Tạo màng dẫn điện trong suốt bằng phương pháp phún xạ magnetron

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------------------

Trần Cao Vinh

TẠO MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT
BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Thành phố Hồ Chí Minh - 2009


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------------------

Trần Cao Vinh

TẠO MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT
BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 1.02.18

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS.TS. NGUYỄN HỬU CHÍ

Thành phố Hồ Chí Minh - 2009


2

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Nguyễn Hửu Chí, người đã tận tình hướng
dẫn tôi thực hiện công trình nghiên cứu này. Thầy đã luôn ủng hộ và động viên tôi
hoàn thành bản luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự trợ giúp nhiệt tình của các Thầy Cô, các bạn đồng
nghiệp và các em sinh viên Bộ môn Vật lý Ứng dụng. Tôi xin chân thành cảm ơn
Đội ngũ cán bộ tại Phòng thí nghiệm Vật lý Chân không, Phòng thí nghiệm Vật liệu
Kỹ thuật cao, Phòng thí nghiệm Khoa học Vật liệu Trường Đại học Khoa học Tự
Nhiên - Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện giúp tôi thực
hiện công trình nghiên cứu.
Cảm ơn Ba Mẹ Trần Vũ – Song Tùng đã nuôi nấng và dạy dỗ con nên người.
Cảm ơn tất cả thành viên trong gia đình đã cùng chung sống trong sự thương yêu
và hòa thuận.
Cảm ơn Mai Thuận và Mai An, người vợ và con gái đã luôn bên cạnh và là
nguồn động lực giúp tôi hoàn thành luận án này.

Trần Cao Vinh


LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Trần Cao Vinh, nghiên cứu sinh chuyên ngành Quang học của trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Tp. HCM, đã hoàn thành bản Luận

án và xin cam đoan rằng các số liệu kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa
được công bố trong bất kì công trình nào mà tôi không tham gia.

Tác giả

Trần Cao Vinh


187

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1.

ÔXÍT DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT...................................................5

1.1.

Các thông số công nghệ đặc trưng của TCO ...............................................5

1.2.

Vật liệu ITO và ZnO .....................................................................................10

1.3.

Tính chất quang học của ôxít dẫn điện trong suốt (TCO) .................................12

CHƯƠNG 2.

THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 28

2.1.

Phương pháp phún xạ magnetron...............................................................28

2.2.

Quá trình thực nghiệm và các phép đo.......................................................28

2.3.

Xác định các tính chất quang học của màng mỏng ITO và GZO từ phổ
truyền qua bằng mô hình hàm điện môi.....................................................28

CHƯƠNG 3.

MÀNG MỎNG ITO....................................................................... 28

3.1.

Giới thiệu....................................................................................................28

3.2.

Xác định tính chất quang học của màng ITO từ phổ truyền qua ...............28

3.3.

Ảnh hưởng của quá trình chế tạo lên tính chất điện và quang của màng
ITO trong phương pháp phún xạ magnetron dc .........................................28

3.4.

Cơ chế chuyển đổi định hướng ưu tiên của các mặt tinh thể trong quá trình
tăng trưởng màng mỏng ITO......................................................................28

3.5.

Tăng cường định hướng tinh thể ITO theo mặt (222) dựa trên lớp đệm
ZnO và lớp đệm ITO ..................................................................................28

3.6.

Kết luận ......................................................................................................28

CHƯƠNG 4.

MÀNG MỎNG GZO ..................................................................... 28

4.1.

Giới thiệu....................................................................................................28

4.2.

Chế tạo bia gốm dẫn điện GZO..................................................................28

4.3.

Sự hình thành ion âm trong phún xạ từ bia ZnO pha tạp ...........................28

4.4.

Xác định tính chất quang học của màng GZO từ phổ truyền qua..............28

4.5.

Ảnh hưởng của quá trình chế tạo lên tính chất điện và quang của màng
GZO trong phương pháp phún xạ magnetron RF ......................................28

4.6.

Kết luận ......................................................................................................28

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 28
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ......................................................................... 28
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 28


DANH MỤC CÁC BẢNG
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1.

ÔXÍT DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT

CHƯƠNG 2.

THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Bảng 2.1

Các thông số trong hàm điện môi Drude mở rộng và Lorentz

CHƯƠNG 3.

MÀNG MỎNG ITO

Bảng 3.1

Các chỉ số trong hàm điện môi của thủy tinh

Bảng 3.2

Giá trị của các thông số của hàm điện môi của ITO

Bảng 3.3

Điện trở suất và độ truyền qua với khoảng cách bia-đế khác nhau

Bảng 3.4

Tính chất điện của màng ITO với áp suất phún xạ khác nhau

Bảng 3.5

Tính chất quang của màng ITO với áp suất phún xạ khác nhau

Bảng 3.6

Tính chất điện của màng ITO với công suất phún xạ khác nhau

Bảng 3.7

Tính chất quang của màng ITO với công suất phún xạ khác nhau

Bảng 3.8

Tính chất điện của màng ITO chế tạo ở nhiệt độ đế khác nhau

Bảng 3.9

Tính chất quang của màng ITO với nhiệt độ đế khác nhau khi phủ màng

Bảng 3.10 Tính chất điện của màng ITO chế tạo với các độ dày khác nhau
Bảng 3.11 Tính chất quang của màng ITO với độ dày khác nhau khi phủ màng
Bảng 3.12 Tính chất điện của màng ITO chế tạo với lượng ôxi khác nhau
Bảng 3.13 Tính chất quang của màng ITO với lượng ôxi khác nhau khi phủ màng
Bảng 3.14 So sánh các hệ số dãn nở nhiệt và đàn hồi của vật liệu màng và đế được
sử dụng
Bảng 3.15 Tính chất điện của màng ITO chế tạo ở nhiệt độ phòng, sau đó ủ nhiệt
trong môi trường không khí
Bảng 3.16 So sánh tính chất quang và điện của màng ITO chế tạo ở nhiệt độ phòng
và nung ở 300oC trong không khí với màng ITO chế tạo ở nhiệt độ
350oC trong chân không


Bảng 3.17 Độ biến dạng của màng ITO với mặt (222) và (400)
Bảng 3.18 So sánh tính chất quang và điện của màng ITO /ZnO/glass với màng

ITO/glass
Bảng 3.19 So sánh tính chất quang và điện của màng ITO/O-ITO/glass với màng
ITO/glass
CHƯƠNG 4.

