dụng cụ đo hệ số truyền qua của màng mỏng quang học.

Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
1

Hình 17: Mô tả dụng cụ đo hệ sớ trùn qua của màng mỏng quang học.
Trong đó:

1 – gương cầu; 2 – nguồn sáng; 3 – ống kính; 4 – chắn sáng quay
M – đế chưa tráng phủ màng; CT – đế tráng phủ màng
QP – hệ tách chùm đơn sắc; Q/E – hệ chuyển đổi tín hiệu quang sang
tín hiệu điện; CT – bộ chỉ thị các giá trị φλCT và φλ M .

Ánh sáng từ nguồn được hội tụ và đi vào máy đơn sắc, bị tán sắc bởi cách tử và
hội tụ trên khe ra. Ánh sáng đơn sắc này chia làm hai tia: Một tia đi tới mẫu để đo và
mợt tia cịn lại thì đi đến mẫu tham chiếu như là một mẫu chuẩn. Ánh sáng truyền qua
mẫu và mẫu tham chiếu được đo bằng đầu dị Silicon photodiode và chủn đởi từ tín
hiệu quang sang tín hiệu điện Q/E.
Hệ số truyền qua Tλ được tính theo cơng thức sau:

(1.15)
Trong đó:

φλCT : quang năng chùm qua đế tráng phủ màng
φλ M : quang năng chùm qua đế chưa tráng phủ màng.

Màng ZnO có đợ trùn qua khá lớn nên có thể xác định khá chính xác các thông số
quang như chiết suất n, độ dày d, hệ số tắt k,độ rộng vùng cấm… của màng mỏng thông
qua các phổ truyền qua của chúng.

SVTH: Trần Văn Thảo

Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
2

Hình 18:Đường đi của ánh sáng qua màng.
ZnO là bán dẫn có độ rộng vùng cấm tương đối lớn (3,3 - 4 eV) và có độ truyền
qua cao (>80%) trong vùng ánh sáng khả kiến (0,4 < λ< 0,8 µm). Độ truyền qua giảm
mạnh khi λ< 0,4 µm do sự hấp thụ riêng của bán dẫn.

1.8. Cấu trúc ZnO
1.8.1.Cấu trúc tinh thể của ZnO.
Hầu hết các hợp chất bán dẫn hai cấu tử II-VI kết tinh ở dạng lập phương zincblende (B3) hoặc sáu phương wurtzite (B4) với mỗi anion được bao quanh bởi 4 cation
tại các đỉnh của tứ diện và ngược lại. Ở nhiệt độ phòng, wurtzite là dạng ổn định nhiệt
động, trong khi đó dạng zinc-blende chỉ có được khi kết tinh trên đế có cấu trúc lập
phương, và dạng rocksalt (NaCl-B1) chỉ tồn tại ở áp suất cao. ZnO wurtzite dạng sáu
phương có cấu trúc xếp chặt như sau:

SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
3

Hình 19
Trong cấu trúc wurtzite, các ion O2- và Zn2+ thay phiên xếp chồng lên nhau theo

