Khảo sát tính chất điện và quang của màng zno in

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN




LÊ QUẸO





KHẢO SÁT TÍNH CHẤT ĐIỆN VÀ
QUANG CỦA MÀNG ZnO:In





LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ





Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử

Mã số: 60 44 03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÊ VŨ TUẤN HÙNG








THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2010
- 1 -

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và làm luận văn tốt nghiệp này, tôi không
bao giờ quên được công lao nuôi nấng dưỡng dục của ba mẹ, sự truyền đạt kiến
thức quý báu của các thầy cô và sự giúp đỡ nhiệt tình của các anh chị kỹ thuật viên
trong trường. Nhân đây, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn.
Trước hết, con xin cảm ơn Ba, Mẹ đã sinh con ra và nuôi nấng cho con ăn học
trưởng thành đến ngày hôm nay. Con xin thành thật biết ơn và xin h
ứa sẽ không
phụ lòng công lao to lớn và những tình cảm quý báu của Ba Mẹ dành cho con.
Tiếp theo, con xin cảm ơn sâu sắc nhất với Dì Hai. Dì đã cho con chỗ ở và nấu
những bữa ăn đầy dinh dưỡng trong suốt thời gian con học đại học đến hôm nay.
Kế đến, em xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy Lê Vũ Tuấn Hùng.

Thầy luôn luôn động viên và hướng dẫn, định hướng cho em trong suốt quá trình
làm luậ
n văn này.
Em cũng không quên gởi lời cảm ơn đến Thầy Hồ Văn Bình. Thầy luôn động
viên và hỗ trợ về thiết bị trong những lúc khó khăn nhất.
Em cũng xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Lê Trấn.Thầy đã nhiệt tình giúp
đỡ em trong những lúc gặp khó khăn khi thực hiện luận văn.
Em xin cảm ơn anh Nguyễn Đức Hảo. Anh đã luôn sẵn sàn giúp đỡ em trong
những lúc gặp khó khăn về kỹ thuật máy móc thiết bị.
Em cũng không thể quên cảm ơn anh Phạm Duy Phong, chị Lê Thị Thụy
Giang, chị Phạm Kim Ngọc, chị Từ Ngọc Hân đã nhiệt tình đo mẫu trong suốt thời
gian thực hiện luận văn này.
Anh gởi lời cảm ơn tới em Phạm Thanh Tuân. Em đã cùng anh trải qua những
khó khăn thử thách trong thời gian đầu thực hiện đề
tài này.
Anh cũng gởi lời cảm ơn đến em Huỳnh Chí Cường đã nhiệt tình đo phổ quang
phát quang.
Sau cùng, mình cảm ơn các bạn cao học khóa 17 vì chúng mình đã có một
khoảng thời gian học tập, vui chơi bên nhau rất khó quên.
- 2 -

Danh Mục Các Ký hiệu, Các Chữ Viết Tắt


Các ký hiệu

Å : angstron
m*: khối lượng hiệu dụng.
µ : độ linh động
τ

: thời gian hồi phục
f
0
(E) : hàm phân bố Fermi – Dirac
E
C
: năng lượng vùng dẫn
E
F
: năng lượng mức Fermi
k
B
: hằng số Boltzmann
ω
p
: tần số plasma
ε : hằng số điện môi
D(E) : hàm mật độ trạng thái
k : véctơ sóng
h : hằng số Planck
W(E) : bình phương của các yếu tố
ma trận tán xạ
r: thông số tán xạ
γ
(E) : hàm theo năng lượng tùy ý
n : nổng độ hạt tải
σ
t
: độ dẫn của tinh thể bán dẫn
σ

e
: độ dẫn của điện tử
σ
p
: độ độ dẫn của lỗ trống
σ
b
: độ dẫn khối
l : chiều dài
A : diện tích bề mặt
R
b
: điện trở của vật liệu khối
N
C
: mật độ trạng thái ở vùng dẫn
N
V
: mật độ trạng thái ở vùng hóa trị
p : nồng độ lỗ trống
Γ : trạng thái năng lượng
R
S
: điện trở mặt
ρ
: điện trở suất
d : bề dày màng
B : độ bán rộng
D : kích thướt hạt
ε

zz
: độ biến dạng
σ
f
: ứng suất màng
α : hệ số hấp thu
Các chữ viết tắt

TCO : Transparent conducting oxide
ITO : In
2
O
3
– SnO
2

AZO : ZnO:Al
GZO : ZnO:Ga
IZO : ZnO:In
DC : direct current
RF : radio frequency
PLD : pulsed laser deposition
M – O : metal – oxygen
M – O – M : metal – oxygen – metal
CVD: chemical vapour deposition
PVD : Physical vapour deposition
PEMOCVD : Plasma – Enhanced
Metalorganic Chemical Vapor
Deposit
MBE : Molecular Beam Epitaxy

SPD : Spray Pyrolysic Deposition
LVDT : Linear Variable Differential
Transformer.
AFM: Atomic Force Microscope
PL: Photoluminescence

at: atom

wt: weight
-3-


Danh Mục Các Bảng
Trang
Bảng 1.1 Cấu hình điện tử của các nguyên tố kim loại nặng 25
Bảng 1.2 Các thông số chính của kim loại nặng 25
Bảng 1.3 Tóm tắt một số kết quả tạo màng IZO của các tác giả trên thế giới 27
Bảng 3.1 Tính chất điện của màng IZO theo thành phần khối lượng In trong các
bia gốm. 54
Bảng 3.2 Kích thước hạt, độ biến dạng và ứng suấ
t của các màng IZO theo %In.55
Bảng 3.3 Tính chất điện của màng IZO theo nhiệt độ đế. 57
Bảng 3.4 Kích thướt hạt, độ biến dạng và ứng suất của các màng IZO theo nhiệt
độ đế khác nhau 59
Bảng 3.5 Tính chất điện của màng IZO theo bề dày màng 61
Bảng 3.6 Kích thước hạt, độ biến dạng và ứng suất của màng IZO theo bề dày
màng khác nhau 63
Bảng 3.7 Kích thước hạt, độ biến dạng và ứng suất c
ủa màng IZO theo nhiệt độ
ủ trong chân không khác nhau 65

Bảng 3.8 Tính chất điện của các màng IZO theo nhiệt độ ủ chân không khác
nhau 65
Bảng 3.9 Tính chất điện của màng IZO/Ti/Thủy tinh 67
Bảng 3.10 Kích thước hạt, sự hợp mạng và ứng suất của các màng IZO/Ti 68
Bảng 3.11 Tính chất điện của màng IZO trên các đế Si khác nhau 69
Bảng 3.12 Kích thước hạt, sự hợp mạng và ứng suất của các màng IZO trên các
đế Si khác nhau 70
Bảng 3.13 Tính chất điện của màng IZO theo công suất phún xạ 72
Bảng 3.14 Kích thước hạt, sự hợp mạng và ứng suất của các màng IZO theo
công suất phún xạ. 73
Bảng 3.15: Tính chất điện của màng IZO trên các đế Si ở công suất phún xạ
150W 75