MÀNG MỎNG GZO

Bảng 4.1

Độ kết khối của vật liệu bia GZO và AZO

Bảng 4.2

Giá trị của các thông số của hàm điện môi của GZO

Bảng 4.3

Tính chất điện của màng GZO chế tạo với khoảng cách bia-đế khác
nhau

Bảng 4.4

Tính chất điện của màng GZO với áp suất phún xạ khác nhau

Bảng 4.5

Tính chất quang của màng GZO với khoảng cách bia-đế khác nhau

Bảng 4.6

Tính chất quang của màng GZO với áp suất phún xạ khác nhau

Bảng 4.7

Tính chất điện của màng GZO với công suất phún xạ khác nhau

Bảng 4.8

Tính chất quang của màng GZO với công suất phún xạ khác nhau

Bảng 4.9

Tính chất điện của màng GZO chế tạo ở nhiệt độ đế khác nhau

Bảng 4.10 Tính chất quang của màng GZO chế tạo ở các nhiệt độ đế khác nhau
Bảng 4.11 Tính chất điện và quang của màng GZO chế tạo với độ dày khác nhau
Bảng 4.12 Sự thay đổi điện trở suất của GZO theo điều kiện ủ nhiệt
Bảng 4.13 Khảo sát độ bền nhiệt của màng GZO
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1.
Hình 1.1

ÔXÍT DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT

Dạng của phần thực và phần ảo của độ cảm điện χve tính từ mô hình dao
động của điện tử liên kết

Hình 1.2

Mô hình cấu trúc với vùng dẫn và vùng hóa trị parabol ngăn cách bởi
vùng cấm Eg0 khi không pha tạp (a); sau khi pha tạp nặng vùng cấm
quang học được mở rộng chỉ do hiệu ứng Burstein-Moss (b); cấu trúc
vùng bị nhiễu loạn và thu hẹp bởi sự tán xạ hệ nhiều hạt (c). Vùng gạch
đậm ký hiệu trạng thái bị chiếm. Dịch chuyển quang học xảy ra ở vectơ
sóng Fermi [83].

CHƯƠNG 2.

THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hình 2.1

Phân bố từ trường và quĩ đạo điện tử trên bề mặt cathode phẳng

Hình 2.2

Mô tả hệ phún xạ magnetron phẳng

Hình 2.3

Sự phân bố thế trong phún xạ magnetron cân bằng ở chế độ dc và rf

Hình 2.4

Thế phún xạ cathode trong magnetron dc và rf theo công suất phóng
điện đối với bia ZnO ở áp suất 0.8 Pa

Hình 2.5

Vận tốc lắng đọng trong magnetron dc và rf theo công suất phóng điện

Hình 2.6

Sự phụ thuộc của vận tốc phủ theo năng lượng ion bắn phá

Hình 2.7

Sự phụ thuộc của mật độ dòng ion bão hòa lên đế theo áp suất Ar với
bia ZnO ở công suất 50 W

Hình 2.8

Sự phụ thuộc của công suất nhiệt trên đế trong phún xạ dc và rf bia ZnO
vào: a) Áp suất làm việc

Hình 2.9

b) Công suất phóng điện

Các giai đoạn dung kết

Hình 2.10 Quy trình tạo bia phún xạ bằng phương pháp dung kết
Hình 2.11 Hệ tạo màng Univex 450

Hình 2.12 Mô hình bố trí bia và đế trong thực nghiệm
Hình 2.13 Biểu diễn mô hình sự phụ thuộc của tần số va chạm điện tử vào tần số
CHƯƠNG 3.
Hình 3.1

MÀNG MỎNG ITO

Phổ đo và phổ mô phỏng của đế thủy tinh cùng với bố trí phép đo
truyền qua.

Hình 3.2

Hàm điện môi, chiết suất và hệ số tắt của đế thủy tinh Marienfeld được
xác định từ phổ truyền qua.

Hình 3.3.

Phổ đo truyền qua và phổ tính toán của màng ITO trên đế thủy tinh từ
mô hình Drude mở rộng + Lorentz.

Hình 3.4.

Giá trị theo bước sóng của phần thực và phần ảo của hàm điện môi,
chiết suất và hệ số tắt của màng ITO thu được từ mô hình Drude mở
rộng + Lorentz.

Hình 3.5.

Bình phương hệ số hấp thụ theo năng lượng photon tính từ hệ số tắt κ

và dạng của bờ hấp thụ của ITO

Hình 3.6.

Sự phụ thuộc của tần số va chạm điện tử và độ linh động điện tử trong
màng ITO theo bước sóng photon kích thích

Hình 3.7

Điện trở suất của ITO thay đổi theo khoảng cách bia – đế

Hình 3.8

Điện trở suất, nồng độ và độ linh động điện tử của màng ITO với áp
suất Ar khác nhau khi phủ màng

Hình 3.9

Phổ truyền qua và phản xạ của màng ITO với áp suất Ar khác nhau khi
phủ màng

Hình 3.10 Chiết suất và hệ số tắt của màng ITO với áp suất Ar khác nhau khi phủ
màng
Hình 3.11 Tính chất điện của màng ITO theo mật độ công suất phún xạ
Hình 3.12 Phổ truyền qua và phản xạ của màng ITO với công suất khác nhau khi
phủ màng
Hình 3.13 Chiết suất và hệ số tắt của màng ITO với công suất khác nhau khi phủ
màng

Hình 3.14 Hệ số hấp thụ của màng ITO với công suất khác nhau khi phủ màng
Hình 3.15 Điện trở suất, nồng độ và độ linh động điện tử của màng ITO khi được
chế tạo với nhiệt độ đế khác nhau
Hình 3.16 Giản đồ nhiễu xạ của màng ITO khảo sát ở các nhiệt độ đế khác nhau
cho thấy sự tăng trưởng tinh thể rỏ rệt xảy ra khi TS > 150oC
Hình 3.17 Phổ truyền qua của các màng ITO khi được chế tạo với nhiệt độ đế
khác nhau
Hình 3.18 Phổ truyền qua và phản xạ của các màng ITO khi được chế tạo với nhiệt
độ đế khác nhau
Hình 3.19 Chiết suất và hệ số tắt của màng ITO với nhiệt độ đế khác nhau khi phủ
màng
Hình 3.20 Dịch chuyển bờ hấp thụ của các màng ITO khi được chế tạo với nhiệt
độ đế khác nhau
Hình 3.21 Điện trở suất, nồng độ và độ linh động điện tử của màng ITO khi được
chế tạo với độ dày khác nhau
Hình 3.22 Giản đồ nhiễu xạ màng ITO theo các độ dày khác nhau
Hình 3.23 Phổ truyền qua và phản xạ của màng ITO khi được chế tạo với độ dày
khác nhau
Hình 3.24 Chiết suất và hệ số tắt của màng ITO với các độ dày màng khác nhau
Hình 3.25 Sự thay đổi của hệ số hấp thụ của màng ITO ở gần bờ hấp thụ với các
độ dày màng khác nhau
Hình 3.26 Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng ITO trong điều kiện nhiệt độ đế và áp
suất riêng phần ôxi khác nhau
Hình 3.27 Điện trở suất, nồng độ và độ linh động điện tử của màng ITO khi được
chế tạo với hàm lượng ôxi khác nhau
Hình 3.28 Phổ truyền qua và phản xạ của màng ITO khi được chế tạo với hàm
lượng ôxi khác nhau
Hình 3.29 Chiết suất và hệ số tắt của màng ITO khi được chế tạo với hàm lượng
ôxi khác nhau