mạng lục giác xếp chặt, trong đó mỗi anion được bao quanh bởi 4 cation và ngược lại.
Các ion Zn2+ chiếm phân nửa số vị trí tứ diện trong mạng này. Số phối trí 4 này đặc
trưng cho liên kết cộng hố trị sp3, tuy nhiên ZnO có bản chất liên kết chính là liên kết
ion (62%) [17,19]. Hằng số mạng a = 3,246 A0 và tỷ lệ trục c/a=1,602. Các nút khuyết
ôxy trong mạng là nguyên nhân làm cho ZnO mang tính bán dẫn loại n.
Độ dẫn điện của màng ZnO nhiều khi không đủ cao để đáp ứng trong một số
thiết bị. Để tăng thêm tính dẫn điện của màng ZnO ta phải tìm cách pha tạp. Chất pha
tạp thường là các nguyên tố nhóm III trong bảng hệ thống tuần hoàn như Al, Ga… Việc
lựa chọn chất pha tạp phụ thuộc vào phương pháp tạo màng, điều kiện tạo màng và mục
đích sử dụng. Khi pha tạp nhơm (Al) vào mạng ZnO, nồng độ hạt tải electron tăng lên
và vật liệu dẫn điện tốt hơn.
Trong các thiết bị sử dụng vật liệu ZnO, cấu trúc tinh thể màng là một đặc tính
quan trọng. Ví dụ, màng ZnO cần phải định hướng chủ yếu theo trục c vng góc với
bề mặt đế trong các bộ chuyển đổi sóng dọc (longitudinal bulk wave transducers) và bộ
lọc sóng âm bề mặt (SAW filters). Sự định hướng tinh thể theo một phương mong
muốn phụ thuộc vào điều kiện chế tạo và bản chất của vật liệu làm đế. Với những điều
kiện chế tạo thích hợp, màng ZnO thường có định hướng theo trục c ngay cả khi màng
được tráng phủ trên đế thuỷ tinh. Điều đó được lí giải vì sắp xếp theo phương này tạo
SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
4
cho màng có độ xít chặt cao nhất.Theo Ohyama, nhiệt độ sôi của dung môi ảnh hưởng
lớn đến định hướng tinh thể màng. Dung mơi có nhiệt độ sôi cao (2-methoxyethanol)
cho phép sự hồi phục cấu trúc trước khi hình thành màng, do đó màng có thể định
hướng tinh thể tốt chủ yếu theo trục c.
1.8.2. Sự tạo sai hỏng trong tinh thể chất bán dẫn ZnO.

Trong phần trên ta đã xét cấu trúc mạng tinh thể ZnO lý tưởng, tức là mạng
trong đó tồn bộ các phần tử cấu tạo nên vật rắn nằm ở các vị trí nút mạng đều tuân
theo qui luật đối xứng, tuần hồn trong khơng gian tinh thể. Tuy nhiên trong tinh thể
thực luôn tồn tại các sai hỏng trong cấu trúc.
1.8.3. Sai hỏng điểm trong cấu trúc.
Trong tinh thể ZnO thực ln có những ngun tử (hoặc ion) có khả năng bật ra
khỏi vị trí cân bằng (vị trí nút mạng) và đi vào vị trí xen kẽ giữa các nút mạng, hoặc dời
khỏi mạng tinh thể, để lại một vị trí trống (nút khuyết) ở nút mạng cân bằng cũ. Có 2
dạng sai hỏng điểm (point defects):
-Sai hỏng Frenkel: nguyên tử dời khỏi nút mạng và xen lẫn giữa mạng, để lại nút
khuyết tại vị trí nút mạng (khơng có nguyên tử).
-Sai hỏng Schottky: nguyên tử dời khỏi mạng tinh thể, để lại nút khuyết ở nút
mạng.

Hình 20: Mơ tả sai hỏng trong cấu trúc tinh thể.

SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
5
Khi T> 0K, xét về mặt năng lượng, trong các tinh thể thực luôn tồn tại sai hỏng
điểm, điều này có thể chứng minh như sau. Gọi số nút khuyết trong mạng tinh thể là n,
trạng thái bền vững nhiệt động của hệ cân bằng với n nút khuyết tương đương với cực
tiểu năng lượng Gibbs :

(1.16)
Nếu gọi Es là năng lượng tạo một nút khuyết kiểu Schottky, có thể viết :

(1.17)
∆S dd , ∆Sch : Biến đỏi Entropy dao động và Entropy cấu hình, gây nên do sự tạo nút

khuyết trong mạng tinh thể.
k - hằng số Boltzman (k=1,38062.10-23J/K)
W -xác suất của n nút khuyết trong N nút mạng.

(1.18)

Trong vật lý chất rắn, ta thường tính Entropy dao động :

(1.19)
Z trị số xấp xỉ số chỗ trống nguyên tử trong khoảng tần số dao động từ ν đến ν1.
Theo cơng thức tính xấp xỉ Sterling , x! ≈ xlnx-xcó thể viết :
lnW=N lnN - (N-n)ln(N-n)nln(n)

(1.20)

Thay vào cơng thức tính ∆ G ở trên, ta có:

SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
6

(1.21)

Lấy vi phân ∆ G theo n ta có :

