít chưa đủ để hình thành pha mới trên màng.
Trên các mẫu từ 0%at đến 6%at đều xuất hiện đỉnh đặc trưng của ZnO (100), (002), (101), trong đó mặt (002) ưu tiên phát triển nhất. Khi pha tạp tới nồng độ 4at%, màng ưu tiên phát triển mặt (002), lúc này độ bán rộng của mẫu cũng lớn hơn so với các mẫu còn lại. Với nồng độ pha tạp vượt qua ngưỡng 4at% cường độ các đỉnh đặc trưng có xu hướng giảm xuống.
Khi nồng độ pha tạp là nhỏ thì nguyên tử Cr pha tạp sẽ ưu tiên thực hiện cơ chế thay thế trong mạng ZnO. Do sự chênh lệch về bán kính giữa ion Zn2+ (Zn2+=0.74Ao)và Cr3+ (Cr3+=0.61Ao) nên với nồng độ pha tạp (4%at) cường độ đỉnh nhiễu xạ có giá trị cao nhất đồng thời định hướng tinh thể cũng rõ ràng nhất. Khi nồng độ pha tạp vượt quá giá trị này, các ion Cr3+ có xu hướng liên kết lại với nhau, dẫn đến lượng ion Cr 3+ thay thế trong mạng giảm xuống, làm cho tính định hướng của mặt (002) giảm xuống.
102
3.2.3.2 Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp lên bề mặt màng
Để kiểm tra tác động của chất pha tạp lên hình thái bề mặt màng, chúng tôi tiến hành chụp ảnh FE-SEM của các mẫu 0at%, 2at%, 4at%,6at%. Kết quả được trình bày bởi hình 3.74.
a) (b)
c) d)
Hình 3.74 Ảnh FE SEM mẫu ZnO pha tạp Cr với các tỉ lệ a) 0% at b) 2%at c) 4%at d) 6%at
Ảnh SEM cho thấy các màng có cấu trúc xốp, lỗ xốp phân bố tương đối đồng đều trên bề mặt màng. Cấu trúc xốp này của màng thuận lợi cho quá trình dò khí.
Quan sát các ảnh trên, ta thấy kích thước các đám hạt của mẫu không pha tạp nằm trong khoảng 40-65nm (hình 3.74a). Trong đó mẫu 4at% có kích thước trung bình của đám hạt nhỏ nhất khoảng 20-25 nm (hình 3.74c), hai mẫu pha tạp còn lại có kích thước trung bình của đám hạt khoảng 35-55nm, nhưng sự kết tụ thành đám ở mẫu 2at% (hình 3.74b) nhiều hơn ở mẫu 6at% (hình 3.74d). Như vậy, với lượng pha tạp 4at% kích thước trung bình của các hạt giảm, nhờ đó, độ nhạy của các màng ZnO tăng lên.
Kết quả này phù hợp với kết quả khảo sát theo độ nhạy ở trên. Từ đây, ta có thể thấy được ảnh hưởng của tạp chất pha tạp vào màng đối với cấu trúc màng, nó không những
103
giúp cho màng có định hướng tinh thể tốt mà còn làm thay đổi cấu trúc bề mặt màng qua đó làm thay đổi tính chất nhạy khí của màng.