Hình 3.30 Dịch chuyển bờ hấp thụ của màng ITO khi được chế tạo với hàm lượng
ôxi khác nhau
Hình 3.31 Điện trở mặt theo nhiệt độ ủ trong không khí
Hình 3.32 Sự thay đổi của điện trở mặt theo nhiệt độ ủ của màng ITO trên các vật
liệu đế khác nhau
Hình 3.33 Sự thay đổi của phổ truyền qua của màng ITO theo nhiệt độ ủ trong môi
trường không khí
Hình 3.34 Phổ truyền qua, phản xạ và hấp thụ của màng ITO chế tạo ở nhiệt độ
phòng, sau đó ủ ở 300oC trong môi trường không khí
Hình 3.35 Chiết suất và hệ số tắt của màng ITO chế tạo ở nhiệt độ phòng, sau đó ủ
ở 300oC trong môi trường không khí
Hình 3.36 Dạng bờ hấp thụ của màng ITO chế tạo ở nhiệt độ phòng, sau đó ủ ở
300oC trong môi trường không khí
Hình 3.37 Sự tăng trưởng của mặt tinh thể ITO (400) theo độ dày
Hình 3.38 Sự tăng trưởng của mặt tinh thể ITO (400) theo nhiệt độ đế
Hình 3.39 Sự tăng trưởng của mặt tinh thể (400) khi tăng công suất phún xạ
Hình 3.40 Giản đồ nhiễu xạ của màng ITO theo độ dày trên lớp đệm ZnO 300 nm.
Mặt (222) phát triển ưu tiên một cách rõ rệt.
Hình 3.41 Giản đồ nhiễu xạ của màng ITO với độ dày lớn hơn 1µm. Các mặt tinh
thể bắt đầu tăng trưởng trở lại cạnh tranh với mặt (222).
Hình 3.42 Giản đồ nhiễu xạ của màng ZnO trên thủy tinh với độ dày khác nhau
Hình 3.43 Giản đồ nhiễu xạ của các màng ITO/ZnO với độ dày ZnO khác nhau
Hình 3.44 Giản đồ nhiễu xạ của các màng ITO với độ dày khác nhau trên màng
ZnO 150 nm
Hình 3.45 Giản đồ nhiễu xạ của ITO/ZnO
Hình 3.46 Phổ truyền qua và phản xạ của ITO/ZnO
Hình 3.47 Chiết suất và hệ số tắt của ITO khi có lớp đệm ZnO
Hình 3.48 Giản đồ nhiễu xạ của màng ITO với các độ dày khác nhau phát triển
homoepitaxy trên lớp đệm ITO giàu ôxi

Hình 3.49 Phổ truyền qua và phản xạ của ITO/O-ITO/glass
Hình 3.50 Chiết suất và hệ số tắt của ITO/O-ITO/glass
CHƯƠNG 4.

MÀNG MỎNG GZO

Hình 4.1

Giãn đồ dung kết vật liệu GZO

Hình 4.2

Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu khối GZO và AZO

Hình 4.3

So sánh giản đồ nhiễu xạ của bia GZO và AZO với thời gian nghiền
bột là 5 giờ và 15 giờ. Sự khác biệt giữa bia GZO và AZO nằm ở các
vị trí 2θ gần 34o, 47o và 62o.

Hình 4.4

Cấu trúc Wurtzite của ZnO

Hình 4.5

Sự thay đổi điện trở suất của màng theo công suất phún xạ từ bia GZO
và AZO với các thông số khác được giữ không đổi. Màng GZO có điện

trở suất thấp hơn màng AZO.

Hình 4.6.

Phân bố điện trở suất của màng theo vị trí tương ứng trên bia với bia
GZO và bia AZO. Khi vào vùng ăn mòn điện trở suất của màng AZO
tăng nhanh hơn màng GZO.

Hình 4.7

Sự phân bố điện trở của màng CuCrO2 pha tạp Mg theo vị trí đặt phía
trên bề mặt bia

Hình 4.8

Phổ đo truyền qua và phổ tính toán của màng GZO trên thủy tinh thu
được từ mô hình Drude mở rộng + Lorentz.

Hình 4.9

Sự phụ thuộc của tần số va chạm điện tử và độ linh động điện tử theo
bước sóng photon kích thích

Hình 4.10 Giá trị theo bước sóng của phần thực và phần ảo của hàm điện môi,
chiết suất và hệ số tắt của màng GZO rút ra từ mô hình Drude mở rộng
+ Lorentz
Hình 4.11 Bình phương hệ số hấp thụ của màng GZO theo năng lượng tính từ hệ
số tắt κ và dạng của vùng cấm Eg
Hình 4.12

Điện trở suất, nồng độ và độ linh động điện tử của màng GZO khi được
chế tạo với khoảng cách bia – đế khác nhau


Hình 4.13 Điện trở suất, nồng độ và độ linh động điện tử của màng GZO với áp
suất Ar khác nhau khi phủ màng
Hình 4.14 Phổ truyền qua và phản xạ của các màng GZO với khoảng cách bia-đế
khác nhau khi phủ màng
Hình 4.15 Phổ truyền qua và phản xạ của màng GZO với áp suất Ar khác nhau khi
phủ màng
Hình 4.16 Chiết suất và hệ số tắt của các màng GZO với các khoảng cách bia-đế
khác nhau khi phủ màng
Hình 4.17 Chiết suất và hệ số tắt của các màng GZO với áp suất khác nhau khi
phủ màng
Hình 4.18

Sự dịch chuyển của bờ hấp thụ của màng GZO về phía năng lượng thấp
khi tăng khoảng cách bia-đế