(1.22)
Kết hợp với giả thuyết ban đầu, khi cân bằng

∂G
= 0 có thể tính số nút khuyết n:
∂n

(1.23)
chính là nồng độ sai hỏng trong tinh thể.
Khi T>0K  n>0, hay nói một cách khác, ln tồn tại sai hỏng điểm trong các
tinh thể thực.
Chương II – THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ BÀN LUẬN.
Chúng tôi tiến hành nghiên cứu gồm các bước cụ thể sau đây:
1. Tạo màng ZnO trên đế thuỷ tinh, xác định tính chất quang và cấu trúc của màng.
2. Tạo màng ZnO trên đế Si loại p(111) và loại n(100), xác định cấu trúc của
màng.
3. Chế tạo màng ZnO trên đế Si(111) có lớp đệm Ti, xác định cấu trúc và so sánh
với cấu trúc màng khơng có lớp đệm Ti.
Để thực hiện được các mục tiêu trên, trước tiên chúng tôi phải tiến hành chế tạo bia
(target) gốm ZnO. Tạo màng bằng phương pháp phún xạ DC.
silic phải được rửa bằng axit HF: H2O (1:20), sau đó đưa vào buồng chân khơng
phóng điện rửa đế trong khoảng 15 phút để loại bỏ lớp oxit trên bề mặt đế.

SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
7
Lớp đệm Ti được chúng tôi chế tạo bằng phương pháp phún xạ DC từ bia kim loại
Ti. Thời gian phún xạ là 3-5 giây (điều kiện phún xạ: Áp suất nền P B=10-4 torr, áp suất
làm việc P=6.10-3 torr,dịng I=0.3 Ampe,thế V=400 Vol,cơng suất 120W, khoảng cách
bia đế h=5.0 cm), lớp đệm có bề dày khoảng 3-5 nm. Nhiệt độ đế là 1900C.

2.1. Chế tạo bia gốm ZnO.
2.1.1.Chuẩn bị vật liệu bột Oxit.
-Bột Oxit của Trung Quốc có độ tinh khiết 99.9%.
-Chế tạo bia gốm: Thành phần tồn ZnO 100%.
2.1.2.Nghiền trộn bột Oxit.
Chúng tơi sử dụng phương pháp nghiền ướt bằng máy nghiền bi li tâm của hãng
Ceramic Instruments Italy, cối sứ và bi bằng vật liệu Al 2O3. Nghiền bột với mục đích
giảm kích thước hạt. Ta trộn 396g bột ZnO với 200ml nước cất và bi nghiền (70g bi có
đường kính 20mm và 100g bi có đường kính 7mm). Tổng thời gian nghiền là 5 giờ. Sau
khi nghiền lấy bột đã nghiền ra sấy khô để bay hêt hơi nước.
Được bột khô sau khi sấy, đem chúng đi rây. Lỗ của rây nhỏ. rây nhiều lần
(khoảng 3 lần), lúc này bột đã rất mịn.
2.1.3.Định hình bia ZnO.
Bột sau khi đã rây min, trộn với một lượng keo PVA để tạo kết dính. Sau đó,
lượng bột được tạo hình bằng máy ép của Italy, với lực ép 400 kg/cm2. Tạo hai loại bia,
bia trịn và vng.

Hình 21: Sản phẩm bia ZnO sau khi hoàn thành.

2.1.4.Nung bia ZnO.
SVTH: Trần Văn Thảo

Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
8
-Sản phẩm sau khi định hình được nung ở nhiệt độ nung cực đại là 1500 oC, thời
gian ủ nhiệt là 2 giờ trong lò nung VMK 1800.
-Bia sau khi nung có đường kính 75mm. Vật liệu bia sau khi thành phẩm với độ
kết khối được đánh giá thông qua hai thông số là độ hút nước và độ co sản phẩm. Bia
có độ co dài sau khi nung là khoảng 16.67% và độ hút nước là 0.002% sau khi ngâm
trong nước 24 giờ.

2.2. Bia kim loại Ti.
Bia Ti được cắt từ bản kim loại Titan.
+ Bia có hình vng: 9cm x 9cm.
+Bề dầy 2mm.
+được lắp vào hệ Magnetron vng.

