Chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu zno pha tạp al và mn


và Mn



i hc Khoa hc T nhiên
 ngành: ; 60 44 07

 2012

Abstract: 


 
--yAlyO.

Keywords: ; ; ; 

Content
MỞ ĐẦU

 
hu



công ngh :    
         thâ  

Trong này,  , 



, chúng tôi  




u p Al 

 






2



CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZnO
1.1. Cấu trúc mạng tinh thể ZnO:
 c giác wurtzite 

C
4
6v
– P
6
3
mc. M 

u) và (1/3; 2/3; 1/3 +
uu = 3/5. (hình 1.





Hình 1.1: Cấu trúc lục giác wurtzite [3].

6] là:

1.2. Cấu trúc vùng năng lƣợng của ZnO dạng lục giác wurtzite:
      
A
II
B
VI

A
II
B
VI
ng.
u wurtzite.





[3]

ư
O
2-
Zn
2+

3


1.3. Tính chất điện của ZnO


1.4. Tính chất quang của ZnO
Ph hunh quang ca ZnO tn ti hai ci phát x.
1.5. Tính chất từ của ZnO:
i ta nhn thy rng ZnO là mt vt liu ny trin vng cho vic pha tp st
t.


CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. Phương pháp chế tạo mẫu:
Trong , Al 

Phƣơng pháp gốm:

1-x
Mn
x
O và Zn
1-x

Al
x
O



Hình 1.3: Đường cong từ hóa phụ thuộ c nhiệ t độ củ a dây Zn
1-x
Mn
x
O (x = 0,13) tạ i từ
trường 500 Oe. Phía góc trên là đ ường từ trễ củ a quá trình từ hóa thu đ ược ở nhiệ t
độ 5K [5].
Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng (a)- theo Birman và (b)- theo Thomas
của ZnO ở lân cận k=0.

4
2.2. Các phép đo
2.2.1. Phép đo tính chất cấu trúc:
2.2.1.1. Phép đo nhiễu xạ tia X (XRD):

t, p





2.2.1.2. Phép đo hiển vi điện tử quét (SEM):
.     và nguyên     SEM  mô  trên hình 2.3.

2.2.1.3. Phép đo tính chất từ:
          
1-x
Mn
x
      

 .
2.2.1.4. Phép đo tính chất quang:
 Phép đo phổ tán xạ Raman:
Hình 2.1: Nhiễ u xạ tia X góc
nhỏ [5].
Hình 2.2: Thiế t bị nhiễ u xạ tia
X, D5005 – Bruker, Siemens.
Hình 2.3 :Mô phỏng tương tác chùm
đ iệ n tử với chấ t rắ n.
Hình 2.4: Máy SEM Jeol- JSM5410LV.

5

Trong  
 các 
1-x
Mn
x
O , Zn
1-y
Al
y

O 
  
-ng laser kích thích là 632,8
nm.
2.2.1.5. Phép đo tính chất điện



:




CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Trong 

, 
1-x
Mn
x





1-
y
Al
y









.
3.1. Kết quả của hệ mẫu Zn
1-x
Mn
x
O:
3.1.1. Tính chất cấu trúc của hệ mẫu Zn
1-x
Mn
x
O:
3.1.1 .1. Phổ nhiễu xạ tia X:
Kt qu kho sát tính cht cu trúc da vào ph nhiu x tia X (XRD) ca h mu Zn
1-
x
Mn
x
O c trình bày trên hình 3.1.
0
'
Ct
A






0
"
2
Gt
fA




  

6
Nhìn vào ph nhiu x ta thy: Tt c các mu có cu trúc lc giác wurtzite vnh
ng là (100), (002), (101), (102), (110), (103)  .
3.1.1.2. Ảnh SEM và phổ tán sắc năng lƣợng EDS của hệ mẫu Zn
1-x
Mn
x
O:
 Ảnh SEM:
nh SEM ca h mu khi Zn
1-x
Mn
x
O nung  1100
o

C 



3.2.


a) x = 0,00
b) x = 0,02


c) x = 0,04
d) x = 0,06
20 30 40 50 60 70
*
*
C-êng ®é
(®.v.t.y
)
2 theta (®é)
(100)
(101)
(002)
(102)
(110)
(103)
(112)
(200)
(201)
*

Zn
1-x
Mn
x
O
x=0,10
x=0,08
x=0,06
x=0,04
x=0,02
*: ZnMn
2
O
4


x=0,00

Hình 3.1: Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của hệ mẫu khối Zn
1-x
Mn
x
O.