Hình 4.19

Sự dịch chuyển của bờ hấp thụ của màng GZO về phía năng lượng thấp
khi tăng áp suất phủ màng

Hình 4.20 Sự thay đổi của điện trở suất, nồng độ hạt tải, độ linh động của màng
GZO theo công suất phún xạ
Hình 4.21 Phổ truyền qua và phản xạ của màng ITO chế tạo với công suất khác
nhau khi phủ màng
Hình 4.22 Chiết suất và hệ số tắt của màng ITO chế tạo với công suất khác nhau
khi phủ màng

Hình 4.23 Sự dịch chuyển bờ hấp thụ của màng GZO theo công suất phún xạ từ 20
W đến 180 W
Hình 4.24

Điện trở suất, nồng độ và độ linh động điện tử của màng GZO khi được
chế tạo với nhiệt độ đế khác nhau

Hình 4.25 Phổ truyền qua và phản xạ của các màng GZO khi được chế tạo với
nhiệt độ đế khác nhau
Hình 4.26 Chiết suất và hệ số tắt của các màng GZO với nhiệt độ đế khác nhau
khi phủ màng


Hình 4.27 Dịch chuyển bờ hấp thụ của các màng GZO khi được chế tạo với nhiệt
độ đế khác nhau
Hình 4.28 Sự thay đổi nồng độ và độ linh động điện tử của màng GZO theo độ
dày
Hình 4.29 Phổ truyền qua và phản xạ của các màng GZO khi được chế tạo với độ
dày màng khác nhau
Hình 4.30 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu màng GZO chế tạo ở công
suất a) 20 W và b) 200 W với các điều kiện xử lý khác nhau
Hình 4.31 Khảo sát sự bền nhiệt của màng GZO trên các vật liệu đế Si, Si phủ
SiO2 và đế Corning
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH
TÀI LIỆU THAM KHẢO


MỞ ĐẦU
Màng mỏng trong suốt dẫn điện (transparent conducting – TC) đã và đang là

đối tượng nghiên cứu thu hút rất nhiều sự quan tâm của nhiều phòng thí nghiệm trên
thế giới. Tính chất đặc biệt của vật liệu này là khả năng dẫn điện gần như kim loại
nhưng lại trong suốt trong vùng khả kiến tương tự như các chất điện môi. Do đặc
điểm này mà vật liệu TC xuất hiện trong hầu hết các ứng dụng ở đó tính dẫn điện và
trong suốt cao được đồng thời yêu cầu. Rất nhiều ứng dụng điện tử, quang điện tử
dựa trên vật liệu TC đã được nghiên cứu phát triển. Những thiết bị dạng màng mỏng
bao gồm: chống ngưng tụ hơi nước cho cửa sổ máy bay, phương tiện cơ giới; màng
chắn tĩnh điện, màn chắn nhiễu điện từ; gương phản xạ nhiệt cho cửa sổ và bóng
đèn nhiệt; điện cực trong suốt cho màn hình hiển thị tinh thể lỏng (LCD), màn hình
plasma, màn điện sắc; đi-ốt phát quang hữu cơ (OLED), điện cực cho pin mặt trời
dựa trên Si vô định hình; các tiếp xúc bán dẫn cho ứng dụng điện tử trong suốt. Các
công nghệ đang phát triển hiện nay là các tivi màn hình phẳng định vị cao (High
Definition TV), màn hình lớn với độ phân giải siêu cao cho máy tính để bàn, cửa sổ
phát xạ thấp (Low Emission), cửa sổ điện sắc, màng mỏng photovoltaic (PV), thiết
bị cầm tay thông minh, màn hình cảm ứng, các thiết bị phát quang.
Đồng thời có độ truyền qua cao (> 80%) trong vùng khả kiến và độ dẫn điện
cao (> 103 S.cm-1) không thể tìm được trong các vật liệu thông thường. Dẫn điện tốt
và bán trong suốt có thể thu được dưới dạng màng mỏng của một số kim loại như
bạc và vàng. Phương thức thông thường nhất hiện nay để chế tạo được vật liệu TC
là tạo nên sự không hợp thức có kiểm soát trong cấu trúc tinh thể hoặc đưa vào các
tạp chất thích hợp để tạo sự suy biến trong vùng cấm rộng của một số ôxít. Những
cách thức này có thể dễ dàng thu được với các ôxít ở dạng màng mỏng được chế tạo
bằng nhiều kỹ thuật khác nhau. Do đó vật liệu TC dựa trên các ôxít (Transparent
Conducting Oxide – TCO) đã được tập trung nghiên cứu nhiều nhất.


2

TCO đã được nghiên cứu sử dụng từ đầu thế kỷ 20 (1907) với CdO. Từ đó rất
nhiều vật liệu TCO dưới dạng màng mỏng được nghiên cứu chế tạo như ZnO pha

tạp, SnO2 pha tạp, In2O3 pha tạp. Từ những năm 60 của thế kỷ trước, vật liệu TCO
được sử dụng rộng rãi nhất cho các thiết bị quang điện tử là In2O3 pha tạp Sn (ITO).
Và cho đến nay, ITO vẫn là vật liệu được sử dụng chủ yếu trong sản suất các linh
kiện quang điện tử do tính ưu việt về độ dẫn điện và tính trong suốt. Vật liệu ZnO,
SnO2 được pha tạp, cũng thu hút nhiều nghiên cứu do có ưu điểm về chi phí thấp
hơn nhiều so với ITO, tuy nhiên phạm vi ứng dụng trong quang điện tử chưa rộng
rãi và chưa thể thay thế ITO vì một số nhược điểm chưa khắc phục được ví dụ như
độ dẫn điện kém hơn. Sự phát triển mạnh mẽ trong ứng dụng đa dạng của vật liệu
TCO ngày nay đã làm cho việc nghiên cứu về mặt khoa học và triển khai công nghệ
của vật liệu này ngày càng được đẩy mạnh. Về thực nghiệm, người ta tiếp tục
nghiên cứu sử dụng TCO cho các ứng dụng mới hoặc tăng cường tính năng cho các
ứng dụng đã có, bên cạnh đó là việc tổng hợp và tăng cường độ dẫn điện cho những
loại vật liệu TCO có ít hàm lượng In như các ôxít nhiều thành phần ZnO-In2O3,
In2O3-SnO2 và ZnO- In2O3-SnO2 hoặc các TCO không có In như ZnO pha tạp Al,
Ga nhất là cho ứng dụng màn hình hiển thị có diện tích lớn, yêu cầu tốc độ đồ họa
nhanh hơn hiện nay. Về lý thuyết, cơ sở khoa học về vật liệu này tiếp tục được củng
cố và xây dựng, các phương pháp nghiên cứu tính chất dựa trên các mô hình vật lý
để phân tích và dự đoán giới hạn về tính năng của TCO được đưa ra. Nhiều ứng
dụng của TCO được quan tâm đó là các thiết bị điện tử hay quang điện tử trong đó
các tiếp xúc dị thể được chế tạo dựa trên các TCO như điện cực cho OLED, pin mặt
trời, sensor quang học hoặc các thiết bị điện tử, quang điện tử dựa trên chuyển tiếp
p-n trong suốt như điốt, transistor, điốt phát quang, laser, đầu dò UV, các ứng dụng
trong màn hình trong suốt, mạch tích hợp trong suốt,... Do đó ngoài những yêu cầu
về tính dẫn điện trong suốt, các tính chất khác như tính chất tinh thể, các tính chất
bề mặt và sự tương thích về tiếp xúc bề mặt của vật liệu TCO với các vật liệu khác
cần được nghiên cứu một cách đầy đủ. Ngoài ra các yếu tố liên quan đến công nghệ
chế tạo như cải thiện kỹ thuật hiện có, xây dựng các kỹ thuật chế tạo mới, tìm cách