Hình 22: Bia kim loại Ti

2.3.Làm sạch lam thủy tinh và Silic.
+Lam thủy tinh: Ngâm lam thủy tinh vào sút pha lỗng khoảng 5h – 8h,sau đó
lấy lam ra rửa bằng xà phịng thật sạch,sấy khơ,làm sạch lần nữa bằng axeton.sau
đó lắp vào buồng chân khơng,được tẩy một lần nữa bằng chùm electron.
+Lam Silic : lam Silic vào axit HF lỏng khoảng 1h-3h,lấy ra rửa bằng nước sạch
thật sạch (khơng rửa bằng xà phịng),sau đó rửa lần nữa bằng axeton. Cho vào
buồng chân không và tẩy một lần nữa trong buồng chân khơng bằng chùm
electron.chùm electron có cơng dụng làm sạch và còn làm bay lớp SiO x trên bề
mặt.

2.4.Các bước trong quá trình phún xạ.

SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
9
Bước 1:Đầu tiên vệ sinh buồng chân không thật sạch, bằng axeton và khăn sạch.
Bước 2:Lắp lam (thủy tinh hoặc Silic) vào đế (trên đế có bếp nung nhiệt, và đầu
dị nhiệt) , sau đó đóng kính buồng chân không, kiểm tra không bị vướng.
Bước 3:Mở máy cho máy chạy,sau đó cho hút buồng chân khơng đến áp suất
nền 10-4 torr (10.0), trong lúc đó cho bếp nung đế.
Bước 4:Cho khí Ar vào buồng chân khơng bằng van kim đến khi áp suất hạ đến
7,5.10-2 torr (3.0), thì đóng van chính lại khơng cho hút buồng nữa, lúc này cho
tẩy đế thủy tinh bằng chùm electron trong khoảng 15 phút, sau khi kết thúc cho
hút buồng trở lại đến áp suất nền 10-4 torr (10.0).
Bước 5:Cho khí Ar vào buồng chân không bằng van kim cho đến khi đạt áp suất
6.10-3 torr (9.0), thì giữ nguyên trạng thái trên đến ổn định làm tiếp bước 6.
Bước 6:Cho điện vào hệ Magnetron, tẩy bia khoảng 10 phút (bia kim loại), 5
phút (bia gốm), sau đó cho phún xạ lện đế và bắt đầu ghi thời gian (chú ý áp suất
buồng, và dòng phún xạ).
Bước 7:Sau khi phún xong tắt hệ, cho hút buồng,chờ đợi nhiệt độ của đế giảm
xuống (càng thấp càng tốt) , lấy lam thủy tinh, được màng mỏng mong muốn.
(Màng hai lớp ở bước 6 ta cho điện vào hệ Magnetron thứ hai và phún lớp kế
tiếp).

2.5. Môi trường chế tạo màng mỏng ZnO/Si và ZnO/Ti/Si.

SVTH: Trần Văn Thảo

Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
10

Hình 23: Buồng chân khơng dùng để chế tạo màng.
-Từ trường ngang trên bề mặt bia H=580 Gauss.
-Áp suất nền PB=10-4 torr (10.0).
-Áp suất làm việc P= 6.10-3 torr (9.0).
-Dòng phún xạ ZnO I=0.2 Ampe.
-Dòng phún xạ Ti lớp đệm I=0.3 Ampe.
-Thế phún xạ ZnO V=300 Vol.
-Thế phún xạ Ti lớp đệm V=390 Vol.
-Công suất phún xạ ZnO P= 60W-70W.
-Cơng suất phún xạ Ti lớp đệm P= 110W-130W.
-Khí Ar sử dụng với độ tinh khiết 99.999%.
-Nhiệt độ đế T= 1700C-2300C.
SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
11
-Khoảng cách bia đế h=5.0cm, đối với cả ZnO và Ti.
Quy trình sử lý đế từ đầu đến lúc tạo màng:
-Đế thủy tinh và Silic đều có kích thước có kích thước 25mm x 75mm x 1mm,
đế Silic ở đây có hai loại (111) và (100).
-Trong q trình chế tạo, vận chuyển hay do tiếp xúc với môi trường xung quanh

