Luận văn thạc sĩ Kaisone

BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH : VẬT LÍ CHẤT RẮN
MÃ SỐ : 60.44.07
Học viên: Kaisone SONTHIKHUOMMAN
GVHD : PGS.TS. Nguyễn Văn Minh
Hà Nội - 2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
Đề tài
Chế tạo màng mỏng SrTi
1-x
M
x
O
3
(M = Ni, Fe)
bằng phương pháp bốc bay xung laser và khảo sát
hình thái bề mặt bằng ảnh hiển vi lực nguyên tử
Học viên: Kaisone SONTHIKHUOMMAN
GVHD : PGS.TS. Nguyễn Văn Minh
Hà Nội - 2011
Nội dung báo cáo
Lý do chọn đề tài
Tổng quan
Thực nghiệm
Kết quả và thảo luận
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Một trong các hướng nghiên cứu đang được triển khai
thực hiện tại Trung tâm khoa học và công nghệ nano là chế tạo
các vật liệu màng mỏng bằng phương pháp bốc bay xung laser
(PLD). Việc khảo sát hình thái, mật độ phân bố hạt trên bề mặt

được chúng tôi nghiên cứu thông qua ảnh AFM trên hệ
NAVITAR được trang bị tại Trung tâm.
Với những lí do trên và dựa vào điều kiện trang thiết bị tại
cơ sở, tôi đã chọn đề tài: “Chế tạo màng mỏng STO bằng
phương pháp bốc bay xung laser và khảo sát hình thái bề mặt
bằng ảnh hiển vi lực nguyên tử” làm luận văn của mình.
MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
 Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của AFM.
 Chế tạo bia SrTi
1-x
Ni
x
O
3
và SrTi
1-x
Fe
x
O
3
bằng
phương pháp gốm.
 Chế tạo màng SrTi
1-x
Ni
x
O
3
và SrTi
1-x

Fe
x
O
3
bằng
phương pháp bốc bay xung Laser.
 Khảo sát hình thái bề mặt của các màng tạo được bằng
ảnh AFM.
TỔNG QUAN
 Kính hiển vi lực nguyên tử
Lịch sử phát triển
 AFM lần đầu tiên được phát triển vào năm 1985.
 Năm 1987, T. Albrecht đã lần đầu tiên phát triển AFM đạt
độ phân giải cấp độ nguyên tử.
 Năm 1988, AFM chính thức được thương mại hóa bởi
Park Scientific (Stanford, Mỹ).
Sơ đồ cấu tạo của AFM
Cấu tạo
Nguồn laser, gương phản xạ (mirror ), đầu thu tín hiệu
(photodiod), mũi dò (tip), cần rung (cantilever ) và bộ quét
áp điện
Nguyên tắc hoạt động của AFM
Khi mũi nhọn quét gần bề mặt
mẫu vật, sẽ xuất hiện lực
VanderWaals giữa các nguyên tử
tại bề mặt mẫu và nguyên tử tại
đầu mũi nhọn (lực nguyên tử) làm
rung thanh cantilever. Lực này phụ
thuộc vào khoảng cách giữa đầu
mũi dò và bề mặt của mẫu.

Sự phụ thuộc của lực tương tác giữa đầu mũi dò
vào khoảng cách tới bề mặt mẫu
Dao động của thanh rung do lực tương tác được ghi lại nhờ
một tia laser chiếu qua bề mặt của thanh rung, dao động của
thanh rung làm thay đổi góc lệch của tia laser và được detector
ghi lại. Việc ghi lại lực tương tác trong quá trình thanh rung quét
trên bề mặt sẽ cho hình ảnh cấu trúc bề mặt của mẫu vật.
Các chế độ ghi ảnh
 Chế độ tiếp xúc.
 Chế độ không tiếp xúc.
 Chế độ đánh dấu.
 AFM khắc phục nhược điểm của STM, có thể chụp ảnh
bề mặt của tất cả các loại mẫu kể cả mẫu không dẫn điện.
 AFM không đòi hỏi môi trường chân không cao, có thể
hoạt động ngay trong môi trường bình thường.
 AFM cũng có thể tiến hành các thao tác di chuyển và
xây dựng ở cấp độ từng nguyên tử, một tính năng mạnh
cho công nghệ nano. Đồng thời AFM cũng hoạt động mà
không đòi hỏi sự phá hủy hay có dòng điện nên còn rất
hữu ích cho các tiêu bản sinh học.
Ưu điểm của AFM
Hạn chế của AFM
 AFM quét ảnh trên một diện tích hẹp (tối đa đến 150
micromet).
 Tốc độ ghi ảnh chậm do hoạt động ở chế độ quét.
 Chất lượng ảnh bị ảnh hưởng bởi quá trình trễ của bộ
quét áp điện.
 Đầu dò rung trên bề mặt nên kém an toàn, đồng thời
đòi hỏi mẫu có bề mặt sạch và sự chống rung.
Ứng dụng của AFM