3

thức triển khai sản xuất công nghiệp một cách hiệu quả cũng rất được quan tâm vì
chúng quyết định việc chuyển giao kết quả nghiên cứu vào thực tiễn.
Ở Việt Nam đã có các tập thể khoa học của Giáo sư Nguyễn Năng Định và
cộng sự ở Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, nghiên cứu và
chế tạo thành công ITO bằng phương pháp bốc bay chùm tia điện tử; tập thể của
Giáo sư Nguyễn Hửu Chí, Thạc sĩ Lê Trấn và các cộng sự của Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh, nghiên cứu và chế tạo
thành công ZnO pha tạp Al bằng phương pháp phún xạ magnetron. Bằng phương
pháp phún xạ cathode, cao tần magnetron, nhiều tập thể khoa học trên thế giới như
nhóm của Giáo sư Granqvist (Thụy Điển), của Giáo sư Chopra (Singapore), Giáo sư
Lampert (Mỹ),... cũng đã công bố nhiều công trình về ITO, SnO2,... Tuy nhiên, lĩnh
vực nghiên cứu về vật liệu màng mỏng TCO vẫn tiếp tục thu hút các nhà khoa học
trên thế giới. Nhiều hội nghị quốc tế về vật liệu TCO được tổ chức trong những năm
gần đây như: European Materials Research Society Conference, Advances in
Transparent Electronics: From Materials to Devices – lần I, tổ chức ở Pháp năm
2006 đăng trong tạp chí Thin Solid Films (Vol. 516, Issue 7, 2008) có hơn 20/78 bài
viết về ITO, ZnO pha tạp và 4 bài về TCO loại p; First International Symposium on
Transparent Conducting Oxides - lần I, tổ chức tại Hy Lạp năm 2006 đăng trong tạp
chí Thin Solid Films (Vol. 515, Issue 24, 2007) có hơn 16/78 bài báo viết về ITO,
hơn 30/78 bài về ZnO pha tạp và khoảng 4 bài về TCO loại p. Sự tham gia của
nhiều tổ chức và các nhà khoa học từ nhiều nơi trên thế giới trong các hội nghị quốc
tế trên cho thấy yêu cầu nghiên cứu cơ bản và ứng dụng chuyên về TCO đang rất
được quan tâm hiện nay.
Góp phần cho lĩnh vực nghiên cứu về TCO, luận án này trình bày việc chế
tạo và nghiên cứu về vật liệu màng mỏng: ITO và ZnO pha tạp Ga (GZO) bằng
phương pháp phún xạ magnetron. Luận án nghiên cứu sử dụng phương pháp phân
tích phổ truyền qua quang học trong vùng UV-Vis-NIR dựa trên hàm điện môi từ lý
thuyết Drude và dao động Lorentz để rút ra các tính chất quang học của màng mỏng

4

ITO và GZO. Việc tính toán được thực hiện bằng phần mềm Scout (xem giới thiệu
ở trang web Bên cạnh đó các phép đo thực nghiệm khác
như hiệu ứng Hall, 4 mũi dò, đo độ dày Stylus, … cũng được sử dụng kết hợp với
phương pháp phân tích quang học. Nghiên cứu ITO trong luận án bao gồm việc chế
tạo và khảo sát các tính chất quang và điện, tính chất tinh thể theo các điều kiện chế
tạo điển hình trong phương pháp phún xạ magnetron dc, theo điều kiện xử lý nhiệt
và rút ra điều kiện tối ưu của phương pháp; đề ra cơ chế giải thích sự tăng trưởng
các mặt tinh thể khác nhau của ITO trên cơ sở nhiệt động lực học; đưa ra cách thức
chế tạo màng ITO có định hướng ưu tiên mạnh (texture) theo mặt tinh thể (222) cần
thiết cho ứng dụng OLED. Nghiên cứu GZO trong luận án bao gồm việc chế tạo vật
liệu gốm dẫn điện cho bia phún xạ (target); chế tạo và khảo sát các tính chất quang
và điện, tính chất tinh thể của GZO theo các điều kiện tạo màng điển hình trong
phương pháp phún xạ magnetron rf, theo điều kiện xử lý nhiệt và rút ra điều kiện tối
ưu trong phương pháp chế tạo; đưa ra qui luật hình thành ion âm theo cơ chế phát
xạ vết trong phún xạ từ các bia vật liệu để giải thích sự ảnh hưởng của chất pha tạp
lên các tính chất điện của màng ZnO. Độ bền khác nhau trong môi trường nhiệt độ
cao cho thấy ảnh hưởng khác nhau của loại chất pha tạp lên tính chất điện của màng
ZnO có pha tạp. Kết quả nghiên cứu cho thấy những ưu điểm hơn của GZO về độ
bền nhiệt trong môi trường ôxi hóa và vận tốc phủ màng so với màng ZnO pha tạp
Al (AZO), là một loại vật liệu đã được nghiên cứu rất phổ biến để thay thế ITO.
Kết quả đạt được về độ dẫn điện và độ truyền qua của hai loại vật liệu trong
luận án này nằm trong những giá trị tốt nhất, đáp ứng yêu cầu của nhiều ứng dụng
khác nhau khi so sánh các kết quả được công bố ở các tạp chí và hội nghị khoa học
chuyên ngành trên thế giới.


