Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất của hợp chất bán dẫn vùng cấm rộng có cấu trúc Nanomét
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.13 MB, 50 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Phạm Thế Kiên
CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT
CỦA HỢP CHẤT BÁN DẪN VÙNG CẤM RỘNG
CÓ CẤU TRÚC NANOMÉT
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hà Nội - 2008
1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Phạm Thế Kiên
CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT
CỦA HỢP CHẤT BÁN DẪN VÙNG CẤM RỘNG
CÓ CẤU TRÚC NANOMÉT
Ngành:
Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
Mã số:
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Người hướng dẫn khoa học
PGS. TS. Nguyễn Thị Thục Hiền
Hà Nội - 2008
3
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 5
1.1 Sự giam giữ lượng tử 5
1.2 Giếng lượng tử 9
1.3 Dây lượng tử 10
1.3.1 Năng lượng giam giữ 10
1.3.2 Mật độ trạng thái 11
1.4 Cơ chế tái hợp 14
1.4.1 Liên kết điện tử - lỗ trống (exciton) 14
1.4.2 Các cơ chế phát huỳnh quang 15
1.5 Vật liệu bán dẫn ZnO 16
1.5.1 Cấu trúc của tinh thể ZnO 17
1.5.2 Cấu trúc vùng năng lượng 18
1.5.3 Một số tính chất quang của ZnO 19
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 21
2.1 Các phương pháp tổng hợp cấu trúc một chiều 21
2.1.1 Nuôi dây nano nhờ dung dịch 21
2.1.2 Tổng hợp dây nano nhờ pha hơi 23
2.2 Một số phương pháp nghiên cứu tính chất vật liệu 25
2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 25
2.2.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 26
2.2.3 Phép đo phổ huỳnh quang 27
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29
3.1 Quy trình thực nghiệm 29
3.1.1 Chế tạo màng ZnO ban đầu 29
3.1.2 Tiến trình chế tạo dây nano ZnO 31
3.2 Kết quả và thảo luận 33
3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tạo mẫu 33
3.2.2 Kích thước của cấu trúc một chiều ZnO 35
3.2.3 Kết quả đo phổ nhiễu xạ tia X 38
3.2.4. Phổ phân tích thành phần mẫu (EDS) 42
3.2.5 Kết quả đo huỳnh quang 42
KẾT LUẬN 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO 49
4
MỞ ĐẦU
-9
n
k
2
, ZnO
.
t
ba
.
.
5
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1 Sự giam giữ lượng tử
1.1,)()(
)(
g
rgki
gk
e
kCr
k
g
hai cao
z
. Ng(1.1)
z.
0, 1, 2, 3.
2.1.~. pz
z
z,
z
z/
3.1.
22
2
2
2
zmm
p
E
z
6
z
4.1.
2
2
2
2
Tk
zm
E
B
4)
5.1.
2
2
1
2
kTm
z
, Heisenberg
E
~.
E
hay
6.1.~
E
7.1.
m
e
2
1 z
z
a. Điều kiện thứ nhất
T
s
nn
EEE
1
.
k
B
T/2
1.4
nn
EE ,
1
b. Điều kiện thứ hai
7
E
F
(T = 0 K)
8.1.
12
EEE
F
,
1 nnF
EEE
c. Điều kiện thứ ba
n
*
m
e
n,
p
x
, p
y
9.1.
*
1
um
e
EE
nn
n (1.9l
z
(
zl
).
P
E
E
1
E
2
E
3
E
z
z
(a)
(b)
Hình 1.1.
8
(m* trong khi
E
E
z
.
z
zl
[4].
. ,
.
a
B
(
2
/ mea
B
m
6]. Khi
B
az
B
az
.
10.1,~
1
2
d
EEg
d
Delta.
9
[5,7].
1.2 Giếng lượng tử [7]
[6].
x, y z z
11.1.,,, zyxzyx
k
x, y.
n z.
12.1,, kEEknE
n
E
n
n.
x, y
13.1,
1
rki
k
e
A
r
k
.
A
14.1.
2
22
m
k
kE
10
n
15.1.
*2
,
22
m
k
EknE
n
hai
nn
EE
1
k
B
T (k
B
16.1.,
1
TkEE
Bnn
1.3 Dây lượng tử
yx
)exp( xik
x
z-y
1.3.1 Năng lượng giam giữ
z y
17.1.
2
2
1
1
2
2
z
zzE
dz
zd
m
n
n
n = 3
n = 2
n = 1
n = 0
z
z
z
2
/2m
*
d
2
Hình 1.2.
11
18.1.
2
2
2
2
2
2
y
yyE
dy
yd
m
n
n
19.1,
2
22
,,
2121
m
k
EEE
nnknn
n
1
, n
2
20.1
2
2
1
2
1
z
n
m
E
n
21.1.
2
2
2
2
2
y
n
m
E
n
[5].
1.3.2 Mật độ trạng thái
D(E .
d
22.1,
EEED
E
khi
),,(
kn
, (n k
k
,
spin)
23.1.
