Kết quả nghiên cứu chế tạo màng ZnO trên đế thủy tinh, Si và Si có đệm Ti

Luận văn tốt nghiệp Đại học
1
MỤC LỤC
TRANG
Chương I – Tổng quan
1.1.Màng mỏng ZnO trên đế Si có lớp Ti đệm......................................................
1.1.1.Giới thiệu....................................................................................................
1.1.2.Tác dụng đệm của Ti lên màng ZnO trên Si...............................................
1.1.3.Ứng dụng....................................................................................................
1.1.4.Ưu điểm của ZnO.......................................................................................
1.2.Tạo màng bằng phương pháp phún xạ MAGNETRON DC...........................
1.2.1.Cơ chế vật lí của phún xạ ..........................................................................
1.2.2.Hiệu suất phún xạ.......................................................................................
1.2.3.Cấu tạo hệ phún xạ.....................................................................................
1.2.4.Kĩ thuật phún xạ.........................................................................................
1.2.5.Đặt trưng của phún xạ................................................................................
1.3.Quá trình tạo bia gốm ZnO.............................................................................
1.4.Phép đo hall xác định đặt tính điện.................................................................
1.5.Phương pháp bốn đấu dò xác định đặt tính điện............................................
1.6.Tính chất điện..................................................................................................
1.7.Đặt tính quang.................................................................................................
1.8. Cấu trúc ZnO..................................................................................................
Chương II – Thực nghiệm và kết quả bàn luận
2.1.Chế tạo bia gốm ZnO........................................................................................
2.1.1.Chuẩn bị vật liệu bột Oxit..........................................................................
2.1.2.Nghiền trộn bột Oxit...................................................................................
2.1.3.Định hình bia ZnO......................................................................................
2.1.4.Nung bia ZnO.............................................................................................
2.2.Bia kim loại Ti...................................................................................................
SVTH: Trần Văn Thảo
Luận văn tốt nghiệp Đại học

2
2.3.Làm sạch lam thủy tinh và Silic.........................................................................
2.4.Các bước trong quá trình phún xạ.....................................................................
2.5.Môi trường chế tạo màng mỏng ZnO/Si và ZnO/Ti/Si.......................................
2.6.Kết quả và thảo luận...........................................................................................
2.6.1.Chế tạo màng ZnO trên đế thủy tinh...........................................................
2.6.2.Chế tạo màng ZnO trên đế Si (111) và (100)..............................................
2.6.3.Chế tạo màng ZnO trên đế silic có lớp đệm Ti...........................................
Chương III – Kết luận – hướng phát triển
Tài liệu tham khảo.....................................................................................................
Phụ lục.......................................................................................................................
SVTH: Trần Văn Thảo
Luận văn tốt nghiệp Đại học
3
Chương I – TỔNG QUAN
1.1. Màng mỏng ZnO trên đế Si có lớp Ti đệm.
1.1.1.Giới thiệu
ZnO là một trong những hợp chất bán dẫn thuộc nhóm II/VI nó được các nhà
khoa học quan tâm hàng đầu, có độ rộng vùng cấm 3,37 eV và năng lượng liên kết
exciton lớn 60 meV ở nhiệt độ phòng, nó có khả năng cung cấp sự phát xạ exciton có
hiệu suất cao ở nhiệt độ phòng và được quan tâm ứng dụng đối với những thiết bị
quang học như là:Diod phát quang xanh hoặc cực tím (LEDs) và những Diod Laser thế
hệ đời mới (LDs).
Màng ZnO được tạo ra trên những đế khác nhau, như là: Ngọc bích (sapphire),
Si, ScAlMgO
4
, GaAs, CaF và SiO
2
... cho đến bây giờ đế sapphire được dùng phổ biến
nhất.Tuy nhiên do dộ dẫn nhiệt kém, khó cắt ra mành nhỏ và giá thành cao, nên đế