5

CHƯƠNG 1.

ÔXÍT DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT

1.1. Các thông số công nghệ đặc trưng của TCO
Đặc trưng cơ bản của màng TCO là có đồng thời độ dẫn điện tốt và độ truyền
qua cao trong vùng ánh sáng khả kiến. Khả năng dẫn điện, độ trong suốt và nhiều
tính chất khác phụ thuộc vào đặc điểm trong cấu trúc màng TCO được chế tạo. Cấu
trúc vô định hình, đa tinh thể hay đơn tinh thể, sự định hướng tinh thể, độ xếp chặt
hay xốp, mức độ hợp thức và sự pha tạp trong thành phần hóa học sẽ quyết định
tính chất của màng thu được. Tất cả các thực nghiệm về màng mỏng nói chung đều
dẫn đến kết luận thống nhất là đặc điểm cấu trúc của một loại vật liệu màng có thể
thay đổi rất lớn theo các phương pháp và điều kiện chế tạo. Đó là lý do mà tại sao
chúng ta thường nhận thấy đối với một loại vật liệu màng TCO nào đó, các kết quả
thực nghiệm công bố trên thế giới đôi khi có những giá trị hoặc những kết luận rất
khác nhau. Ngoài ra, bằng cách thay đổi điều kiện chế tạo ví dụ như mức độ pha
tạp, nhiệt độ, nồng độ ôxi, các tính chất của màng có thể dễ dàng thay đổi một cách
liên tục trong một vùng rất rộng. Ví dụ, cấu trúc có thể thay đổi từ trạng thái vô định
hình đến đa tinh thể, đơn tinh thể hoặc độ dẫn điện có thể trải dài từ giá trị ứng với
các chất điện môi điển hình đến giá trị ứng với các chất bán kim loại. Tính chất vật
lý và hóa học của TCO thường biểu hiện trong chức năng của nó trong các ứng
dụng. Các yếu tố quan trọng đặc trưng cho TCO thường được đề cập trong nghiên
cứu về TCO được nêu ra như

[32]

độ dẫn điện hay điện trở suất, độ truyền qua, độ

rộng vùng cấm, công thoát ϕ, độ bền nhiệt, độ bền hóa học, tính chất ăn mòn, chi

phí chế tạo,…
1.1.1. Độ dẫn điện
Tính chất điện của TCO được xác định bởi nồng độ Ndc và độ linh động µdc
của điện tử tự do trong vùng dẫn. Mối quan hệ cơ bản cho độ dẫn điện σ hoặc điện
trở suất ρ của môi trường đồng nhất là:
σ = 1/ρ = e Ndc µdc

(1.1)


6

Độ dẫn điện tăng theo tích số nồng độ Ndc và độ linh động µdc của hạt tải. Đối
với các TCO, nồng độ hạt tải thường được quyết định bởi mức độ hợp thức, mức độ
tạp chất và trạng thái hoạt hóa của nó trong thành phần hóa học của màng. Nồng độ
điện tử tự do được xác định bởi số lượng tối đa các nguyên tử tạp chất kích hoạt
được đưa vào trong mạng tinh thể. Tuy nhiên sự đưa vào một số lượng lớn nguyên
tử pha tạp trong mạng sẽ tạo nhiều sai hỏng làm giảm độ linh động, hơn nữa sẽ làm
tăng sự hấp thụ của hạt tải tự do. Do đó nồng độ pha tạp không thể vượt quá một
giới hạn cho phép. Với các TCO như ITO và ZnO pha tạp thì nồng độ thông thường
cỡ 1020 – 1021 cm-3. Độ linh động được xác định bởi các cơ chế tán xạ hạt tải có
trong vật liệu màng. Đối với TCO, các cơ chế tán xạ có thể kể đến bao gồm tán xạ
điện tử - phonon, điện tử - điện tử, tán xạ điện tử - ion nguyên tử tạp chất, tán xạ
trên biên hạt. Tán xạ phonon giữ vai trò quan trọng trong các đơn tinh thể tinh khiết
và cho độ linh động cỡ 250 cm2V-1s-1 trong các ôxít ZnO, SnO2 ở nồng độ pha tạp
thấp khoảng 1016 cm-3 [32]. Các TCO trong thực tế yêu cầu nồng độ pha tạp cao hơn
nhiều, thường lớn hơn 1020 cm-3 để có thể sử dụng với độ dày màng không quá lớn.
Tương tự như trong các kim loại điển hình, tán xạ điện tử - điện tử cho thấy là
không quan trọng trong hầu hết các kết quả nghiên cứu về TCO. Tán xạ loại này có
xác suất rất bé khi tính bài toán va chạm điện tử - điện tử gần mức Fermi dựa trên

nguyên lý loại trừ Pauli và sự bảo toàn năng lượng [49]. Đối với các TCO, ở nồng độ
pha tạp cao, tán xạ trên tạp ion hóa giữ vai trò quan trọng nhất và nó giới hạn độ
linh động thường không vượt quá 90 cm2V-1s-1 [32]. Tán xạ biên hạt cũng có vai trò
quan trọng, nhất là đối với màng mỏng TCO đa tinh thể khi nồng độ pha tạp không
quá lớn (< 1020 cm-3).
1.1.2. Chỉ số hiệu dụng
Một màng TCO hiệu dụng cần có độ dẫn điện cao kết hợp với truyền qua cao
trong vùng khả kiến. Do vậy, một phép đo thích hợp định lượng mức độ hiệu dụng
của TCO là tỉ số giữa độ dẫn điện σ và hệ số hấp thụ khả kiến α. Quan hệ giữa độ
dẫn điện σ, điện trở mặt RS và độ dày d được biểu diễn bằng biểu thức:


7

σ=

1
R Sd

(Ω.cm)-1

(1.2)

Hệ số hấp thụ α có thể tính từ định luật Lambert-Beer: I = Ioe-αd . Với các
TCO, thông thường hệ số hấp thụ α và hệ số phản xạ R (với tiếp giáp thủy tinh hoặc
không khí) là nhỏ trong vùng khả kiến, khi đó độ hấp thụ A trung bình trong vùng
này có thể tính từ quan hệ:
A ~ 1 − e − αd = 1 − R 0 − T0

(1.3)

Với T0 và R0 là độ truyền qua và phản xạ tổng cộng trung bình trong vùng khả kiến.
Trong biểu thức (1.3) giả sử đã bỏ qua sự tán xạ với các màng chất lượng tốt. Từ
(1.3) có thể rút ra biểu thức cho α:
α=−

ln(T + R )
d

Từ (1.2) và (1.4) xác định chỉ số hiệu dụng:

(1.4)
σ/α = - {Rs ln(T + R)}-1

(1.5)

Trong đó Rs là điện trở mặt với đơn vị Ω/ . Chỉ số hiệu dụng σ/α là một chỉ số
thường được sử dụng để đánh giá TCO. Giá trị này càng lớn thì tính hiệu dụng của
TCO càng cao. Các đại lượng đo được σ và α có liên hệ chặt chẽ với các tính chất
bên trong của vật liệu. Hiện nay để nâng cao chỉ số hiệu dụng cần tìm những loại
vật liệu TCO có độ linh động hạt tải cao để có thể đạt độ dẫn điện cao mà không
làm giảm độ trong suốt.
1.1.3. Độ rộng vùng cấm và công thoát điện tử
TCO là các chất có vùng cấm rộng và lớn hơn 3.3 eV để đảm bảo độ truyền
qua cao trong vùng khả kiến. Thực nghiệm và lý thuyết cho thấy giá trị của bờ hấp
thụ của TCO có thể thay đổi lớn theo nồng độ hạt tải tự do theo hiệu ứng BursteinMoss. Công thoát được định nghĩa là năng lượng cần thiết để chuyển điện tử từ mức
năng lượng Fermi đến mức chân không. Có thể thấy rằng đối với các TCO, mức
năng lượng Fermi sẽ thay đổi theo nồng độ pha tạp. Đối với các ứng dụng như phát

8

quang của OLED, giá trị của công thoát của TCO ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của
thiết bị khi nó đóng vai trò điện cực phun lỗ trống. Đối với các ứng dụng như pin
mặt trời, các tiếp xúc bán dẫn không đồng chất, giá trị công thoát cũng là yếu tố cần
phải quan tâm. Các nghiên cứu trên TCO ở khía cạnh này tập trung vào việc thay
đổi trạng thái, thành phần hóa học bề mặt để thay đổi công thoát hoặc tìm kiếm vật
liệu mới như vật liệu ôxít nhiều thành phần kim loại để có công thoát và độ rộng
vùng cấm kiểm soát được theo mong muốn [60].
1.1.4. Sự ổn định tính chất theo nhiệt độ
Ổn định tính chất theo nhiệt độ là yêu cầu cần thiết trong nhiều ứng dụng của
TCO. Thông thường các TCO tăng điện trở khi bị đốt nóng ở nhiệt độ quá cao trong
một thời gian dài. Khi màng TCO được sử dụng làm điện cực trong các thiết bị hiển
thị, nó sẽ được xử lý ở nhiệt độ cao khoảng 300 - 500oC

[81]

. Quá trình xử lý nhiệt

có thể được thực hiện trong điều kiện có khí trơ. Trong sản xuất công nghiệp, việc
xử lý nhiệt thường được thực hiện trong môi trường khí quyển. Khi màng dẫn điện
trong suốt được sử dụng như là một thiết bị nhiệt thì nó sẽ nóng lên dưới tác dụng
của dòng điện bên ngoài. Do đó, màng phải ít thay đổi theo nhiệt độ và phải có sức
chịu nhiệt trong môi trường ôxi hóa. Khi màng TCO được ứng dụng trong gương
phản xạ nhiệt, nó sẽ được xử lý ở nhiệt độ rất cao ít nhất là 600oC trong môi trường
khí quyển để uốn cong hoặc gia cường cho đế thủy tinh. Điều này đòi hỏi màng
phải có độ chịu nhiệt cao. Do đó, khi một màng TCO được ứng dụng trong lĩnh vực
công nghiệp, thì nó phải có khả năng chịu nhiệt trong cả môi trường không ôxi hoá
và ôxi hóa.
1.1.5. Nhiệt độ phủ màng

Khi TCO được phủ trên một vật liệu đế, nói chung đế phải giữ ở nhiệt độ đủ
cao để có thể thu được các tính chất màng yêu cầu. ITO và ZnO có thể phủ trên các
đế nhạy nhiệt như plastic, polymer trong khi nhiều TCO khác như SnO2 và
Cd2SnO4 yêu cầu đế phải có nhiệt độ nóng chảy cao để có được các tính chất tốt.


9

Mặt khác, ở nhiệt độ cao khi các TCO được phủ trên các thủy tinh kiềm như sodalime, Na có thể khuếch tán vào TCO và làm tăng điện trở của nó. Hiệu ứng này
được đặc biệt chú ý đối với SnO2 vì Na khuếch tán nhanh ở nhiệt độ đế cao trên
550oC khi phủ màng. Thông thường cần phải phủ một lớp màn chắn khuếch tán trên
thủy tinh trước khi phủ. SiO2 là chất thường được sử dụng làm màn chắn giữa sodalime và TCO, mặc dù nó chỉ có tác dụng một phần đối với Na. SiO2 đôi khi còn có
tác dụng làm giảm sự xuất hiện màu do giao thoa trong các TCO. Đối với Na, Al2O3
được xem là màn chắn khuếch tán hiệu dụng hơn rất nhiều so với SiO2.
1.1.6. Tính chất ăn mòn trong môi trường hóa học
Trong một số ứng dụng của TCO, như màn hiển thị, nhiệt điện trở hoặc ănten, nhiều phần của TCO được khắc để tạo hình dạng mong muốn. Thông thường
các hóa chất được sử dụng cho quá trình này là các axít. ZnO là vật liệu dễ ăn mòn
hơn so với ITO. Dùng laser để khắc cho TCO cũng được sử dụng trong chế tạo pin
mặt trời màng mỏng. Khả năng bền của TCO trong môi trường hóa chất thì tỉ lệ
ngược lại với mức độ dễ trong khi khắc. SnO2 là bền hóa học nhất trong khi ZnO rất
dễ bị tấn công bởi axít và bazơ. Trong việc tạo các pin mặt trời Si vô định hình trên
các đế TCO, các TCO được đưa vào môi trường có hyđrô. Môi trường plasma này
dễ dàng khử SnO2 làm tăng độ hấp thụ. ZnO ngược lại có thể chịu được sự khử
trong môi trường plasma hyđrô và thích hợp cho các ứng dụng như trong pin mặt
trời dựa trên Si vô định hình.
1.1.7. Chi phí sản xuất
Chi phí cho sản xuất vật liệu TCO phụ thuộc vào giá của vật liệu thô và chi
phí quá trình biến nó thành màng. In là nguyên tố hiếm và đắt, được khai thác như
sản phẩm phụ trong quặng của các kim loại như Zn và Pb. Không có khai thác
quặng của riêng In vì nồng độ trong khoáng quá thấp và hiệu suất kinh tế thấp. Do