7


e) x = 0,08
f) x = 0,10

Hình 3.2: Ảnh SEM của hệ mẫu Zn
1-x
Mn
x
O.
 Phổ tán sắc năng lƣợng EDS:
 nh thành phn các cht có trong mu, chúng tôi tin  tán sc
ng (EDS).Trên các ph 



3.3 3.4 ch xut hin ba thành phn Zn, Mn
và O, không xut hin nguyên t nào khác.
Hình 3.3: Phổ tán sắc EDS của mẫu Zn
0.94
Mn
0.06
O

3.1.2. Kết quả đo Raman của hệ mẫu Zn
1-x
Mn
x
O:
nh 3.4   Zn
1-x
Mn
x
O







 . H3.7  3.12 
 













 

0,00 0,10.

8
200 300 400 500 600 700 800 900
0
100
200
300

400
500
600
700
800
C-êng ®é (®.v.t.®)
Sè sãng (cm -1)
0%
2%
4%
6%
8%
10%
E
2low
A
1
(TO)
E
1
(TO)
E
2
(high)
A
1
(LO)

Hình 3.6: Phổ tán xạ Raman của hệ mẫu Zn
1-x

Mn
x
O.
200 300 400 500 600 700 800 900
2000
4000
6000
8000
C-êng ®é (®.v.t.®)
Sè sãng (cm
-1
)
ZnO
332 cm-1
378 cm-1
412 cm-1
437 cm-1
528 cm-1

Hình 3.4: Phổ tán xạ Raman của mẫu ZnO chưa pha ta
̣
p.

Khi tng n  pha t   s d
chuy c các nh
-1
và 522 cm
-1

sang 414 cm

-1
và 526 cm
-1
.
3.1.3. Kết quả đo tính chất từ của hệ mẫu Zn
1-x
Mn
x
O:

-0.08
-0.04
0.00
0.04
0.08
M (emu/g)
H (kOe)
x = 0
x = 0.02
x = 0.04
x = 0.06
x = 0.08
x = 0.1
-5
-10-15 5
10
15

9





Hình3.5: Đường cong từ trễ của hệ mẫu khối Zn
1-x
Mn
x
O.


3.2. Kết quả đo của hệ mẫu Zn
1-y
Al
y
O:
3.2.1. Kết quả đo tính chất cấu trúc của hệ mẫu Zn
1- y
Al
y
O:
3.2.1.1. Phổ nhiễu xạ tia X:
3.14 l 
1-y
Al
y
O.
20 30 40 50 60 70

(201)
(112)
(200)
*
*
**
*
*
*
2.thetha (®é)
C-êng ®é (®.v.t.y)
y=0,00
y=0,03
y =0,06
y=0,09
y=0,12
y=0,15
*: ZnAl
2
O
4
(100)
(002)
(
1
01
)
(102)
(110)
(103)

Hình 3.6: Phổ nhiễu xạ tia X của hê
̣
Zn
1-y
Al
y
O.
 (XRD) ta   trên  
a ZnO.
3.2.1.2. Ảnh SEM và phổ tán sắc năng lƣợng EDS của hệ mẫu Zn
1-y
Al
y
O
 ẢNH SEM


10
3.7 nh SEM 
1-y
Al
y
O 










 0 
15%.


a) y =0,00
b) y =0,03


c) y =0,06
d) y = 0,09


e) y= 0,12
f) y = 0,15
Hình 3.7: Ảnh SEM của hệ mẫu Zn
1-y
Al
y
O.