 AFM có các ứng dụng như: Chụp ảnh cắt lớp nhanh,
mô tả, phân tích, xác định đặc điểm bề mặt, kiểm soát
chất lượng, kiểm tra khuyết tật vật liệu, đo cơ học đơn
phân tử.
 AFM có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: công
nghệ nano, công nghệ bán dẫn, dược phẩm, sinh học,
công nghệ vật liệu.
Chế tạomàngmỏng bằng phươngphápbốc bay xunglaser
Nguyên lí hoạt động của hệ PLD
Sơ đồ nguyên lý bốc bay xung laser
a. Sơ đồ hệ bốc bay
b. Dạng xung laser
c. Hình thành vùng sáng elip và xuyên sâu vào bia của chùm tia laser
Ưu điểm của phương pháp PLD
Phương pháp bốc bay laser có nhiều ưu điểm vượt trội
so với các phương pháp khác là vật liệu để làm bia rất đa
dạng và cấu trúc của bia lại rất đơn giản: vật liệu bia có
thể đơn chất hoặc hợp chất, một hoặc nhiều thành phần;
bia có thể là vật liệu bột, vật liệu đa hoặc đơn tinh thể,
viên ép sau khi đã tổng hợp thiêu kết. Năng suất bốc bay
(số nguyên tử lắng đọng trên một photon) là đại lượng rất
nhạy với hình thái học bề mặt bia.
THỰC NGHIỆM
Chế tạo mẫu
 Mẫu khối SrTi
1-x
Ni
x
O
3

và SrTi
1-x
Fe
x
O
3
Quy trình chế tạo mẫu:
Cân các hoá chất theo đúng hợp phần
Hệ mẫu SrTi
1-x
Ni
x
O
3
và SrTi
1-x
Fe
x
O
3
Nghiền cơ học (4 giờ/mẫu)
Ép viên
Nung
Lần 2
 Chế tạo mẫu màng SrTi
1-x
Ni
x
O
3

và SrTi
1-x
Fe
x
O
3
• Chế tạo bia của hệ mẫu SrTi
1-x
Ni
x
O
3
và SrTi
1-x
Fe
x
O
3
Quy trình chế tạo bia SrTi
1-x
Ni
x
O
3
và SrTi
1-x
Fe
x
O
3

Cân hoá chất theo
đúng thành phần
Nghiền trộn hỗn
hợp hoá chất trong
dung môi êtannol
trong 4giờ/mẫu
Ép viên và nung sơ bộ
lần 1ở 600
o
C (thời
gian 6 giờ )
Nghiền trộn hỗn hợp
hoá chất trong dung
môi êtannol trong
4giờ/mẫu
Ép viên và nung
thiêu kết bộ lần 2 ở
1100
o
C (thời gian 8
giờ )
Bia mẫu
SrTi
1-x
Ni
x
O
3
và
SrTi

1-x
Fe
x
O
3
Sơ đồ chế tạo bia của hệ mẫu SrTi
1-x
Ni
x
O
3
và SrTi
1-x
Fe
x
O
3
Chế tạo mẫu màng
Hệ bốc bay xung laser PLD:
2
1
3
4
1. Buồng chân không. 3. Bơm chân không.
2. Nguồn Laser. 4. Tủ điều khiển
Phép đo nhiễu xạ tia X
Sơ đồ nguyên lý nhiễu xạ tia X.
Nhiễu xạ tia
X là một kỹ thuật
dùng để nghiên

cứu cấu trúc tinh
thể.
Hệ AFM NAVITAR
Hiển vi lực nguyên tử (AFM)
 Kết quả chế tạo mẫu khối SrTi
1-x
Ni
x
O
3
và SrTi
1-x
Fe
x
O
3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Chúng tôi đã chế tạo được các mẫu khối với nồng độ thay thế
khác nhau (x = 0.0 -> 0.5). Các viên mẫu khối này sẽ được dùng
làm bia để bốc bay laser chế tạo các màng mỏng
Kết quả chế tạo mẫu khối
SrTi
1-x
Ni
x
O
3
Kết quả chế tạo mẫu khối
SrTi
1-x

Fe
x
O
3
Tính chất cấu trúc
Cấu trúc perovskite SrTiO
3
lý
tưởng ở nhiệt độ phòng.
Tại nhiệt độ phòng, vật liệu
STO có cấu trúc lập phương,
thuộc nhóm không gian tinh
thể học P
m3m
(O
1
h
).
20 40 60
(100)
(100)
0,3
0,2
0,1
Cêng ®é (®.v.t.y.)
2 (®é)
(100)
(210)
0,0


TiO
2
: 
Kết quả nhiễu xạ tia X
Hệ mẫu
SrTi
1-x
Ni
x
O
3
Hệ mẫu
SrTi
1-x
Fe
x
O
3
2 0 4 0 6 0
(1 1 1 )
0 ,2
0 ,1
(2 1 0 )
(1 1 0 )
C  ê n g ® é (® .v .t.y .)
2  (® é )
(1 0 0 )
0 ,0

T iO

2
:
Các đỉnh nhiễu xạ xuất hiện tại các vị trí tương ứng
với góc 2θ vào khoảng: 22.5
0
, 25.4
0
, 32.08
0
, 40.1
0
và
66
0
. Kết quả tính toán và đối chiếu với thể chuẩn cho
thấy, các mẫu này đều có cấu trúc lập phương.
Hằng số mạng của các mẫu
Mẫu
(nồng độ hay thế)
Hằng số mạng
(Å)
0.0 3.946
0.1 3.934
0.2 3.899
0.3 3.897
Mẫu
(nồng độ thay thế)
Hằng số mạng
(Å)
0.0 3.952

0.1 3.932
0.2 3.892
SrTi
1-x
Fe
x
O
3
SrTi
1-x
Ni
x
O
3
Kết quả tính toán đã chỉ ra, khi nồng độ thay thế tăng thì hằng
số mạng của tinh thể giảm, chứng tỏ nồng độ thay thế đã ảnh
hưởng lên kích thước và cấu trúc của tinh thể. Điều này có thể do
sự khác nhau về bán kính ion của Ni thay thế cho Ti và ion của
Fe nhỏ hơn của Ti.
Khảo sát bề mặt hệ mẫu SrTi
1-x
Fe
x
O
3
Ảnh AFM của mẫu STO tinh khiết nung ở 1000
o
C
trong 1h
Ảnh hiển vi lực nguyên tử của hệ mẫu chế tạo theo phương

pháp bốc bay xung laser