- 4 -



Danh Mục Các Hình Vẽ, Đồ Thị
Trang

Hình 1.1 Cấu trúc Wurtzite lục giác xếp chặt của mạng ZnO 10
Hình 1.2 Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO 11
Hình 1.3 Ảnh hưởng của dạng phi parabol vào khối lượng hiệu dụng, mật độ
trạng thái và nồng độ hạt tải. 18
Hình 1.4 Sự sắp xếp các nguyên tử trong tinh thể In
2
O
3
. 21
Hình 1.5 Cấu trúc vùng năng lượng của In
2
O
3
. 22
Hình 2.1 Hệ magnetron phẳng 30
Hình 2.2 a) Hệ magnetron cân bằng; b) Hệ magnetron không cân bằng 31
Hình 2.3 Nguyên tắc hoạt động phún xạ magnetron 31
Hình 2.4 Giản đồ hệ PEMOCVD. 33
Hình 2.5 Giản đồ hệ MBE. 33
Hình 2.6 Giản đồ hệ PLD. 34
Hình 2.7 Giản đồ hệ SPD 35
Hình 2.8 Sơ đồ phương pháp bốn mũi dò 35
Hình 2.9 Sơ đồ khối của máy đo Stylus 37
Hình 2.10 Sơ đồ khối hệ đo truyền qua. 38
Hình 2.11 Sự nhi
ễu xạ tia X trên các mặt nguyên tử 40
Hình 2.12 Sự sắp xếp quang học của một hệ AFM. 42
Hình 2.13 Giản đồ thế năng của đầu dò và mẫu 43
Hình 2.14 Cơ chế quang phát quang 45
Hình 2.15 Sơ đồ bố trí thí nghiệm do phổ PL 46

Hình 3.1 Quy trình chế tạo bia gốm IZO 47
Hình 3.2 Giản đồ thời gian nung bia gốm 50
Hình 3.3 Bia IZO thành phẩm 51
Hình 3.4 Phổ nhiễu xạ tia X của các bia gốm ZnO:In theo các thành phần
In
2
O
3
khác nhau. Các mẫu IZO1, IZO2, IZO3, và IZO4 tương ứng với các
thành phần khối lượng In
2
O
3
tăng từ 1 đến 4% 52
Hình 3.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm. 53
Hình 3.6 Điện trở suất của màng IZO phụ thuộc vào thành phần In trong bia
gốm. 54
Hình 3.7 Phổ nhiễu xạ tia X của các màng ZnO, IZO theo thành phần In trong
bia gốm. Mẫu Q0 là màng ZnO, các mẫu Q1,Q2,Q3,Q4 lần lượt tương ứng với
các màng được chế tạo từ các bia gốm pha tạp In
2
O
3
tăng từ 1 đến 4% 55
Hình 3.8 Phổ truyền qua của các màng ZnO và IZO theo %In 56
Hình 3.9 Phổ nhiễu xạ tia X của các màng IZO theo nhiệt độ đế khác nhau. 58
Hình 3.10 Phổ truyền qua của các màng IZO phụ thuộc vào nhiệt độ đế khác
nhau 59
Hình 3.11 Ảnh AFM của các màng IZO theo nhiệt độ đế khác nhau. 60
- 5 -

Hình 3.12 Phổ nhiễu xạ tia X của các màng IZO theo bề dày màng khác nhau.
Các mẫu Q500, Q700 và Q950 tương ứng với các bề dày màng 500, 700, và 950
nm. 62
Hình 3.13 Phổ truyền qua của các màng IZO theo bề dày khác nhau 63
Hình 3.14 Phổ nhiễu xạ tia X của các màng IZO theo nhiệt độ ủ chân không
khác nhau. Mẫu Q240TS là màng IZO trước khi ủ nhiệt, mẫu Q240CK, Q300CK
là các màng IZO đã ủ nhiệt trong chân không với nhiệt độ ủ lần lượt là 240
0
C và
300
0
C. 64
Hình 3.15 Phổ truyền qua của các màng IZO theo nhiệt độ ủ khác nhau trong
chân không 66
Hình 3.16 Phổ nhiễu xạ tia X của các màng IZO trên lớp đệm Ti có bề dày khác
nhau. Mẫu IZO/TT là màng IZO trên đế thủy tinh chưa có lớp đệm, các mẫu
IZO/Ti5n/TT, IZO/Ti10n/TT, IZO/Ti15n/TT tương ứng với màng IZO trên lớp
đệm Ti từ 5 – 15 nm. 68
Hình 3.17 Phổ nhiễu xạ của các màng IZO trên các đế Si khác nhau 70
Hình 3.18 Phổ quang phát quát quang của màng IZO trên các đế Si khác nhau.71
Hình 3.19 Phổ nhiễu xạ của các màng IZO theo công suất phún xạ. 73
Hình 3.20 Phổ truyền qua củ
a các màng IZO theo công suất phún xạ 74
Hình 3.21 Phổ nhiễu xạ của các màng IZO trên các đế Si khác nhau ở công suất
150W 75
Hình 3.22 Phổ quang phát quang của màng IZO trên các đế Si khác nhau được
tạo ở công suất 150W. 76

- 8 -




MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển mạnh mẽ cùng với sự tiến bộ của xã
hội, từ đó nhu cầu về việc sử dụng các thiết bị trong đời sống có ứng dụng của khoa
học cũng tăng cao, chẳng hạn như màng hình hiển thị phẳng (tivi plasma, tivi tinh thể
lỏng…), máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời, pin mặt trời…Trong các thiết bị
k
ể trên thì một bộ phận không thể thiếu chính là điện cực trong suốt. Điện cực trong
suốt làm từ các ôxít dẫn điện trong suốt (TCO- Transparent Conducting Oxide), chúng
vừa có tính dẫn điện tốt vừa có độ truyền qua trong vùng ánh sáng khả kiến cao (>