 3.7 ta  C 
u.
 Phổ tán sắc năng lượng EDS :









 hàn trong  
1-y
Al
y
O, 


 tán sc 

EDS g.

11

Trên  O, Al  

1-y
Al
y
O.
3.2.2. Kết quả đo Raman của hệ mẫu Zn
1-y
Al

y
O:

i 2 mode E
2 LOW
và A
1
(TO) 
E
1
(TOcm
-1
sang 418 cm
-1
,
mode E
2
(high) 437 cm
-1
sang 439 cm
-1

cm
-1

2LOW
+B1(high).
3.2.3. Kết quả đo tính chất điện của hệ mẫu Zn
1-y
Al

y
O:
3.2.3.1. Kết quả đo giá trị của điện dung (C):
  Zn
1-y
Al
y

200 300 400 500 600 700 800 900
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
C-êng ®é (®.v.t.®)
Sè sãng cm-1
0 %
Al- 3%
Al-6%
Al-9%
Al-12%
Al-15%
E
2LOW
A

1
(TO)
E
1
(TO)
E
2
(high)
A
1
(LO)
E
2LOW
+B1high

Hình 3.8: Phổ Raman của hệ mẫ u Zn
1-y
Al
y
O
Hình 3.8: Phổ tán sắ c EDS củ a mẫ u Zn
0.94
Al
0.06
O.



12
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
C (nF)
F (Khz)
0% 3 %
6% 9%
12% 15%

Hình 3.9 : Giá trị điện dung của hệ mẫu Zn
1-y
Al
y
O
i 13MHz),  có
0.  
3.2.3.2. Kết quả đo giá trị của độ dẫn điê
̣
n (G):

n.

3.2.3.3.
Kết quả
các giá
trị phần
thực của hằng số điện môi:






 C  G  ,  
 



  c 



 




.

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
-2
0

2
4
6
8
10
G (mS)
F (khz)
0%
3%
6%
9%
12%
15%

Hình 3.10: Giá trị độ dẫn phụ thuộc tn số của hê
̣
mẫu Zn
1-y
Al
y
O.

13

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
-400
0
400
800
1200

1600
2000
2400
PhÇn thùc ®iÖn m«i
F (Khz)
0%
3%
6%
9%
12%
15%

Hình 3.11: Giá trị phn thực của hằng số điện môi của hệ Zn
1-y
Al
y
O.
3.2.3.4. Kết quả các giá trị phần ảo của hằng số điện môi



1-y
Al
y







 3.29.


0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
0
50
100
150
200
250
300
PhÇn ¶o ®iÖn m«i
F (Khz)
0%
3%
6%
9%
12%
15%

0 50 100 150 200
0
50
100
150
200
250
300
PhÇn ¶o ®iÖn m«i
F (Khz)

0%
3%
6%
9%
12%
15%

Hình 3.12 : Giá trị phn ảo của hằng số điện môi của hê
̣
mẫu Zn
1-y
Al
y
O.


”



”


3.2.3.5. Kết quả đo giá trị tg():
Hình 3.13 

14
-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
0.00
0.05

0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
tg theta
F (KhZ)
0%
3%
6%
9%
12%
15%

Hình 3.13: Giá trị của tg(

) phụ thuộc tn số của hệ mẫu Zn
1-y
Al
y
O


 3.13 : n() 
1-y
Al
y

 MHz.









  
1- x
Mn
x
O và Zn
1- y
Al
y
O m 
 

 P 
.
 

: 



 










 
 

   



 x =
0,02; 0,04; 0,06 và 0,08.
 K (
 6% 
















1-yA
l
yO
.