,,
kn
nk
EEED
k
24.1
2
kd
V
d
k
d
(V ng gian d
12
25.1,
2
2
n
nk
d
d
EEkdED
D(E
gian d
+ Khi d dk = dk
x
.
+ Khi d
yx
dkdkkd
2
2
ddkkkd
+ Khi d
dddkkkd sin
23
* Xét trường hợp d = 1
Vek k
x
26.1,
2
22
,,
2121
m
k
EEE
x
nnknn
27.1.
2
2
2
21
21
,
22
1
1
nn
nn
m
k
EEEdkED
28.1.
12
21
21
21
,
,
,1
nn
nn
nn
EE
EE
m
ED
Hình 1.3.
3D
2D
1D
0D
13
29.1,)(
2
)(
2
1
2
1
i
EE
m
EN
E
i
D
1
(E
thay
z y
* Xét trường hợp d = 2
Vek k
x
, k
y
30.1.
22
2
2
2
22
m
kk
E
m
k
EE
yx
nnnk
31.1.
2
2
2
2
0
22
2
2
n
n
m
k
EEkdkED
m
k
x
2
22
;
m
kdk
dx
2
,
32.1,
2
2
2
0
22
2
n
n
xEEdx
m
ED
xEEy
n
,
33.1,1
22
2
n
EE
n
EE
n
n
dyy
m
ydy
m
ED
34.1,
2
2
n
n
EE
m
ED
x
* Xét khi d = 3 và phổ năng lượng điện tử là liên tục
Vectk k
x
, k
y
, k
z
35.1.
2
22
m
k
E
14
36.1
2
4
2
2
0
22
2
3
3
m
k
EdkkED
hay
37.1,
2
2
1
0
21
23
22
3
dxxEx
m
ED
38.1.
2
21
32
21
3
E
mm
ED
1.4 Các cơ chế tái hợp
-
R
-
- aceptor -
1.4.1. Liên kết điện tử - lỗ trống (exciton)
tr
nhau
[14].
15
-
-
-
- Mott [3].
1.4.2. Các cơ chế phát huỳnh quang
Khi
photon.
Plasma).
0
E
g
E
g
- E
ex
exciton
exciton
Hình 1.10.
16
-
E
- D
4. - acceptor (A
- acceptor.
- DD
- DA
E
C
, E
v
[6].
1.5 Vật liệu bán dẫn ZnO
-
-
1.5.1 Cấu trúc của tinh thể ZnO
C
C
E
D
1
2
3
4
5
A
DD
C
6
7
V
V
V
V
DA
C
E
c
E
v
V
Hình 1.11.
17
2+
Anion O
2-
0,
0, u); (1/3, 1/3, 1/3 + uu ~
. k
uc
2/1223
])2/1(3/1[ uca
a = 3,24256
, c = 5,1948 [8].
Hình 1.6.
- oxy
-
Hình 1.7.
18
.
c
[14].
1.5.2 Cấu trúc vùng năng lượng
oe
mm 19,0
*
oh
mm 28,1
*
[19].
oxy
Hình 1.8.
Hình 1.9.
19
1.5.3 Một số tính chất quang của ZnO
--
10
-6
-
[10].
-
quang. Khi
[10].
P
- Vùng tử ngoại (UV
donor - acceptor [9].
- Vùng xanh lá cây (GL
oxy [16,19].
- Vùng vàng (YL
-
Zn
14,
19].
- Vùng đỏ (RL
- RL
20
m, 708,3 nm, 716,3 nm,
720,3 nm 1, 14].
21
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1 Các phương pháp tổng hợp cấu trúc một chiều
[17].
[26].
2.1.1 Nuôi dây nano nhờ dung dịch
a. Tổng hợp dây nano nhờ vào khuôn định hướng
[17]
rbonate
2
2
O
3
Au, Ag, ZnO, CdS, CdSe
Hình 2.1. Hình 2.2.
22
2.1) [19
,
b. Phương pháp dung dịch - lỏng - rắn (SLS)
-V: InP,
InAs, GaAs ) [17]
203
o
2
- -
-
2
[17].
c. Phương pháp hoá Solvothermal
P o
thanh nano
thanh
Hình 2.3.
23
[17].
2.1.2 Tổng hợp dây nano nhờ pha hơi
[17].
a. Nuôi dây nano nhờ pha hơi- lỏng- rắn (VLS)
2.4.
-Au).
2.4 2.5
Hình 2.4. o
VLS
Hình 2.5.
o Ge
24
Eutectic
n eutectic
2
[17].
b. Nuôi dây nano nhờ pha hơi - rắn (VS)
P
Al
2
O
3
, ZnO, SnO
2
N
[17].
c. Nuôi dây nano nhờ oxit
v
2
O
3
2
x
Si
x
O
Si
x-1
+ SiO, > 1) (2.1)
2SiO
Si + SiO
2
. (2.2)
ra
S
22
25
miền gần tay lạnh
x
2
[17].
2.2 Một số phương pháp nghiên cứu tính chất vật liệu
2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X
0,1-
c
6)
Hình 2.7-
-
Hình 2.6.
