báo cáo thực hành vật lý hạt nhân phần 3 pdf

Công nghệ vật liệu và dụng cụ điện GVCN: Trần Kim Cương

SVTH:
Nguyển Văn Cường

Trang 1
BÀI TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU DỤNG CỤ
ĐIỆN TỬ

Câu 1: Phương pháp tạo màng bằng phún xạ Catod.
Khi động năng vượt quá 4H hì bắt đầu xẩy ra sự đánh bật và giải phóng
nguyên tử khỏi bề mặt để chuyển sang pha hơi. Hiện tượng này được gọi là
hiện tượng phún xạ(Sputtering).
Quá trình phún xạ thường kéo theo sự dòch chuyển của các nguyên tử
trên bề mặt và sự hư hỏng tạm thời hoặc vỉnh viển.
Có nhiều phương pháp tạo màng khác nhau như phương pháp Epitaxi,
phương pháp Planar trong đó có phương pháp phún xạ.










Các hiện tượng xảy ra ở đây phụ thuộc và năng lượng bắn phá chủ yếu
là động năng (do thế năng bằng 0).
Động năng của ion dùng cho quá trình tạo màng phún xạ thường nằm
trong khoảng từ mức ngưởng cho tới khoảng 5Kev.

Do m ion > m e
-
, năng lượng bắn phá m vôn: m ion = mv
2
/2 >m e
-
để
đạt được mức năng lượng bắn phá lớn thì chỉ cần gia tốc vận tốc v.
Cơ chế là dùng Ion bắn phá và bản cực đó là Catod (-) và ion (+) do đó
bản thân nguyên tử bò bắn phá đã gia tốc nên gây ra hiện tượng phún xạ
hay bay hơi (bay hơi không phải do nhiệt mà do bắn phá). Động năng bắn
phá xấp xó mức ngưỡng 5Kev.
# Hiệu suất phún xạ: Hiệu suất phún xạ được đánh giá bằng số nguyên tử
được giải phóng khỏi bề mặt vật liệu đó dưới tác dụng của ion.
Hiệu suất phún xạ thay đổi theo ion nhiều hơn là theo loại nguyên tử vật
liệu làm bia và nó phụ thuộc vào góc tới của ion, góc tới tăng thì hiệu suất

e
-
E, ion, ntử, phần tử
Hạt bắn phá
ntử
Hệ này nằm
trong mô hình hút
chân không
Hạt bắn
phá e,
ion (được
gia tốc
thường)

Công nghệ vật liệu và dụng cụ điện GVCN: Trần Kim Cương

SVTH:
Nguyển Văn Cường

Trang 2
tăng theo.Đặc biệt khi năng lượng ion cao hơn thì việc tăng góc tới sẻ giới
hạn sựbtăng tương tác bề mặt và do vậy hòeu suất củng được tăng lên.
Hiệu suất phún xạ phụ thuộc vào ion khí trở (cụ thể là Ar
+
), Ar cho được
hiệu suất cao nhất (cột cuối của bảng tuần hoàn(7,8: cột cuối)). Do đó phải
cung cấp một năng lượng lớn nhưng chỉ còn vài % năng lượng là có ích còn
lại phải cung cấp cho tấm kim loại, để biến thành nhiệt. Ngoài ra hiệu suất
phún xạ còn phụ thuộc vào điện áp trên Catod.
Đặc biệt phương pháp phún xa không dùng nhiệt vì hiệu suất phún xạ
phụ thuộc rất ít vào nhiệt độ.
Tóm lại hiệu suất () phún xạ phụ thuộc chủ yếu Ion đạn (hiện nay lý
thuyết chưa giải thích được) góc bắn phá hay góc tán xạ (hiểu theo cơ chế
của sự tán xạ).
Ta phải hút chân không để tránh sự va chạm giữa các điện tích với phân tử
khí. Hiện tượng này xảy ra tương tự như hiện tượng phóng điện trong khí
kém (áp xuất thấp). Đối với những hạt có bức xạ cao đòi hỏi mức năng
lượng trung bình nghóa là phải nhỏ hơn những bức xạ khác.
# Ngưởng phún xạ: Là năng lượng nhỏ nhất của ion bắn phá có thể gây ra
hiện tượng phún xạ. Mổi loại có một hiện tượng phún xạ khác nhau và
ngưởng phún xạ nó liên quan đến thế năng tương tác của vật liệu vì vậy
phải có ngưởng phún xạ.