References

15
Tiếng Việt
[1 (2006). Cơ sở vật lý chất rắn” .
[2].  (1996). Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất của các màng mỏng
A
II
B
IV
’-.
 (1999).Giáo Trình Vật Lý Bán Dẫn.
 (2007)Tạp chí phát triển KH&CN,” 
 3 .
 (2008)Chế tạo và nghiên cứu vật liệu nano ZnO và ZnO:Co bằng phương
pháp hóa sử dụng sóng viba làm xúc táci.
  (2000) Giáo trình vật lý bán dẫn 
.
[7]. N (2007).Vật lý chất rắn”.
 (2010), Báo cáo FT-Raman và Micro-Raman, TP.HCM.
 (2005), “ Nghiên cứu chế tạo và khảo sát một số tính chất của màng
mỏng trên cơ sở ZnO và khả năng ứng dụng của chúng”

 .
 (2008). Giáo Trình Vật Liệu Từ.
[11]. Tô Thành Tâm (2011). Chế tạo và nghiên cứu tính
chất điện của vật liệu ZnO pha tạp P
 (2006)tạo và khảo sát một số tính chất của vật liệu bán dẫn ZnO pha
tạp Mni.
 (2012) Chế tạo và nghiên
cứu vật liệu ZnO pha tạp Mn
 (2010), Giới thiệu về phương pháp SEM, TP.HCM.
Tiếng Anh
[15]. Ahuja R., Lars Fast, Eriksson O., Wills J. M. and Johansson B (1998), “Elastic and high
pressure properties of ZnO”, Journal of Applied Physics, 83 (12), 8065-8067.
[16]. Birman(1959), Phys. Rev. Lett. 2, 157.

16
[17]. Cari F. Herrmann, Frank W. DelRio, David C. Miller, Steven M. George,Victor M. Bright,
Jack L. Ebel, Richard E. Strawser, Rebecca Cortez, Kevin D. Leedy(2007) Alternative
dielectric films for rf MEMS capacitive switches depositedusing atomic layer deposited Al
2
O
3

/ZnO alloys135 .
[18]. Chang Y.Q, Way D.B., Luo X.H, Chen X.H (2003)Magnetic properties of Mn_doped ZnO
nanowiresAppl. Phys. Lett 83, 4020.
[19]. Chen, T.H. Fang, F.Y. Hung, L.W. Ji, S.J. Chang, S.J. Young, Y.J. Hsiao (2008) The
crystallization and physical properties of Al-doped ZnO nanoparticles  
Science 254, 57915795.
[20].Chen, T.H. Fang, F.Y. Hung

, L.W. Ji, S.J. Chang, S.J. Young, Y.J. Hsiao (2008), The
crystallization and physical properties of Al-doped ZnO nanoparticles, Applied Surface
Science 254, , 57915795.
[21]. David R. Lide, ed, (1994), CRC Handbook of Chemistry and Physics 75th edition. CRC
Press, 10227.
[22]. Dietl, H. Ohno, F. Matsukura, J. Cibert, and D. Ferrand(2000), Science 287, 1019.
[23]. Feng Zhu, Ye Zhang, Youguo Yan, Wenhai Song and Lingli Xia (2008), Bull.Mater.Sci.,
Vol.31, No.2, , pp.121124.
[24]. HE Qing-Bo, XU Jia-Yue, LI Xin-Hua, A.Kamzin, L.Kamzina,(2007), Chin. Phys. Lett.,
Vol.24, No.12 ,3499.
[25]. Huong Ngo Thu, Nguyen Viet Tuyen, Nguyen Hoa Hong (2011), Materials Chemistry and
Physics 126, 54-57.
[26]. Jacques I. Pankove (1971), Optical Processe in Semiconductors, New Jersey, USA.
[27]. Khalid Omar (2009), Investigation on Dielectric Constant of Zinc Oxide, Modern Applied
Science, Vol3, No. 2, 110 - 116.
[28]. Khalid Omar, (2009)Investigation on Dielectric Constant of Zinc Oxide
Science, Vol. 3, No. 2, 110 - 116.
[29]. Khan A. Alim, Vladimir A. Fonoberov, Manu Shamsa, and Alexander A. Balandina, Micro-
Raman investigation of optical phonons in ZnO nanocrystals, Nano-Device Laboratory,
Department of Electrical Engineering, University of California-Riverside.
[30]. Klingshim C.F (1995), Semiconductors Optics, Berlin.