80%). Thông dụng nhất hiện nay là ôxít thiếc indium In
2
O
3
-SnO
2
(ITO) và một số loại
ôxít khác đã và đang được nghiên cứu đưa ra ứng dụng như ôxít kẽm (ZnO), ôxít kẽm
pha tạp nhôm (ZnO:Al hay AZO), ôxít kẽm pha tạp gali (ZnO:Ga hay GZO), ôxít thiếc
(SnO
2
), ôxít thiếc pha tạp antimo (SnO
2
:Sb)…
Trong số các loại điện cực nói trên thì ITO là điện cực tốt nhất. Tuy nhiên, giá
thành để làm điện cực này thì khá cao vì vật liệu In
2
O
3
là vật liệu hiếm trong tự nhiên
và điện cực ITO lại cần đến 90% In
2
O
3
trong thành phần của nó. Điện cực AZO cũng
có tính dẫn điện khá tốt nhưng nó lại ít bền ở nhiệt độ cao. Ngoài ra, điện cực GZO
dẫn điện tốt nhưng nó cũng bị hạn chế giống với ITO là vật liệu Gali khá đắt và hiếm.
Các loại điện cực như SnO
2
và SnO

2
:Sb có độ truyền qua tốt nhưng vẫn chưa cải thiện
được tính dẫn điện để có thể thay thế cho ITO.
Để góp phần vào xu hướng nghiên cứu điện cực trong suốt của thế giới, chúng
tôi chọn nghiên cứu điện cực ôxít kẽm pha tạp indium (ZnO:In hay IZO). Thành phần
In
2
O
3
trong điện cực IZO không quá 5% nhưng vẫn bảo đảm tính dẫn điện và trong
suốt tốt đồng thời cũng phù hợp với chi phí sản xuất không quá cao. Cho đến nay đã
có nhiều phương pháp tạo màng như quay phủ dung dịch, xung laser PLD, lắng đọng
chùm hơi điện tử, sol-gel, phún xạ RF, phún xạ DC, phún xạ DC kết hợp xung RF….
- 9 -



Trong luận văn này, chúng tôi tạo màng IZO bằng phương pháp phún xạ magnetron
DC từ bia gốm cùng loại. Các tính chất vật lý của màng IZO như tính dẫn điện, tính
quang học và cấu trúc được nghiên cứu qua các phương pháp như bốn mũi dò, phổ
truyền qua, phổ nhiễu xạ tia X, Stylus, ảnh AFM, phổ quang phát quang (PL)…

- 10 -

Phần 1
TỔNG QUAN

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZnO VÀ In
2
O
3


1.1 Vật liệu ZnO

1.1.1 Cấu trúc tinh thể của ZnO
Tinh thể ZnO với mạng tinh thể lục giác wurtzite được miêu tả trong hình 1.1.
Những nguyên tử ZnO được sắp xếp gần như là một cấu trúc lục giác xếp chặt. Mỗi
nguyên tử oxy nằm trong một tứ diện tạo bởi bốn nguyên tử Zn, các nguyên tử oxy đó
nằm theo các hướng giống nhau của trúc lục giác. Mạng ZnO có nhóm điểm không
gian P6mc, với hằng s
ố mạng a = b = 3.250 Å, c = 5.206 Å. Ba nguyên tử oxy trong tứ
diện biến dạng ZnO
4
nằm trong một mặt ab xếp chặt, trong khi nguyên tử oxy nằm ở
một mặt kế cận. Do đó, cấu trúc ZnO chứa một chuỗi Zn-O vuông góc dọc theo trục c,
dẫn đến một cấu trúc đối xứng đẹp mắt.[3,4]

Hình 1.1: Cấu trúc Wurtzite lục giác xếp chặt của mạng ZnO.


- 11 -




1.1.2 Cấu trúc khối của ZnO











Hình 1.2 Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO



Hình 1.2 Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO.

Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO được mô tả ở hình 1.2. Chúng ta thấy có
nhiều vùng cong thấp mang đặc tính linh động nhỏ của các điện tử và do đó chúng
nằm ở vùng d. Zn là kim loại nhóm d vì thế nó hoạt động ở các orbital d trên các
mức năng lượng cao và các điện t
ử tự do tương tác liên kết với nhau. Những vùng
này được tìm thấy chủ yếu trong vùng hóa trị của các chất bán dẫn. Ngoài ra cũng
có các vùng cong cao hơn đặc trưng cho orbital p
x
của O trong vùng hóa trị. Những
vùng có đặc tính sp lớn hơn được tìm thấy trong vùng dẫn và chúng là những
đường cong cao. Trong đó còn có những sự tương tác orbital phân tử giữa orbital
3d của Zn và orbital 2s của O.[4,79]
Với giá trị của vùng cấm chúng ta xác định được giới hạn của bước sóng truyền
qua của vật liệu, các chi tiết khác của cấu trúc vùng năng lượng cần phải được xác
định để biết được bức tranh toàn cảnh của nó. M
ột cách tổng quát, chúng ta cần
Vector sóng k
- 12 -



phải biết sự phụ thuộc của năng lượng hạt tải vào vector sóng k trong vùng dẫn.
Đặc biệt là chúng ta quan tâm tới các dạng của mặt đẳng năng trong không gian
k và khối lượng hiệu dụng, tức là tương đương với sự phụ thuộc E(k).
Chúng ta sẽ xét 3 trường hợp:
i) Các mặt cầu đẳng hướng.
ii) Các mặt đơn ellipsoid,
iii) Các mặt đa ellipsoid.
Nhìn chung, khối lượng hiệu dụng nghịch đảo là một tensor hạng hai và nó

giảm bớt một đại lượng vô hướng trong vùng cầu. Đối với mặt ellipsoid, đặc trưng
3 giá trị của khối lượng hiệu dụng, m*
i
(i = 1,2,3), mỗi giá trị tương ứng một trục
chính của ellipsoid. Trong trường hợp ellipsoid tròn xoay, chúng ta chỉ có 2 giá trị
độc lập của khối lượng hiệu dụng: m*
|
liên quan tới trục xoay thẳng đứng, m*
⊥
liên
quan tới trục xoay vuông góc. Cùng với thời gian hồi phục
τ
( là gần đúng bậc nhất
của nghịch đảo tần số va chạm hay tán xạ) khối lượng hiệu dụng xác định độ linh
động: khối lượng hiệu dụng cáng nhỏ, độ linh động càng lớn. Đối với vùng đẳng
hướng, độ linh động hạt tải được xác định từ phương trình:
*
()eE
m
τ
µ
= (1.1)
Trong đó
〈τ
(E)
〉
là ký hiệu
τ
trung bình trong vùng dẫn, được tính từ
3/2

0
f
E
E
∂
∂
, ở đó
f
o
(E) là hàm phân bố Fermi – Dirac. Bán dẫn suy biến cao, ví dụ như TCO có (E
F
-
E
c
)/ k
B
T >> 1, E
F
là năng lượng Fermi, E
c
là năng lượng nhỏ nhất của vùng dẫn, k
B

là hằng số Boltzmann. Trong nhiều tài liệu cho rằng chỉ có những năng lượng chứa
các hạt tải gần mức năng lượng Fermi thì mới đóng góp điện tử dẫn. Tính chất của
các hạt tải này xác định độ lớn của độ linh động và các hệ số dịch chuyển khác. Do
đó, đối với vùng đẳng hướng thì độ linh động được cho bởi:

µ
= e

τ
(E
F
) / m*(E
F
) (1.2)
- 13 -



Sau đây, chúng ta sẽ đoán chừng sự suy biến cao và bỏ qua mức Fermi. Đối với
một thời gian hồi phục đẳng hướng, lý do duy nhất của độ linh động bất đẳng
hướng là sự bất đẳng hướng của khối lượng hiệu dụng. Đối với một vùng đơn
ellipsoid thì độ linh động có thể được biểu diễn như (1.3):

µ
i
= e
τ
/ m*
i
(1.3)
Trong đó các ký hiệu tương ứng với ba trục chính. Trong vật liệu đa tinh thể,
với các tinh thể định hướng ngẫu nhiên, không gian trung bình dẫn tới độ linh động
đẳng hướng được cho bởi biểu thức:
3
*
1
11
3

i
i
e
m
µτ
=
=
∑
(1.4)
Đối với tinh thể lập phương đối xứng, độ linh động là đẳng hướng và có thể
được cho bởi:

µ
= e
τ
/ m*
c
(1.5)
m*
c
là khối lượng hiệu dụng dẫn và được xác định bởi:

***
111 2
3
c
mmm
⊥
⎛⎞
=+

⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
P
(1.6)
Khối lượng nghịch đảo ở phương trình trên là trung bình trọng lượng của 3 khối
lượng nghịch đảo riêng rẽ. Số hạng thứ 2 bên trong dấu ngoặc sinh ra là do có sự
đối xứng quay của ellipsoid trong không gian k. Khối lượng hiệu dụng ảnh hưởng
tới tần số plasma, và do đó giới hạn độ truyền qua trong vùng sóng dài của TCO.
Tần số plasma được cho bởi:

1/2
2
*
0
p
c
en
m
ω
εε
∞
⎛⎞
=
⎜⎟
⎝⎠
(1.7)
Trong đó n là nồng độ hạt tải,
ε
0

là hằng số điện trong không gian, và
ε
∞
là
hằng số điện môi ở tần số cao của vật liệu.
Hàm mật độ trạng thái D(E) là một tính chất quan trọng của vật liệu và nó cũng
phụ thuộc vào khối lượng hiệu dụng.
- 14 -



Đối với một phổ vùng dạng parabol (E
∝
k
2
) thì
(
)
3/2
*
3
42
()
d
m
DE
h
π
= (1.8)
ở đây m*

d
là khối lượng hiệu dụng mật độ trạng thái, và nó là sự kết hợp của các
thành phần khối lượng hiệu dụng. Đối với các trường hợp phổ đẳng hướng, vùng
đơn ellipsoid và vùng đa ellipsoid, khối lượng hiệu dụng được cho bởi các công
thức tương ứng như (1.9):

()
()
**
1/3
****
123
1/3
*2/3***
123
d
d
d
mm
mmmm
mNmmm
=
=
=
(1.9)
N là số ellipsoid tương ứng. Chúng ta thấy rằng m*
d
có thể khác đáng kể so với
m*
c

, đặc biệt ở mô hình đa ellipsoid. So sánh các giá trị này với nhau từ thực
nghiệm ta có thể thu được các thông tin về cấu trúc vùng. Ngoài ra chúng ta cũng
có thể phát hiện ra những thông tin về sự bất đẳng hướng của ellipsoid đẳng năng,
ví dụ tỷ số
β
= m
||
/m
⊥

.
Quay lại hàm trạng thái với khối lượng hiệu dụng để xác định mức Fermi cho
nồng độ hạt tải đặc trưng, được cho bởi:

2/3
2
*
3
82
F
d
nh
E
m
π
⎛⎞
⎛⎞
=
⎜⎟
⎜⎟

⎝⎠
⎝⎠
(1.10)
Sự thay đổi vị trí mức Fermi theo một hàm của nồng độ hạt tải liên quan tới đáy
vùng dẫn gọi là dịch chuyển Burstein – Moss, và nó định rõ giới hạn độ truyền qua
của sóng ngắn.
1.1.2.1 Tán xạ hạt tải, thời gian hồi phục, thông số tán xạ

Tán xạ hạt tải dẫn tới một giá trị xác định của độ linh động. Tần số tán xạ hay
va chạm càng cao (do thờ
i gian hồi phục càng thấp) thì độ linh động càng thấp. Tỷ
lệ tán xạ cao làm cho bờ phản xạ plasma ít nhọn hơn, do đó làm giảm bớt độ truyền
qua. Hơn nữa nó cũng có thể là do sự hấp thụ các hạt tải tự do. Các hạt tải bị tán xạ
- 15 -



bởi các phonon, các sai hỏng điểm (ví dụ như các chỗ khuyết, các nguyên tử và các
ion tạp chất…), và các sai hỏng hai chiều như các biên góc nhỏ hoặc các biên hạt
trong các cấu trúc hạt xác định. Mặc dù khối lượng hiệu dụng được xem là một
thông số bên trong của vật liệu phụ thuộc vào thành phần của nó, nhưng thời gian
hồi phục thì chịu ảnh hưởng nhiều của chất lượng tinh thể như c
ấu trúc chưa hoàn
chỉnh do kỹ thuật tạo màng.
Thời gian hồi phục phụ thuộc vào năng lượng hạt tải và nó phụ thuộc một cách
khác nhau theo các cơ chế tán xạ riêng biệt. Trong trường hợp tán xạ bán đàn hồi,
sự phụ thuộc tần số tán xạ vào năng lượng có thể biểu diễn dưới dạng:

τ
-1

(E)
∝
W(E)D(E) (1.11)
Trong dó D(E) là hàm mật độ trạng thái, W(E) là bình phương của các yếu tố
ma trận tán xạ, mà nó cho chúng ta biết xác suất chuyển dời từ một trạng thái lượng
tử này sang một trạng thái lượng tử khác cùng mức năng lượng. Đối với các cơ chế
tán xạ thông thường nhất, từ lý thuyết cho thấy trong vùng dạng parabol , W(E) là
một hàm mũ theo năng lượng và thường được biểu diễn d
ưới dạng:
W(E)
α
E
-r
(1.12)
Và mật độ trạng thái được cho bởi: D(E)
α
E
1/2
(1.13)
Nghĩa là sự phụ thuộc của tần số tán xạ vào năng lượng theo dạng (1.14):
τ

α
E
r-1/2
(1.14)
Đại lượng r là thông số tán xạ, và nó khác nhau đối với mỗi cơ chế tán xạ, thay
đổi từ r = 0 đối với tán xạ phonon âm thanh đến r = 2 đối với tán xạ tạp chất ion
hóa.Sự phụ thuộc này ứng với một thông số tán xạ cố định xảy ra chỉ khi cơ chế tán
xạ giống nhau chiếm ưu thế trên tổng các mức năng lượng.Trong thực tế