mà Silic và thủy tinh thường bị nhiễm bẩn. Các hiện tượng hấp thụ, các phản ứng hóa
học tạo ra nhiễm bẩn bề mặt (như dầu, mỡ, mồ hôi, các axit hữu cơ,..). Khi màng mỏng
ngưng tụ trên bề mặt nhiễm bẩn, độ bám dính của màng với đế khơng tốt.Do đó việc
làm sạch đế là tối quang trọng.
+Lam thủy tinh: Ngâm lam thủy tinh vào sút (NaOH khoảng 1%) pha lỗng
khoảng 5h – 8h, sau đó lấy lam ra rửa bằng xà phịng thật sạch, sấy khơ, làm
sạch lần nữa bằng axeton. Sau đó lắp vào buồng chân không,được tẩy một lần
nữa bằng chùm electron dưới áp suất 7,5.10-2 torr (3.0), trong mơi trường có Ar.
Dịng I=10mA, thế V=600 Vol thời gian tẩy t=15 phút.
+Lam Silic : Ngâm lam Silic vào axit HF lỏng khoảng 1h-3h, lấy ra rửa bằng
nước sạch thật sạch (không rửa bằng xà phịng), sau đó rửa lần nữa bằng
axeton.Cho vào buồng chân không và tẩy một lần nữa trong buồng chân không
bằng chùm electron 7,5.10-2 torr (3.0) trong mơi trường có Ar. Dòng I=10mA,
thế V=600 Vol thời gian tẩy t=15 phút.Chùm electron có cơng dụng làm sạch và
cịn làm bay lớp SiOx trên bề mặt.

2.6.Kết quả và thảo luận.
Để xác định chiết suất, độ rộng vùng cấm, độ truyền qua ta dùng phổ truyền qua.
Cấu trúc, kích thước hạt và ứng suất màng được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ
tia X. Độ dầy của màng được xác định bằng máy đo độ dày Stylus profiler.
2.6.1.Chế tạo màng ZnO trên đế thủy tinh.
Với các thông số tạo màng:
+Mẫu I:
.Áp suất nền PB=10-4 torr.
.Áp suất làm việc P=6.10-3 torr.
.Dòng I=0.2 Ampe.
.Thế V=300 Vol.

SVTH: Trần Văn Thảo

Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
12
.Công suất 60W.
.Khoảng cách bia đế h=5.0 cm.
.Nhiệt độ đế 1800C.
.Thời gian phún xạ 20 phút.
Tạo được một màng trên đế có độ dày 760nm.

Hính 24: Phổ truyền qua của màng ZnO trên đế thủy tinh trong vùng khả kiến.

+Mẫu II:
.Áp suất nền PB=10-4 torr.
.Áp suất làm việc P=6.10-3 torr.
SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
13
.Dịng I=0.2 Ampe.
.Thế V=300 Vol.
.Cơng suất 60W.
.Khoảng cách bia đế h=5.0 cm.
.Nhiệt độ đế 1800C.
.Thời gian phún xạ 21 phút.
Tạo được một màng trên đế có độ dày 790nm.

Hính 25: Phổ truyền qua của màng ZnO trên đế thủy tinh trong vùng khả kiến.

SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
14

Hình 26: Phổ truyền qua của Mẫu I và Mẫu II
Nhận xét: MẫuII thời gian phún xạ nhiều hơn (21 phút,790nm), có độ
dầy nhiều hơn MẫuI (20 phút,760nm). MẫuII có độ truyền qua trong vùng khả
kiến cao hơn MẫuI.
Cách tính chiết suất của màng: Chiết suất của màng trong vùng truyền suốt là:

SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
15

Hình 27: Mơ tả màng.
α=

4π k
λ

(2.1)

.Vùng truyền suốt: α=0 độ truyền qua được xác định từ n và s thông qua sự phản
xạ nhiều lần
.Vùng hấp thu yếu: α nhỏ nhưng độ truyền qua bắt đầu giảm.
.Vùng hấp thụ trung bình: α lớn và độ truyền qua giảm do tác động của α.
.Vùng hấp thụ mạnh: Độ truyền qua giảm mạnh chủ yếu do ảnh hưởng của α.
2S
S 2 +1

Độ truyền qua của đế:

T=

Chiết suất của đế:

1
1
1
S = + ( 2 − 1) 2
Ts Ts

(2.2)

1

2
n = TM + (TM + S 2 ) 2

2S S 2 + 1
M=
−
Tm
2

(2.3)
(2.4)
(2.5)

Đối với màng điện mơi có độ truyền qua cao (hệ số hấp thu bằng 0), ta có:
Độ truyền qua cực đại:

TM =

2S
S 2 +1

4n 2 S
Tm độ truyền qua cực tiểu: Tm = 4 2 2
n + n ( S + 1) + S 2

(2.6)
(2.7)

SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
16
Dựa vào điều kiện kết hợp để có cực đại và cực tiểu giao thoa 2d = mλ nếu ta
tính được n(λ) tại các giá trị suất hiện các cực đại và cực tiểu thì ta tính được độ dày
của màng theo công thức:
d=

λ1λ2
2(n2λ1 − n1λ2 )

(2.8)

Dùng cách này chúng ta chỉ có thể tính chiết suất và độ dầy màng tại những
bước sóng có cực tiểu giao thoa.Ta có thể dùng cách sau để tính chiết suất của màng tại
vị trí có giao thoa cực đại lẫn cực tiểu:
1 1

n = [ N + ( N 2 − S 2 ) 2 ]2

Trong đó :

N = 2S

TM − Tm S 2 + 1
+
TM Tm
2

(2.9)
(2.10)

Dựa vào phương pháp Swanepoel này ta có thể viết ra một chương trình để tính
chiết suất và độ dầy với độ chính xác rất cao. Tuy nhiên phương pháp này có một nhượt
điểm đó là bắt buột phổ truyền qua giao thoa của chúng ta phải có ít nhất năm cặp cực
đại và cực tiểu.

Hình 28: Trong luận văn này xác định độ dày của màng ta dùng máy Stylus profiler.

SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
17

Bộ phận gữ kim

Hình 29:Bộ phận đế của máy Stylus profiler .
Cách tính độ rộng vùng cấm dựa vào phổ hấp thụ:
Dựa vào bờ hấp thụ của phổ hấp thụ ta tính được độ rộng vùng cấm,dựa vào các
công thức:
SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
18
Đối với bán dẫn chuyển mức được phép tại Ko (chuyển mức thẳng):

h2ω 2
Eg = hω − α
A2
2

(2.11)

Đối với bán dẫn chuyển mức bị cấm tại Ko (chuyển mứ xuyên):
hω 2
Eg = hω − (α
)3
B

Độ truyền qua T được tính: T =

(1 − R ) 2 e −α d
1 − R 2 e −2α d

(2.12)
(2.13)

Với độ phản xạ R trong vùng khả kiến nhỏ hơn 30%, thì R 2 e-2αd<<1, do đó ta có độ
T = (1 − R ) 2 e −α d
truyền qua T được tính:
(2.14)
Trong đó α là hệ số hấp thụ: α = ln(

(1 − R ) 2 1
)
T

d

(2.15)

Thực chất α nếu được tính chính xác thì rất phước tạp.
Trong luận văn này tính độ rộng vùng cấm theo cơng thức (1) vì ZnO là bán dần dịch
chuyển thẳng. Kết quả sau khi tính toán độ rộng vùng cấm, và chiết suất của màng cho
trong bảng sau đây.
Bảng 3: Tính tốn n, Eg dựa vào phổ truyền qua của MẫuI, MẫuII.
Mẫu

I

II

Độ dày (nm)

760

790

Độ truyền qua (%)

77

79

Chiết suất n

2.22

2.24

Độ rông vùng cấm (eV)

3.32

3.30

Nhận xét: Với các thông số độ rộng vùng cấm, chiết suất phù hợp với các thông số
thực của ZnO.