17
[31]. Liua, W.F. Hsieha, C H. Hsub, K.S. Liangb, F.S S. Chienc(2006) Influence of the
threading dislocations on the electrical properties in epitaxial ZnO thin films  
Crystal Growth 297, 294 - 299.
[32]. Lu, Y. Z. Zhang, Z. Z. Ye, L. P. Zhu, B. H. Zhao, and Q. L. Liang, Appl(2006), Phys. Lett.
88, 222114.
[33]. Mohd Rafie Johan, Lim May Ting(2011), Structural, Thermal and Electrical Properties of
Nano Manganese-Composite Polymer Electrolytes,Int.J. Electrochem. Sci., vol. 6., 4737 

4748.
[34       (2006)   
tem
Sci, 7(2), , 153-159.
[35]. Murday, J. S, (2002), AMPTIAC Newsletter 6 .
[36].        -J. Cho, H.
Morkoçd (2005), J.Appl.Phys 98, 041301.
[37]. Pauling, L., The Nature of the Chemical Bond (3rd Edn.), Ithaca, NY: Cornell University
Press, (1960).
[38]. Rubi, A. Calleja, J. Arbiol, X.G. Capdevila, M. Segarra, Ll. Aragonès and J. Fontcuberta
(2007), Structural and magnetic properties of ZnO:TM (TM:Co,Mn) nanopowders J.
Magn. Magn. Mater. 317 e211-e214.
[39]. Sedky, Ayman Al- Sawalha and Amal M. Yassin (2008), Enhancement of Electrical
Conductivity of ZnO Ceramic Varistor by Al doping AVol. 31, No. (2),
205 - 213.
[40]. Shih-Shou Lo, Dison Huang, Chun Hsiang Tu, Chia-Hung Hou, and Chii-Chang Chen(2009),
Raman scattering and band-gap variations of Al-doped ZnO nanoparticles synthesized by a
chemical colloid process42 ,095420.
[41]. Shufen Wang, Zhicheng Zhang, Huarong Liu, Wei Zhang, Zhen Qian, Bibo Wang (2010),,
Colloid Polym Sci , 288, 1031–1039.
[42]. Te-Hua Fang, and Shao-Hui Kang (2010) Physical Properties of ZnO:Al Nanorods for
Piezoelectric Nanogenerator ApplicationVol 6, No. 5, 505 - 511.
[43]. Thomas, J. Phys. Chem. Solids, 15, (1960), pp.86.

18
[44]. M. Tzolov, U. N. Tzenov, D. Dimova-Malinovska, M. Kalitzova, C. Pizzuto, G. Vitali, G.
Zollo, I. Ivanov, (2000), Vibrational properties and structure of undoped and Al-doped ZnO
films deposited by RF magnetron sputtering Thin Solid Films 379, 28 - 36.
[45]. V. Vaithianathan, B. T. Lee, C. H. Chang, K. Asokan, and S. S. Kim, Appl. Phys. Lett. 88,
(2006),112103.

[46]. Q.Wan, Appl. Phys. Lett. 89, (2006), 082515.
[47]. Yi-Wei Tseng, Fei-Yi Hung, Truan-Sheng Lui, Yen-Ting Chen, Ren-Syuan Xiao, and Kuan-
  Research Article Electrical Crystallization Mechanism and Interface
Characteristics of Nanowire ZnO/Al Structures Fabricated by the Solution Method
of Nanomaterials, (2012), 6 trang.
[48]. Z.G. Yu, P. Wu, H. Gong, Physica B 401–402, (2007), 417420.
[49]. Zhang, S. H. Wei, and A. Zunger, Phys. Rev. B 63, (2001), 075205.