Câu 2: Giải thích các thành ngữ trong hiện tượng phóng điện khí kém cùng

với A
o
, vùng sáng catod, vùng tối Crook.
Hầu hết các thiết bò tạo màng trên co sở phún xạ đều ít nhiều có liên
quan đến quá trình phóng điện khí kém có hai điện cực được nối với điện
áp cap một chiều, điện cực nới với cực âm catod, điện ngược nối với cực
dương anod. Khi điện áp tăng quá giá trò mức ngưỡng gọi là đánh thủng.
Khi số lượng ion đủ lớn nó sẽ tích tụ phía trước catod, tạo ra một vùng điện
tích không gian cục bộ làm cho điện trường phía trước catod tăng mạnh. Và
khi hiện tượng đánh thủng xuất hiện thì số lïng e
-
thứ cấp tạo ra ở catod
đủ lớn để duy trì quá trình phóng điện suy ra gọi là quá trình phóng điện
duy trì.
Vùng tối crook là vùng mà có các ion dương tính tập trung nhiều, chiều dài
của nó xấp xỉ với chiều dài quảng đường trung bình mà e
-
đi qua kể từ
catod cho tới khi thực hiện va chạm ion hoá đầu tiên. Do điện trường trong
vùng tối crook lớn nên e
-
đi qua vùng này khá nhanh khi các e đi tới mép
Công nghệ vật liệu và dụng cụ điện GVCN: Trần Kim Cương

SVTH:
Nguyển Văn Cường

Trang 3
của vùng sáng âm cực và bắt đầu tạo ra một số lượng cặp e
-

- ion đáng kể
thì ưu thế của điện tích dương sẽ bò giảm nhanh. Khi các ion dương đi tới
mép của vùng tối crook (do hiệu ứnh khuyếch tán chứ không phải do tác
dụng của điện trường) thì no sẽ bò hút bởi điện thế âm của catod. Khi cac e
-

bay tới vùng sánh âm cực thì nhận được gần như toàn bộ năng lượng của
vùng sụt thế catod suy ra năng lượng này sẽ bò mất dần sau các va chạm
ion hoá và kích thích. Cuối cùng năng lượng e
-
không đủ để tạo nên ion
(xảy ra tại mép của vùng sánh âm cực) do đó các e
-
bắt đầu tích tụ ở đó tạo
ra một vùng có điện tích không gian hơi âm suy ra đó là vùng tối thứ hai –
vùng tối faraday.
phần còn lại của ống phóng điện từ mép xa vùng tối faraday cho tới
anod sẽ có nguồn cấp cho các e một cách ổn đònh và có điện trường nhỏ.










Do đó sau khi khuếch tán qua vùng Faraday các e

-
lại được gia tốc và
được mô tả bằng phương trình.
Io: Dòng e
-
sơ cấp.
: Số e tạo ra/chiều dài của e


d: Khoảng cách giữa hai đện cực

γ : số e
-
thứ cấp



Hầu hết quá trình phún xạ dùng để tạo màn nằm âu trong vùng dò
thường. Nếu làm việc ở chế độ tiêu chuan thì mật độ dòng điện quá nhỏ để
có thể phún xạ vật liệu catod (với một vận tốc đủ lớn). Ngoài ra vì sụt áp
trên catod khá nhỏ nên hiệu suất phún xạ cũng nhỏ.


plasma
Catod
Vùng sáng
catod
Vùng sáng âm
cực
Vùng sánh

anod
Anod
+Va
Vùng tối
anod
Vùng tối
faraday
Vùng tối
artor
Vùng tối
crook
Ioexp(d)
1 – γ [exp(d)- 1]