, nhiều cơ
chế tán xạ quan trọng như nhau và có thể xảy ra đồng thời. Tần số tán xạ toàn phần
là tổng của các tần số riêng lẻ do mỗi cơ chế tán xạ, có thể được diễn tả như (1.15):
W(E) = W (E
F
) x (E/E
F
)
-r
(1.15)
Thông số tán xạ cho trường hợp này đươc xác định như (1.16):
- 16 -




()
ln 1
ln 2
F
F
EE
d
rE
dE
τ
=
⎛⎞
=
+

⎜⎟
⎝⎠
(1.16)
Độ linh động phụ thuộc vào nồng độ hạt tải và nhiệt độ, kiến thức về giá trị
thông số tán xạ là quan trọng trong việc xác định cơ chế tán xạ chiếm ưu thế.
Chúng ta cũng nên chú ý là thời gian hồi phục phụ thuộc vào khối lượng hiệu
dụng do sự phụ thuộc nghịch đảo của nó với mật độ trạng thái. Trong các TCO pha
tạp nặng (suy biến) thì tán xạ do tạp chất ion thỉnh thoảng là cơ chế tán xạ chiếm
ưu thế. Trong trường hợp này, đối với các vật liệu cùng nồng độ hạt tải thì mật độ
các ion tạp hoạt động điện và hằng số điện môi có thể khác ở độ linh động là do
khối lượng hiệu dụng khác nhau, vì
τ
ii

∝
1/m*, do đó
µ
ii

∝
1/m*
2
.
1.1.2.2 Ảnh hưởng của dạng phi parabol
Sự phụ thuộc E(k) theo dạng parabol chỉ gần đáy vùng dẫn. Khi năng
lượng tăng, sự phụ thuộc lệch khỏi dạng parabol và câu hỏi đặt ra là ở mức năng
lượng nào sự lệch dạng này trở nên quan trọng đáng kể đối với sự ảnh hưởng tính
chất điện mà ta quan tâm. Dấu hiệu rõ ràng nhất của dạ
ng phi parabol là sự tăng
khối lượng hiệu dụng theo năng lượng (với mức Fermi hoặc nồng độ hạt tải trong

các bán dẫn suy biến). Trong các bán dẫn chuyển mức thẳng vùng cấm hẹp như
InSb, (Hg,Cd)Te, PbSe, hoặc PbTe thì dạng phi parabol ảnh hưởng đáng kể vào
tính chất dịch chuyển điện ở các mức Fermi chỉ là E
F
~ 0.1 eV hoặc thậm chí nhỏ
hơn. Đối với bán dẫn vùng cấm rộng như TCO thì dạng phi parapol chưa được
nghiên cứu nhiều, như đối với ZnO pha tạp nặng và Cd
2
SnO
4
với E
F
~ 0.4 – 0.8
eV. Điều đó chứng minh là có sự tăng liên tục khối lượng hiệu dụng và mật độ
trạng thái theo nồng độ hạt tải.[79]
Để phân tích sự ảnh hưởng của dạng phi parabol trong mục này, chúng ta xét lý
thuyết dịch chuyển điện tử của Kolodziejchak và Zawadzki đối với cách tổng quát
của mô hình đa ellipsoid dạng vùng phi parabol. Các phương trình của các hệ số
dịch chuyển dựa vào việc giải phươ
ng trình Boltzmann và gần đúng thời gian hồi
- 17 -



phục. Trong hai nghiên cứu của hai tác giả trên, năng lượng phụ thuộc vào vector
sóng theo các trục chính ellipsoid (1,2,3) được mô tả bởi phương trình:
2
22 23
2
3

12
*** 23
10 20 30 1 2 3
( ) 1
2
k
kk EEE
EE
mmm EEE
γ
⎛⎞⎛ ⎞
+ + = = ++++
⎜⎟⎜ ⎟
⎝⎠⎝ ⎠
h
(1.17)
ở đó m*
i0
(i = 1, 2, 3) là các thành phần khối lượng hiệu dụng ở đáy vùng (E =
0) theo các chiều x,y, z.
γ
(E) là một hàm năng lượng tùy ý và nó đại diện cho một
chuỗi các năng lượng, với các hệ số như E
1
, E
2
, E
3
…v.v.
γ

(E) là hàm có thứ
nguyên năng lượng và tăng theo mũ của các số hạng. Các giá trị E
1
, E
2
, E
3
v.v.
xác định độ lệch của phổ dạng parabol ứng với mỗi năng lượng. Nếu E nhỏ hơn
nhiều các hệ số E
1
, E
2
, E
3
…v.v. thì phương trình giảm thành một vùng dạng
parabol. Chúng ta sẽ nói đến vùng phi parabol thứ nhất trong trường hợp này là:
1
() 1
E
EE
E
γ
⎛⎞
+
⎜⎟
⎝⎠
;
trong vùng năng lượng ta quan tâm, và bỏ qua các số hạng năng
lượng bậc cao hơn.

Đối với phổ dạng phi parabol, các phương trình tính khối lượng hiệu dụng, hàm
mật độ trạng thái và nộng độ hạt tải là:

[]
[]
**
**
**
*3/2
1/2
3
*3/2
3/2
3
()
()
()
4(2 )
() ( )
(2 )
8
()
3
iio
cco
ddo
do
F
do
F

d
mE m
dE
d
mE m
dE
d
mE m
dE
m
d
DE E
hdE
m
nE
h
γ
γ
γ
π
γ
γ
π
γ
=
=
=
=
=
(1.18)

- 18 -




Hình 1.3 Ảnh hưởng của dạng phi parabol vào khối lượng hiệu dụng, mật độ
trạng thái và nồng độ hạt tải.