sapphire có vẻ không thích hợp để phủ ZnO cho ứng dụng công nghiệp. Từ quan điểm
này, Si thích hợp hơn cho việc thay thế, vì giá rẻ và độ dẫn nhiệt tuyệt vời, độ kết tinh
cao, có thể có kích thước lớn được...Tuy nhiên ZnO phủ lên Si là một kỹ thuật khó do
bề mặt Si dễ bị Oxi hóa trong suốt quá trình phủ màng. Sự Oxi hóa bề mặt Si hình thành
một lớp SiO
x
vô định hình, lớp này làm giảm chất lượng của màng ZnO phủ trên đế Si.
Do đó, Một vài lớp đệm như: Zn, Al, Ru, AlN, MgO, CaF
2
, ZnS, và GaN, đã được đưa
vào để ngăn ngừa bề mặt chất nền Si khổi bị Oxi hóa trong quá trình phủ màng ZnO.
Trong những loại lớp đệm, chú ý rằng còn một vài lớp kim loại, như là: Zn, Al, Ru
được dùng để làm lớp nền rất tốt.
Trong bài nghiên cứu này của chúng tôi, lớp kim loại mỏng Ti được đưa vào làm
lớp đệm kim loại mới cho sự phủ màng mỏng ZnO trên đế Si. Yếu tố tác đông để dùng
Ti làm lớp đệm ban đầu, là do nó có điện trở hóa học cao. Điểm nóng chảy cao
(1668C
o
) và có cùng cấu trúc lục giác xiếc chặt (HCP) như của ZnO. Ngoài ra, sự lệch
mạng giữa Ti và ZnO là 10%, nhỏ hơn sự lệch mạng giữa Si và ZnO (15%) và do đó sẽ
giảm tác động của sự lệch mạng.
Trong công trình này, màng mỏng ZnO định hướng mạnh theo trục c được phủ
lên lớp nền Si (111) bằng cách đưa vào lớp mỏng Ti làm lớp đệm ban đầu cho sự lắng
động phún xạ Magnetron DC. So sánh với màng mỏng ZnO phủ lên đế Si (111) mà
không có lớp đệm Ti, cấu trúc và tính chất quang học của màng mỏng ZnO phủ trên
Ti/Si (111) cho ta được mẫu cải tiến, có tính chất tốt hơn.
1.1.2.Tác dụng đệm của Ti lên màng ZnO trên Si.
Lớp Ti mỏng được dùng làm lớp đệm để bảo vệ bề mặt Si (111 ) khổi bị Oxi
hóa và sự sai mạng giữa chất nền Si và màng mỏng ZnO. Tác động của lớp mỏng Ti lên
chất lượng màng mỏng ZnO được nghiên cứu đánh giá bởi phương pháp: Khúc xạ tia X

(XRD). Đã có nhiều công trình nghiên cứu trường hợp này.
SVTH: Trần Văn Thảo
Luận văn tốt nghiệp Đại học
4
ZnO phủ lên Si là một kỹ thuật khó do bề mặt Si dễ bị Oxi hóa trong suốt quá
trình phủ màng. Sự Oxi hóa bề mặt Si hình thành một lớp SiO
x
vô định hình, lớp này
làm giảm chất lượng của màng ZnO phủ trên đế Si. Trong bài nghiên cứu này, lớp kim
loại mỏng Ti được đưa vào làm lớp đệm kim loại mới cho sự phủ màng mỏng ZnO trên
đế Si. Yếu tố tác động để dùng Ti làm lớp đệm ban đầu, là do nó có điện trở hóa học
cao. Điểm nóng chảy cao (1668C
o
) và có cùng cấu trúc lục giác xiếc chặt (HCP) như
của ZnO. Ngoài ra, sự lệch mạng giữa Ti và ZnO là 10%,nhỏ hơn sự lệch mạng giữa Si
và ZnO (15%) và do đó sẽ giảm tác động của sự lệch mạng.
1.1.3.Ứng dụng.
Xa hơn, ZnO đã được xem xét như một vật liệu đầy hứa hẹn cho nhiều ứng dụng
khác nhau như là pin mặt trời, những sensors khí, máy tạo dao động siêu âm và máy
chuyển đổi năng lượng. Màng mỏng ZnO là vật liệu được biết là tốt được dùng cho
kích thích áp điện và tách dao động của thiết bị cộng hưởng. ZnO là một vật liệu thú vị
trong ứng dụng bởi vì nó kết hợp hệ số máy năng lượng cao với IC-based quá trình dao
động . Ứng dụng đặc biệt là máy đầu dò micro, dùng để đo độ lớn như là : Lực, áp suất
và gia tốc. Có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng màng ZnO.
1.1.4.Ưu điểm của ZnO.
ZnO được chú ý bởi nó chứa đựng rất nhiền ưu điểm:
-Là hợp chất có nhiều trong tự nhiên và rẻ tiền hơn so với các vật liệu khác như:
GaAs, ITO, In...
-Không độc hại, trong khi đó một số loại màng gây hại cho sức khỏe như: Màng
Cd.