I =
Công nghệ vật liệu và dụng cụ điện GVCN: Trần Kim Cương

SVTH:
Nguyển Văn Cường

Trang 4
Câu 3: Quá trình phún xạ điện tự duy trì phụ thuộc vào cá yếu tố.
Quá trình phóng điện yêu cầu mật độ dòng điện phải tối thiểu để tạo ra
các e
-
thứ cấp đủ cho việc tự duy trì. Nếu công suất cấp cho ống phóng
điện tăng thì ống phóng điện sẽ tự điều chỉnh bằng cách tăng tiết diện vùng
sáng âm cực sao cho mật điện ở vùng catod không đổi. Nếu mật độ dòng
điện không tăng lên thì điện áp ở vùng tối không đổi điện áp này gọi là
“sụt áp catod chuẩn" nó là giá trò tối thiểu để duy trình quá trình phóng

điện. Quá trình phóng điện tự duy trì còn phụ thuộc vào số lượng e
-
phát xạ
tại catod bở các ion dương từ vùng sáng âm cực, do đó vò trí ở anod ít ảnh
hưởng tới đặc tính điện ở vùng phóng điện. Nếu anod dòch chuyển ngày
càng gần tới anod. Thì tới một lúc nào đó coat dương sẽ bò triệt tiêu và
vùng tối Paraday sẽ bò biến mất.
Do đó để duy trì quá trình phóng điện cần tăng điện áp cao hơn nữa nhằm
tăng hệ số phát xạ e
-
thứ cấp để bù cho số ion dương bò giảm. Còn nếu
anod được đẩy tiếp vào mép của vùng tối thì không có ion được tạo ra và
sẽ không có sự phóng điện tự duy trì, điều này xảy ra ngay cả khi điện áp
đặt vào là rất lớn.

Câu 4: vật liệu Nanomet.
Cấu trúc của tinh thể nanomet có điểm gì khác so với tinh thể thông
thường các đặc trưng vật lý của tinh thể nanomét có những gì khác so với
tinh thể thường – giải thích.
Ta thấy rằng tính chất của các vật liệu như kim loại, vật liệu từ, hợp kim
cũng sẽ thay đổi nếu các tinh thể tạo nên chúng có kích thước nhỏ cở
nanomet. Các vật liệu đa tinh thể thường có kích thước cở các hạt tinh thể
lớm hơn một m. Do các hạt tinh thể trong vật liệu nanomet có kích thước
nhỏ nên tỷ lệ số nguyên tử nằm trong vùng biên hạt sẽ lớn hơn rất nhiều.
Do đó mà các tính chất điện, từ, cơ, nhiệt của các vật liệu tih thể nanomet
sẽ khác hẳn các vật liệu đơn tinh, đa tinh hoặc vô đònh hình thông thường.
Các vật liệu tinh thể có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp trong
đó có phương pháp kết rắn. Dựa trên phương pháp này mà cấu trúc của tinh
thể bao gồm các tinh thể thuộc thành phần tinh thể, được tạo nên bởi các
nguyên tử đònh sứ ở các nút mạng tinh thể vá các nguyên tử thuộc thành

phần biên hạt (gồm các nguyên tử nằm ở biện giữa các hạt tinh thể).
Thành phần biên hạt được coi là trạng thái rắn mới không có trật tự gần
cũng như ở xa do đó trạng thái rắn này sẽ bò những tính chất lý hoá đặc
Công nghệ vật liệu và dụng cụ điện GVCN: Trần Kim Cương

SVTH:
Nguyển Văn Cường

Trang 5
trưng riêng khác với trạng thái tinh thể hoặc vô đònh hình do vỉ cấu trúc
biên hạt phụ thuộc vào tương quan đònh hướng giữa các hạt tinh thể
nanomet và độ dốc nghiêng của biên. Nếu các hạt tinh thể có đònh hướng
ngẩu nhiên thì vi cấu trúc biên hạt (khoảng không gian trống của các hạt
tinh thể) sẽ rất khác nhau giữa các biên hạt khác nhau.