Các đường liền nét trong hình 1.3 ở trên cho thấy sự khác nhau đối với một
vùng parabol, ở đó m*(E) = m
0
= const, D(E)
α
E
1/2
, và n
α
E
3/2
.Ta xét hai trường
hợp dạng phi parabol. Ký hiệu
chỉ vùng phi parabol thứ nhất, được tính từ
γ
=
E(1+ E/E
1
) Ký hiệu chỉ vùng phi parabol thứ hai, được tính từ
γ
= E(1+ E/E
1

+
E
2
/E
2
2
). Theo tính toán thì E
2
= 2E
1
. Cả hai vùng phi parabol trên tính cùng các
thông số
m*(E) = m*
0
d
γ
/dE, D(E)
∝
(m*
0
)
3/2
[
γ
(E
F
)]
1/2
(d
γ

/dE), và n
∝
(m*
0
)
3/2
[
γ
(E
F
)]
3/2

Chúng ta thấy rằng khối lượng hiệu dụng tăng theo năng lượng vì d
γ
/dE >0
Mật độ trạng thái cũng tăng nhanh theo năng lượng và mức Fermi tăng chậm
theo nồng độ hạt tải hơn so với nó trong vùng parabol như đã minh họa ở hình 1.3.
Dạng phi parabol thay đổi sự phụ thuộc thời gian hồi phục vào năng lượng. Một
trong những lý do là sự thay đổi sự phụ thuộc hàm D(E). Thành phần ma trận tán
xạ được giữ nguyên cùng sự phụ thuộc như trong tr
ường hợp dạng parabol W(E)
∝

(k
2
)
-r
với cùng giá trị của thông số tán xạ r đối với mỗi cơ chế tán xạ riêng biệt. Do
đó chúng ta thu được phổ dạng phi parabol:

τ

∝
[W(E)D(E)]
-1

∝

γ
1/2
(d
γ
/dE)
-1
thay vì
τ

∝
E
-1/2
đối với vùng dạng parabol.
- 19 -



Những phân tích ở trên cho thấy chúng ta cần phải biết sự phụ thuộc thực tế
E(k) khi chúng ta ước lượng giới hạn của giá trị độ linh động
µ
lim
cho các TCO pha

tạp nặng. Ví dụ như khối lượng hiệu dụng thu được từ một mẫu có nồng độ hạt tải
không quá cao mà ta có thể đánh giá quá cao độ linh động cho một vật liệu có nồng
độ hạt tải điển hình hơn. Điều đó cũng đúng cho tần số plasma và dịch chuyển
Burstein – Moss. Phân tích hiện tượng dịch chuyển nhằm chứng minh cơ chế tán
xạ chi
ếm ưu thế, và chúng ta có thể kết luận sai nếu lý thuyết dạng parabol được áp
dụng vào một dạng phụ thuộc E ~ k phi parabol.

1.1.3 Cấu trúc điện của ZnO

Cấu trúc điện của ZnO đã được tính toán từ nhiều nhà nghiên cứu. Hai vùng
hóa trị thấp nhất tương ứng với các trạng thái O
2-
:2s. Sáu vùng hóa trị kế tiếp liên quan
đến trạng thái liên kết O
2-
:2p. Hai trạng thái của vùng dẫn đầu tiên được cho bởi Zn và
trạng thái đó tương ứng với các mức Zn
2+
:4s không bị chiếm. Những vùng dẫn cao
hơn gần như trống điện tử. Độ rộng vùng cấm cơ bản khoảng 3.4eV tại nhiệt độ
phòng, được xác định bằng cách sử dụng mô hình cấu trúc vùng. ZnO không pha tạp là
một loại bán dẫn chuyển mức thẳng. Các hạt tải tự do được hình thành từ các mức
dono của nó liên quan đến chỗ khuyết oxy hoặc Zn bên trong hoặc cả hai. Các mức
dono
được tạo ra do sự kết hợp của các nguyên tử bên ngoài như hydro, indium, nhôm
và gali. Chúng ta có thể tạo ra được ZnO loại p và n để thấy rõ những thiết bị lưỡng
cực từ ZnO. Tuy nhiên nhìn chung thì các bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn có một
vấn đề pha tạp bất đối xứng, tức là nó cho phép dễ dàng pha tạp loại n hoặc loại p
nhưng khó có thể pha tạp có cả hai. Ví dụ như ZnO dễ dàng được pha tạp để trở thành

loại n với nồng độ hạt tải cao và điện trở thấp nhờ vào việc pha tạp các nguyên tố
nhóm III. Tuy nhiên ZnO loại p rất khó đạt được cho dù các nguyên tố nhóm V như
nitơ được xem như là chất pha tạp acceptor.[3,4,79]
- 20 -



1.1.4 Tính chất điện của ZnO
Độ dẫn của tinh thể bán dẫn σ
t
là tổng độ dẫn của electron (σ
e
) và lỗ trống (σ
p
)
được tính như (1.19):
σ
t
= σ
e
+ σ
p
(1.19)
Điện trở của vật liệu khối với độ dẫn khối σ
b
, độ linh động µ, chiều dài l và
diện tích bề mặt A được tính theo công thức (1.20):
R
b
= l/(σ

b
.b.d)=l/(σ
b
.A) với σ
b
= σ
e
+ σ
p
= n. µ
e
.e + p. µ
p
.e (1.20)
Ở đây nồng độ hạt tải n và p của bán dẫn có thể được tính theo công thức (1.21):

()()
()(1 ())
c
v
E
E
nDEfEdE
p
DE f E dE
∞
−∞
=
=−
∫

∫
(1.21)
Với hàm phân bố Fermi – Dirac f(E) và mật độ trạng thái D(E):
()
3
1
2
2
22
2
1
()
2
e
c
m
DE E E
h
π
⎛⎞
=−
⎜⎟
⎝⎠
;
1
()
1exp
F
fE
EE

kT
=
−
⎛⎞
+
⎜⎟
⎝⎠
(1.22)
Khi E
c
- E
F

≥
4kT, nồng độ hạt tải n và p có thể tính xấp xỉ bởi công thức:
exp
Fc
c
EE
nN
kT
−
⎛⎞
=
⎜⎟
⎝⎠
;
3/2
2
2

2
e
c
mkT
N
h
π
⎛⎞
=
⎜⎟
⎝⎠
(1.23)

exp
vF
v
EE
pN
kT
−
⎛⎞
=
⎜⎟
⎝⎠
;
3/2
2
2
2
p

v
mkT
N
h
π
⎛⎞
=
⎜⎟
⎝⎠
(1.24)

1.2 Vật liệu In
2
O
3


1.2.1 Cấu trúc tinh thể của In
2
O
3


In
2
O
3
có cấu trúc tinh thể bixbyite vốn là một đất hiếm loại lập phương và là
một oxit sai hỏng khuyết. Bixbyite có 80 nguyên tử trong một ô đơn vị và thuộc nhóm
điểm không gian Ia3, có hằng số mạng 1nm, dựa trên cách sắp đặt của nhóm điểm