đó nguồn cung cấp In không thể tăng đáng kể. Chi phí của các phương pháp phủ
màng thường theo thứ tự tăng dần như sau: CVD trong không khí < bay hơi chân


10

không < phún xạ magnetron < CVD áp suất thấp < sol-gel < xung laser. Vận tốc của
quá trình là rất quan trọng trong tính chi phí. CVD trong không khí, bay hơi chân
không, phún xạ magnetron có vận tốc phủ màng cao và khả năng phủ màng có diện
tích lớn. CVD ở áp suất thấp có chi phí thiết bị cao hơn so với CVD trong khí
quyển. Phương pháp Sol-gel có vận tốc tạo màng thấp do các bước làm khô và ủ
nhiệt màng, trong khi xung laser chỉ phù hợp cho những đế có diện tích nhỏ. Việc
sắp xếp này chỉ là sự so sánh sơ bộ chi phí sản xuất vì còn nhiều yếu tố khác sẽ phải
kể đến khi phân tích toàn bộ tính kinh tế của quá trình như qui mô sản xuất, sự đồng
nhất và ổn định trong chất lượng sản phẩm, sự thuận lợi trong điều khiển và kiểm
soát qui trình sản xuất…
1.2. Vật liệu ITO và ZnO
Màng ôxít In2O3 pha tạp Sn (ITO), có độ truyền qua cao ở vùng khả kiến và
điện trở suất thấp đã được dùng làm điện cực trong suốt trong các loại màn hiện
hình, pin mặt trời màng mỏng, và gần đây được dùng chủ yếu trong công nghệ màn
hình phẳng (FPD), đi-ốt phát quang hữu cơ (OLED). Màng ITO đã được nghiên cứu
từ rất lâu và cho đến nay vẫn được xem là vật liệu tốt nhất cả về tính chất quang,
tính chất điện và độ bền cơ hóa nên vẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng
dụng. Hiện nay, ngoài việc tìm các vật liệu khác thay thế cho ITO như ZnO và SnO2
pha tạp, nhiều nghiên cứu vẫn được tiếp tục tiến hành trên ITO để giảm điện trở
suất hơn nữa (~10-4 Ωcm) trong khi mức độ trong suốt vẫn cao (> 85% trên đế thủy
tinh). Ngoài ra, mỗi ứng dụng khác nhau lại đòi hỏi những mức độ ưu tiên khác
nhau về tính chất điện, quang hoặc cấu trúc tinh thể của màng ITO, do đó việc
nghiên cứu sự ảnh hưởng của phương pháp và điều kiện chế tạo lên các tính chất
như cấu trúc tinh thể, sự định hướng tinh thể, tính chất bề mặt, tính chất cơ học, độ

bền hóa học,… là cần thiết nhằm tăng cường hiệu năng sử dụng ITO cho các linh
kiện trong thực tiễn [9], [13], [14], [25], [30], [72], [95], [107], [110].
Hiện nay việc sử dụng ITO làm TCO có nguy cơ bị giới hạn bởi giá thành của
vật liệu do In là một kim loại hiếm và đắt. Lượng quặng của In thì rất nhỏ so với các


11

nguyên tố khác. In thì được trích ra từ quá trình tinh chế quặng Zn nên sản lượng
phụ thuộc vào lượng Zn khai thác, do đó rất khó để gia tăng lượng In tạo thành. Nếu
những nhu cầu về màng trong suốt dẫn điện tăng lên trong tương lai thì chúng ta sẽ
gặp vấn đề về nguồn cung cấp In để làm vật liệu ban đầu cho ITO. Trong khi đó,
việc chế tạo màng ZnO có các thuận lợi hơn như ZnO rất rẻ do trữ lượng quặng lớn,
có điện trở suất thấp gần tương đương màng ITO khi pha tạp thích hợp, độ hấp thụ
thấp hơn ITO trong vùng khả kiến. Do vậy, màng ZnO pha tạp được mong đợi như
là màng dẫn điện trong suốt để thay thế ITO. Tuy nhiên, trong trường hợp màng
ZnO có pha tạp Al (AZO), để nhận được điện trở ở mức 10-4 Ω.cm trên đế thủy tinh
bằng phương pháp phún xạ thì đòi hỏi đế phải được thiết kế một cách đặc biệt như
đế phải được đặt vuông góc với bề mặt bia. Tốc độ tạo màng trong trường hợp này
không cao hơn 5 Å/s

[2]

. Trong lĩnh vực sản suất, vận tốc tạo màng thấp là một

nhược điểm lớn vì nó sẽ không làm giảm giá thành sản phẩm. Đối với yêu cầu về độ
bền nhiệt trong các thiết bị hiển thị, thiết bị nhiệt hoặc gương phản xạ nhiệt thì một
điều rất quan trọng là tính chất quang và tính chất điện của màng không thể bị mất
đi do xử lý ở nhiệt độ cao trong môi trường không khí. Màng ITO có sức chịu nhiệt
khá tốt trong môi trường ôxi hóa. Màng ITO được sử dụng chủ yếu trong các thiết

bị hiển thị, vì khả năng chịu nhiệt của các thiết bị này không cần vượt quá 300oC.
Trái lại, màng ZnO chịu nhiệt rất kém trong môi trường ôxi hoá khi so sánh với ITO
và đây là vấn đề cần giải quyết khi ứng dụng vào trong thực tế. Để tăng khả năng
dẫn và khả năng chịu nhiệt của màng ZnO, người ta phải pha tạp nguyên tố nhóm
III như B, Al, Ga, In vào trong ZnO. Bằng cách đó, độ bền nhiệt trong môi trường
không ôxi hoá như khí Ar hoặc trong chân không có thể được tăng cường. Tuy
nhiên, ngay cả khi pha tạp nguyên tố nhóm III như Al thì điện trở của màng vẫn có
thể tăng lên nhiều lần khi xử lý nhiệt ở trên 200oC trong môi trường không khí và
khi đó nó không còn có tác dụng là màng dẫn điện nữa. Nên mặc dù là vật liệu có
chi phí thấp để có thể thay thế ITO, màng ZnO pha tạp Al lại chưa được sử dụng
rộng rãi trong thực tế vì độ bền nhiệt của màng trong môi trường ôxi hoá là không
đủ lớn, dẫn đến ưu điểm về chi phí vật liệu ban đầu thấp của màng ZnO pha tạp vẫn