-Dể gia công sản xuất bằng kĩ thuật phún xạ, một kĩ thuật khá phổ biến hiện nay.
-Có khả năng hấp thụ tia tử ngoại.
1.2.Tạo màng bằng phương pháp phún xạ MAGNETRON DC.
1.2.1.Cơ chế vật lí của phún xạ.
- Phún xạ là hiện tượng mà những nguyên tử bị bức ra khỏi bề mặt của một vật liệu bất
kì khi nó bị bắn phá bởi những ion.
-Có hai loại phún xạ: Phún xạ phản ứng và phún xạ không phản ứng.
+Phún xạ không phản ứng là: Các ion bắn phá vào vật liệu bia là những ion khí
trơ, do đó trong lúc chuyển động đập vào bia nó không phản ứng với bia.
Vd: Màng Al, Cu, Ag...trong môi trường phún xạ là khí trơ, với bia kim loại
tương ứng, ion bắn phá là ion khí trơ.
SVTH: Trần Văn Thảo
Luận văn tốt nghiệp Đại học
5
+Phún xạ phản ứng là: Các ion bắn phá vào vật liệu bia có phản ứng với bia tạo
hợp chất.
Vd: Màng Al
2
O
3
, ZnO, TiO
2
... với bia kim loại tương ứng, ion bắn phá tạo phản
ứng là ion Oxi.
Hình 1: Cơ chế vật lí của sự phún xạ.
Hình2:
Những hạt phún xạ.
SVTH: Trần Văn Thảo
Luận văn tốt nghiệp Đại học
6

Hình 3: Các Ion trong quá trình phún xạ.
-Phún xạ là một quá trình:
+Những sự va chạm của các ion – bia.
+Truyền động lượng.
+Bắn ra những nguyên tử, đám nguyên tử hoặc những phân tử trên bề mặt bia.
-Kết quả là:
+Vật liệu từ bia sẽ hình thành màng trên đế (nếu bia là đơn chất  màng đơn
chất; bia là hợp chất  màng hợp chất và mang tính chất của màng mỏng).
+Năng lượng trung bình của hạt thoát ra khỏi bia khoảng 1-10eV (có thể làm
nóng đế).
-Độ xuyên sâu của những ion
+Độ xuyên sâu của những ion phụ thuộc vào:
•Năng lượng của những ion.
•Góc tới của ion.
•Khối lượng của ion so với khối lượng của nguyên tử,phân tử bia.
Độ xuyên sâu trung bình của ion khoảng 10 - 40 nm.
SVTH: Trần Văn Thảo
Luận văn tốt nghiệp Đại học
7
Hình 4: Mô tả quá trình xuyên sâu của ion.
1.2.2.Hiệu suất phún xạ.
Hiệu suất phún xạ = TỔNG CÁC NGUYÊN TỬ PHÚN XẠ/TỔNG CÁC ION
TỚI =
A
I
N
N
(1.1)
-Hiệu suất phún xạ phụ thuộc vào:
+Bản chất của bia.

+Bản chất của những ion
+Năng lương tới của những ion.
+Góc tới.
Hình 5: Biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất phún xạ vào năng lượng ion Ar.
SVTH: Trần Văn Thảo
Luận văn tốt nghiệp Đại học
8
Hình 6: Biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất vào năng lượng tới của ion bắn bia.
Hình 7: Sự phụ thuộc của hiệu suất vào góc tới của ion tới.
Tỉ lệ hiệu suất (
0
Y
Y
α
) cao nhất ở khoảng 72
0
.
1.2.3.Cấu tạo hệ phún xạ.
-Hệ Magnetron bao gồm:
+Bản cathode: Dùng làm nguồn điện tử.
+Bản anode: Nơi thu nhận điện tử.
+Kết hợp với điện từ trường vuông góc nhau.
SVTH: Trần Văn Thảo
Luận văn tốt nghiệp Đại học
9
Hình 8: Mô tả điện trường và từ trường vuông góc trong hệ Magnetron.
Một số loại hệ Magnetron thông thường. Các loại này thường có bên trong lò Viba.
SVTH: Trần Văn Thảo