- 21 -



MO
6
. Cấu trúc bixbyite giống như cấu trúc của fluorite với các nguyên tử In tạo thành
mạng lập phương tâm mặt và những tứ diện được lấp đầy bởi các nguyên tử oxy. Sự
khác nhau cơ bản giữa hai cấu trúc bixbyite và fluorite là nhóm điểm MO
8
trong cấu
trúc bixbyite (Các nguyên tử oxy được đặt ở góc của hình lập phương còn các nguyên
tử In được đặt ở các tâm của các hình lập phương) được thay thế bởi các ô đơn vị có
các chỗ thiếu nguyên tử oxy ở bên trong hoặc trên bề mặt như miêu tả trong hình 1.4.
Việc loại bỏ hai nguyên tử oxy trong nhóm điểm MO
8
tạo thành nhóm điểm MO
6
sinh
ra lực dịch chuyển nguyên tử In lệch khỏi tâm của hình lập phương. Do đó, In được
phân bố ở hai vị trí không cân bằng, một phần tư nguyên tử In nằm ở tâm của khối bát
diện oxy bị biến dạng tam giác (oxy bị thiếu theo đường chéo) ba phần tư còn lại nằm
ở tâm của khối bát diện bị biến dạng nhiều hơn và kém đối xứng hơn dẫn đến việ
c
loại bỏ được hai nguyên tử oxy từ mặt giống nhau của hình tứ diện. Kết quả là nhóm
điểm MO
6
được hình thành như sau : một phần tư nguyên tử oxy bị thiếu ở mỗi mặt
{100} trong cấu trúc fluorite.[4]

Hình 1.4: Sự sắp xếp các nguyên tử trong tinh thể In
2
O
3
.



Nguyên
tử In
Nguyên
tử O
Chỗ khuyết O
- 22 -



1.2.2 Cấu trúc khối của In
2
O
3


Cấu trúc vùng năng
lượng của In
2
O
3
được mô

tả như trong hình 1.5.
Vùng chiếm giữ cao nhất
cho thấy rất ít sự tán sắc,
chỉ có 19meV dọc theo
đường Γ-N. Điều này rõ
ràng mâu thuẫn với sự tồn
tại của một bán dẫn chuyển
mức thẳng cơ bản khoảng
1eV. Ảnh hưởng này liên quan đến trạng thái 4d của In. Ảnh hưởng nhỏ này làm
cho có một sự thay đổi bề rộng vùng Γ-N nhỏ hơ
n 50meV. Vùng hóa trị cao nhất
tại Γ là suy biến bội ba và được xuất phát từ trạng thái 2p của O và đặc trưng 4d
của In (sự đối xứng Γ
4
, T
g
), trong khi trạng thái vùng dẫn nhỏ nhất là một sự pha
trộn của các orbital In 5s và O 2s (sự đối xứng Γ
1
, A
g
). Khi cấu trúc bixbyite chứa
một tâm đảo và số hạng dipole điện là lẻ thì các chuyển mức quang mạnh chỉ được
phép giữa hai trạng thái đối nhau. Các yêu cầu đối xứng trên dẫn tới sự chuyển
mức trực tiếp từ vùng hóa trị cao nhất đến vùng dẫn thấp nhất tại Γ, tạo thành vùng
cấm Γ
4
-Γ
1
và chỉ có thể tạo ra một sự đóng góp rất yếu cho sự hấp thụ photon do

ảnh hưởng của các dao động mạng. Chỉ từ 0.81eV đến dưới vùng hóa trị cao nhất
thì các sự chuyển dời mạnh được thấy. Ở đây, đặc trưng hàm sóng tại Γ trở nên
giống trạng thái p (sự đối xứng Γ
8
, T
u
) và các sự chuyển dời quang mạnh có thể
xảy ra với một yếu tố ma trận chuyển dời khoảng 0.74 a.u đối với sự hấp thụ Γ
8
-T
u
.
Năm đường của các vùng nằm trong dãy từ 0-0.81eV, thì ba trong số đó là trạng
thái chẵn và hai trạng thái lẻ. Tuy nhiên, trong khi các sự chuyển dời từ các vùng
Hình 1.5. Cấu trúc vùng năng lượng của In
2
O
3
.
- 23 -



trạng thái lẻ từ 0.25 đến 0.5 eV là khác không, chúng dẫn đến các yếu tố ma trận
rất nhỏ khoảng yếu hơn 100 lần so với sự hấp thụ Γ
8
-Γ
1
mạnh tại 0.81 eV. Điều
này là do các trạng thái đó bắt đầu từ các vùng che phủ của một ô cơ bản In

2
O
3
lý
tưởng, vì thế chúng có thể là giả trực tiếp [78].

1.2.3 Cấu trúc điện của In
2
O
3


In
2
O
3
có cấu trúc lập phương bixbyite trong đó ion O
2-
chiếm giữ ba phần tư của
hình tứ diện bên trong của một mạng ion In
3+
dạng lập phương tâm mặt. Vì vậy, In
2
O
3

sẽ bao gồm vùng hóa trị lấp đầy O
2-
:2p mà đó là đặc tính chủ yếu của lớp 2p của oxy.
Nhân In:3d nằm dưới bờ vùng hóa trị (E

v
). Vùng dẫn là vùng In:5s với biên của vùng
(E
c
) xấp xỉ 3.75eV cao hơn biên vùng hóa trị (E
v
). In
2
O
3
thì luôn thiếu oxy như đã nói
ở trên. Ở nồng độ thiếu oxy cao, một vùng thiếu oxy được hình thành và chồng chập
lên E
C
tại đáy của vùng dẫn làm In
2
O
3
trở thành bán dẫn suy biến. Nhờ đó, các lỗ
khuyết oxy đóng vai trò như các donor ion hóa gấp bội và đóng góp tối đa 2 electron
cho vùng dẫn. Các điện tử có thể được sinh ra bằng cách pha tạp Sn vào trong In
2
O
3

hình thành In
2
O
3
:Sn. Bởi vì In có hóa trị III, Sn thay thế cho một In tạo thành bán dẫn

loại n khi đó có thêm một điện tử được cung cấp cho vùng dẫn [4, 78].

1.3 Vật liệu ZnO pha tạp

ZnO là một bán dẫn loại n có độ vùng cấm khoảng 3.3eV và là dạng chuyển
mức thẳng. Vật liệu ZnO có rất nhiều trong tự nhiên nên giá thành của nó tương đối rẻ.
Để nâng cao và phát triển rộng tính ứng dụng của ZnO, người ta pha tạp vào ZnO một
lượng nhỏ các chất khác như kim loại hoặc phi kim tùy vào mục đích ứng dụng cụ thể.
Chẳng hạn như ZnO pha tạp Al hoặc Ga là các bán dẫn loại n, có nhiều ứng dụng
như làm điện cực trong suốt, sensor dò khí, gương nóng truyền qua….Ngoài ra cũng
có ZnO pha tạp Sb hoặc Sn cũng với các ứng dụng tương tự như trên. Các kim loại Ga,
- 24 -