Nhiễu xạ tia X (XRD)
Nhiễu xạ tia X là một kỹ thuật quan trọng được dùng để xác định tất cả các vấn
đề liên quan đến cấu trúc tinh thể của vật rắn dạng khối hay màng như: hằng số mạng,

SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
19
dạng hình học, xác định những vật liệu chưa biết, định hướng của các đơn tinh thể, định
hướng của màng đa tinh thể, những sai hỏng, ...Kỹ thuật tia X rất thuận lợi nhờ những
ưu điểm như không phá hủy mẫu, khơng địi hỏi phải chuẩn bị mẫu cơng phu. Ngồi ra
nó cịn một số ưu điểm như dễ định lượng các pha kết tinh của mẫu, dự đốn kích thước
trung bình của các hạt của màng đa tinh.
Bức xạ tia X có bước sóng trong khoảng từ 0.5 A đến 2.5 A. Khi chiếu đến mẫu,
chúng nhiễu xạ trên các mặt mạng của tinh thể. Theo định luật Bragg:

nλ = 2d sin(θ )

(2.16)

d: khoảng cách giữa hai mặt mạng liên tiếp
λ: bước sóng tia X
n: bậc nhiễu xạ (thường lấy giá trị bậc 1)
Với nhiễu xạ bậc 1, những tia tán xạ từ mặt phẳng 1 và 2 sẽ có hiệu quang lộ
khác nhau một bước sóng, những tia từ mặt thứ 1 và thứ 3 sẽ khác nhau hai lần bước
sóng,...
Những tia tán xạ bởi tất cả các phân tử trong tất cả các mặt mạng có cùng pha
thỏa định luật Bragg sẽ tăng cường lẫn nhau tạo nên chùm tia nhiễu xạ. Nếu vật liệu là
đa tinh thì phổ nhiêu xạ thu được phụ thuộc vào sự định hướng của các tinh thể khác
nhau. Những thông số khác nhau như sự định hướng của các tinh thể, kích thước tinh
thể, hằng số mạng có thể xác định được tự phổ nhiễu xạ.

Thông số mạng d:
Xác định khoảng cách giữa hai mặt mạng liên tiếp. Xác định vị trí các đỉnh từ
phổ nhiễu xạ, ta có thể xác định d theo định luật Bragg.

Kích thước tinh thể S (kích thước hạt):
Nếu hiệu quang lộ của các tia nhiễu xạ bởi hai mặt phẳng đầu tiên là nhỏ so với
tồn bộ số sóng, thì mặt phẳng tán xạ có tia sai pha so với mặt phẳng đầu tiên sẽ nằm
sâu trong tinh thể. Nếu tinh thể quá nhỏ đến nổi mặt phẳng này khơng tồn tại, thì sự hủy
tồn bộ tất cả các bước sóng tán xạ sẽ khơng xãy ra. Theo điều đó, có một mối liên hệ
giữa lượng sai pha cho phép với kích thước tinh thể. Những tinh thể rất nhỏ gây sự mở
rộng của chùm tia nhiễu xạ, cụ thể sự nhiễu xạ (tán xạ) ở góc gần nhưng chưa bằng với
góc nhiễu xạ Bragg. Vì vậy cần phải xem xét sự tán xạ của những tia tới trên mặt phẳng
tinh thể ở góc lệch nhỏ so với góc Bragg. Bề rộng của đỉnh nhiễu xạ tăng khi kích

thước của tinh thể giảm. Bề rộng B thường được đo (rad) ở cường độ bằng nữa cường
độ cực đại.
SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
20
Theo cơng thức Scherrer, kích thước tinh thể được tính:

S = 0.9λ / Bcosθ

(2.17)

S là kích thước tinh thể
λ là bước sóng tia X
B là FWHM đơn vị rad= ∆(2θ ) .
θ là góc cường độ đỉnh xuất hiện (góc Bragg)

Sự định hướng
Nó xác định hướng mà các mặt phẳng trong các tinh thể được định hướng. Bằng
cách so sánh vị trí các đỉnh phổ thu được với phổ các giá trị chuẩn JCPDS của vật liệu,
ta có thể xác định sự định hướng của các tinh thể.