Câu 5: Công nghệ chế tạo vật liệu tinh thể nanomet có những đặc điểm
giống và khác nhau so với công nghệ vật liệu chế tạo màng mỏng như sau:
Công nghệ chế tạo vật liệu tinh thể nanomet cũng được chế tạo bằng
phưng pháp phún xạ nhưng phún xạ các bia đặt đối diện. Hệ phún xạ catod
này thì nó đơn giản hơn vì chỉ bao gồm một buồng chân không, một bia chế
tạo từ vật liệu dùng để phún xạ tạo màng và một đế để lắng động màng
và để nâng cao hiệu suất thì người ta đưa vào buồng phún xạ một từ trường
để điều khiển chùm điện tử để nâng cao hiệu suất ion hoá phí của chùm
điện tử suy ra hiệu suất cao.
Trong khi đó phún xạ catod cho hiệu suất thấp (hiệu suất cao nhất khi các
ion nằm ở coat cuối bảng tuần hoàn). Cơ chế của phương pháp phún xạ các
bia đặt đối diện (OST) cũng giống như phún xạ catod là dùng ion để bắn
phá (các ion được gia tốc trường), các ion khí mang điện tích sẻ được gia
tốc trong điện trường và đập vào bia catod truyền năng lượng và bắn các
nguyên tử của bia ra ngoài. Đối với phương pháp (OST) này đế được nối

đất hoặc treo lơ lửng có thể làm lạnh hoặc nung nóng đến một nhiệt độ
nhất đònh tùy theo yêu cầu vật liệu màng cần chế tạo(dưới 80
o
k). Còn đối
với phún xạ catod thì không dùng nhiệt vì hiệu suất phụ thuộc rất ít vào
nhiệt độ.

Câu 6: Dự đoán vật liệu tinh thể nanomet có những tính chất đặc biệt sau:
Bao gồm tính: Siêu dẻo, siêu thuận từ, siêu cứng, siêu dẩn và siêu điện
môi.
Các vật liệu mà được chế tạo từ các tinh thể có kích thước nhỏ cở
nanomet có thể chòu được một lực kéo tương đối mà không bò phá huỷ,
chiều dài của nó có thể tăng lên 100% lần mà không bò phá huỷ do đó vật
liệu này có tính chất siêu dẻo(dể biến dạng) bởi vì do các hạt có kích thước
cực nhỏ, nên các vật liệu có kích thước cở nanomet thường có bề mặt liên
kết rất lớn và vì vậy chúng níu kéo nhau nhờ các lực liên kết bề mặt này.
Vì vậy nếu giữa các có tạp chất thì tính siêu dẻo sẻ bò giảm đáng kể.
Công nghệ vật liệu và dụng cụ điện GVCN: Trần Kim Cương

SVTH:
Nguyển Văn Cường

Trang 6
Sự đống góp của năng lượng biên của các domen từ sẻ tăng lên khi kích
thước hạt nhỏ đi. Tuy nhiên, nếu kích thước của các hạt vật liệu càng nhỏ
thì việc hình thành các biên domen sẻ không thuận lợi. Khi đó ta có loại
vật liệu từ với momen từ đơn độc. Momen từ  không phải là momen từ
của một nguyên tử mà là momen từ của một hạt đơn độc giữa hàng ngàn
nguyên tử liên kết sắt từ với nhau và có giá trò rất lớn. Do có sự giống và
khác nhau này nên trong trạng thái cân bằng nhiệt này gọi là trạng thái

siêu thuận từ.
Đặc điểm của nó là các đường từ hoá đo ở các nhiệt độ khác nhau sẽ chồng
lên nhau. Khi nhiệt độ lớn (T> 250
0
k) thì đường từ hoá sẽ chồng lên nhau
và các hạt ở trạng thái siêu thuận từ và ngược lại.
Điện trở suất cũng như sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở suất trong các
vật liệu kim loại nanamet được xác đònh bởi sự tán xạ của điện tử không
phải chỉ ở trong lòng các hạt mà còn ơ biên. Các vật liệu nanomet có điệt
trở suất cao hơn rất nhiều và hệ số nhiệt điện trở cao hơn rát nhiều so với
các vật liệu khác. Ngoài ra các vật liệu tinh thể nanomet cũng cách điện
rất tốt.