Sb, Sn… được xem là các kim loại nặng khi pha tạp vào ZnO do nó có khối lượng
nguyên tử tương đối lớn. Tuy nhiên cũng có các kim loại nhẹ được pha tạp vào ZnO
như Li, Na, Al, Mg, Mn…Trong số các bán dẫn pha tạp nói trên thì ZnO pha tạp Sb
hay Mg là bán dẫn loại p, còn hầu hết các bán dẫn còn lại là bán dẫn loại n [70-77].
Hơn thế nữa, nhiều nhà khoa học còn pha tạp phi kim vào ZnO như C, N,
P…cũng nhằm mục đích nâng cao tính ứng dụng của ZnO. Trong đó ZnO pha tạp N là
bán dẫn loại p, nhưng vi
ệc chế tạo ra loại bán dẫn này còn gặp nhiều khó khăn và vẫn
đang được nghiên cứu thêm [73].
Ngoài ra màng ZnO còn được nghiên cứu pha tạp với hai chất khác nhau, ví dụ
như màng ZnO pha tạp với Al-N của tác giả Hu-Jie-Jin [80] , hay màng ZnO pha tạp
với Al-CO của tác giả L.El Mir [74] , hoặc pha tạp ZnO với Ga-I của tác giả A. Mitsui
[81]…Tất cả đều hướng tới mục đích cải thiện tính chất vật lý khác nhau của màng để
mở rộng ph
ạm vi ứng dụng của chúng.

Trong luận văn này chúng tôi chọn kim loại In để pha tạp vào ZnO với mục
đích là ứng dụng trong điện cực trong suốt. Theo tài liệu tham khảo [38] thì In
3+
có
bán kính ion 0.62Å và độ âm điện 1.7 so với bán kính ion của Zn
2+
0.6 Å, và Al
3+
(0.39
Å, 1.5), Ga
3+
(0.47 Å, 1.6) thì In có bán kính ion gần bằng với bán kính ion Zn
2+
nên ít
làm biến dạng cấu trúc của ZnO. Ngoài ra chúng ta có thể tham khảo các bảng 1.1 và
bảng 1.2 để biết thêm cấu trúc hóa của In và các nguyên tố khác.












- 25 -

Bảng 1.1 Cấu hình điện tử của các nguyên tố kim loại nặng

Cu
[Ar]3d
10
4s
1

Zn
[Ar]3d
10
4s
2

Ga
[Ar]3d
10
4s
2
4p
1

Ge
[Ar]3d
10
4s
2
4p

2

As
[Ar]3d
10
4s
2
4p
3

Ag
[Kr]4d
10
5s
1

Cd
[Kr]4d
10
5s
2

In
[Kr]4d
10
5s
2
5p
1
Sn

[Kr]4d
10
5s
2
5p
2

Sb
[Kr]4d
10
5s
2
5p
3

Au
[Xe]4f
14
5d
10
6s
1

Hg
[Xe]4f
14
5d
10
6s
2

Tl
[Xe]4f
14
5d
10
6s
2
5p
1

Pb
[Xe]4f
14
5d
10
6s
2
5p
2

Bi
[Xe]4f
14
5d
10
6s
2
6p
3

[Ar]: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6

[Kr]: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
2
4p
6
[Xe]: 1s
2

2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
2
4p
6
4d
10
5s
2
5p
6
Bảng 1.2: Các thông số chính của kim loại nặng

Kim loại Ôxít Bán kính
ion (pm)
Chiều dài
liên kết
M - O (Å)
Góc liên
kết
M-O-M

Độ che
phủ
Zn 4s ZnO 1.16 1.976
108.2
0

0.6045
Ga 4s
β-Ga
2
O
3

0.88 1.978
100.4
0

0.4632
Ge 4s GeO
2
0.71 1.738
130.0
0

0.2848
Cd 5s CdO 1.25 2.348
90.0
0

0.6905

In 5s
In
2
O
3

0.95 2.180
98.2
0

0.5613
Sn 5s
SnO
2

0.77 2.052
101.9
0

0.4523

- 26 -



Từ bảng 1.2 ta thấy với các thông số của In so với Zn thì việc chọn nó làm kim
loại pha tạp cũng khá phù hợp. Đặc biệt In có độ che phủ lớn gần bằng với Zn, điều
này làm cho vùng dẫn rộng hơn và đo đó ZnO pha tạp In sẽ có tính dẫn điện tốt.
1.4 Tính chất điện quang của màng ZnO pha tạp.
Tùy vào vật liệu pha tạp vào ZnO mà tính chất điện quang của màng ZnO pha

tạp khác nhau. ZnO pha tạp nhóm kim loại IA ( Li, Na…) có thể thành bán dẫn loại p
do khi pha tạp nhóm kim loại này vào ZnO thì tạo ra mức acceptor trong vùng cấm
năng lượng của ZnO và sự dẫn điện của ZnO pha tạp loại này chủ yếu là do lỗ trống
nên độ dẫn điện không cao ( ZnO:Li có ρ ~ 10
7
Ω.cm theo nhóm tác giả S.H.Jeong[
76,77], ZnO:Na có ρ ~ 100 Ω.cm theo nhóm tác giả S.S. Lin[70] ). Ngoài ra ZnO pha
tạp Mg, Sb cũng có thể trở thành bán dẫn loại p (ZnO:Mg có ρ ~ 10 - 20 Ω.cm theo
nhóm tác giả Tae Hyun Kim[71], ZnO: Sb có ρ ~ 2 – 4 Ω.cm theo nhóm tác giả
Xinhua Pan [75] ). Bên cạnh đó, để ứng dụng làm điện cực trong suốt, các nhóm
nghiên cứu pha tạp vào ZnO các kim loại như Al, Ga, In. ZnO pha tạp loại này đều là
bán dẫn loại n nên độ dẫn điện của nó khá tốt, ZnO:Al có ρ ~ 3.5 x 10
-4
Ω.cm của
nhóm tác giả Lê Trấn [1], ZnO:Ga có ρ ~ 3.0 x 10
-4
Ω.cm của tác giả Trần Cao Vinh
[2], ZnO:In có ρ ~ 6.0 x 10
-3
Ω.cm của nhóm tác giả C.E.Benouis [55]). Đối với các
ZnO pha tạp loại n này thì trong vùng cấm năng lượng của ZnO sẽ hình thành mức
donor gần đáy vùng dẫn. Chính các mức donor này tích tụ các điện tử dư ra của các vật
liệu pha tạp và cung cấp cho vùng dẫn làm cho ZnO pha tạp loại này có độ dẫn điện
tăng cao.
Về tính chất quang của các màng ZnO pha tạp nói trên thì hầu hết các màng đều
có độ truyền qua trong vùng khả kiến khá tốt (> 80%) và
độ rộng vùng cấm quang có
thể từ 3.2 – 3.5 eV tùy theo loại vật liệu pha tạp, sự chênh lệch giá trị năng lượng vùng
cấm này có thể là do sự dịch chuyển Burstein – Moss đối với bán dẫn pha tạp. [1, 2,
55, 70-77].