Ứng suất
Màng mỏng được tạo thành thường thiên về stress. Những ứng suất trong màng
nên được giữ thấp nhất bằng những biện pháp phòng ngừa khác nhau. Những màng
dưới tác dụng ứng suất thì thường hoạt động khơng hiệu quả và tình huống xấu nhất
gây ra sự uốn cong màng. Khi màng dưới tác dụng của stress kéo căng ở những góc

thích hợp tạo thành những mặt phản chiếu, mà thơng số mạng d sẽ lớn hơn. Nhưng theo
định luật Bragg, đối với bước sóng khơng đổi, khi d tăng, góc nhiễu xà theta sẽ giảm,
cụ thể màng dưới ứng suất kéo căng cho thấy vị trí đỉnh ở giá trị góc theta bé hơn. Khi
màng dưới tác dụng của ứng suất nén lại ở những góc thích hợp thành những mặt phản
chiếu mà thông số mạng d giảm, tương tự khi d giảm, lamda khơnng đổi, góc nhiễu xạ
theta sẽ tăng, cụ thể màng ứng suất nén lại cho thấy vị trí các đỉnh phổ có giá trị lớn
hơn so với bảng giá trị JCPDS.

Các thông số tạo màng ZnO/Ti/SiO 2:
+Đối ZnO
.Áp suất nền PB=10-4 torr.
.Áp suất làm việc P=6.10-3 torr.
.Dòng I=0.2 Ampe.
.Thế V=300 Vol.

SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
21
.Công suất 60W.
.Khoảng cách bia đế h=5.0 cm.
.Nhiệt độ đế 1900C.
.Thời gian phún xạ 17 phút.
+Đối với Ti đệm:
.Áp suất nền PB=10-4 torr.
.Áp suất làm việc P=6.10-3 torr.
.Dòng I=0.3 Ampe.

.Thế V=400 Vol.
.Công suất 120W.
.Khoảng cách bia đế h=5.0 cm.
.Nhiệt độ đế 1900C.
.Thời gian phún xạ 3 giây.
Tạo được một màng trên đế có độ dày khoảng 5nm.
Tạo được một màng trên đế thủy tinh có độ dày tổng cộng 710nm.

SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
22

Hình 30: Phổ nhiễu xạ tia X của màng ZnO trên đế thủy tinh có đệm Ti.
Các thơng số tạo màng của ZnO trên đế thủy tinh:
.Áp suất nền PB=10-4 torr.
.Áp suất làm việc P=6.10-3 torr.
.Dòng I=0.2 Ampe.
.Thế V=300 Vol.
.Công suất 60W.
.Khoảng cách bia đế h=5.0 cm.

SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
23
.Nhiệt độ đế 1900C.
.Thời gian phún xạ 21 phút.
Có độ dày màng tạo được 785 nm.

Hình 31: Phổ nhiễu xạ tia X của màng ZnO trên đế thủy tinh khơng có đệm Ti.
2.6.2. Chế tạo màng ZnO trên đế Si (111) và (100).
Các thông số tạo màng ZnO trên đế Si (111):
.Áp suất nền PB=10-4 torr.
.Áp suất làm việc P=6.10-3 torr.
.Dòng I=0.2 Ampe.

SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
24
.Thế V=300 Vol.
.Công suất 60W.
.Khoảng cách bia đế h=5.0 cm.
.Nhiệt độ đế 1900C.
.Thời gian phún xạ 25 phút.
Có độ dày màng tạo được 830 nm.
Hình 32: Phổ nhiễu xạ tia X của màng ZnO trên đế Si (111) khơng có đệm Ti.

Bảng 4: Kết quả tính tốn.
Mẫu

M317P

M421P

M525P

Độ dày (nm)

710

785

830

Kích thước hạt (nm)

23

10

34

SVTH: Trần Văn Thảo


Website: Email : Tel : 0918.775.368

Luận văn tốt nghiệp Đại học
25

Độ truyền qua (%)

//

83

//

Độ rộng vùng cấm (eV)

//

3.36

//

Chiết suất màng

//

2.23

//

Ngồi ra Mẫu M525P cịn có các đỉnh nhỏ trong phổ nhiễu xạ tia X,ứng vớ kích thước
hạt. Theo thứ tự từ đỉnh cao đến đỉnh thấp:
+S1= 145 nm.
+S2= 129 nm.
+S3= 40 nm.
Mẫu M317P và M421P cũng có đỉnh nhỏ trong phổ nhiễu xạ tia X. Có độ lớn hạt:

+M317P: S= 14 nm.
+M421P: S= 13 nm.

SVTH: Trần Văn Thảo