Chế tạo, nghiên cứu tính chất quang và định hướng ứng dụng trong tán xạ raman tăng cường bề mặt của các hệ dây nanô silic xếp thẳng hàng

-

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
------------------------

Lương Trúc Quỳnh Ngân

CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG VÀ ĐỊNH
HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG TÁN XẠ RAMAN TĂNG
CƯỜNG BỀ MẶT CỦA CÁC HỆ DÂY NANÔ SILIC XẾP
THẲNG HÀNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội - 2016


-

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
------------------------

Lương Trúc Quỳnh Ngân

CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG VÀ ĐỊNH
HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG TÁN XẠ RAMAN TĂNG
CƯỜNG BỀ MẶT CỦA CÁC HỆ DÂY NANÔ SILIC XẾP

THẲNG HÀNG
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62 44 01 23

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS ĐÀO TRẦN CAO

Hà Nội - 2016


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng
dẫn của GS.TS. Đào Trần Cao và sự cộng tác của các đồng nghiệp. Các kết quả
nghiên cứu được thực hiện tại Viện khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam. Các số liệu và kết quả trong luận án này là hoàn toàn trung
thực và chưa từng được công bố trong bất cứ luận án nào khác.

Tác giả luận án

Lương Trúc Quỳnh Ngân


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS. Đào Trần Cao người thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình học tập và thực
hiện các nội dung nghiên cứu của luận án này, người đã cho em những lời khuyên

bổ ích, những lời động viên trong những lúc em gặp khó khăn và truyền cho em
lòng say mê khoa học.
Tôi xin chân thành cảm ơn các cô, chú và các bạn đồng nghiệp thuộc Phòng
Phát triển thiết bị và Phương pháp phân tích - Viện Khoa học Vật liệu đã luôn luôn
động viên, giúp đỡ và cho tôi những ý kiến quý báu trong công việc và trong cuộc
sống.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS Cao Tuấn Anh, giảng viên trường Đại học Tân
Trào đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong việc thực hiện đề tài này. Tôi cũng xin gửi lời
cảm ơn tới PGS.TS. Lê Văn Vũ, Giám đốc trung tâm Khoa học Vật liệu, thuộc khoa
Vật lý, trường Đại học Khoa học tự nhiên đã giúp đỡ tôi thực hiện một số phép đo
đạc, khảo sát mẫu.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học
và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện, hỗ trợ tôi về kinh phí và thời gian để tôi
thực hiện tốt đề tài nghiên cứu của mình.
Cuối cùng tôi xin được trân trọng gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè,
những người đã luôn ở bên chia sẻ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình
học tập và thực hiện bản luận án này.
Tác giả luận án

Lương Trúc Quỳnh Ngân


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN

Trang
i

ii

MỤC LỤC

iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ

x
1
6

MỞ ĐẦU
Chương 1. Tổng quan về vật liệu dây nanô silic
1.1. Sơ lược về vật liệu silic khối
1.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu dây nanô Si
1.2.1. Cách tiếp cận “từ dưới lên”
1.2.1.1. Cơ chế hơi – lòng – rắn
1.2.1.2. Mọc với sự hỗ trợ của ôxít
1.2.1.3. Tổng hợp trên cơ sở dung dịch

6

8
9
10
12
13

1.2.2. Cách tiếp cận “từ trên xuống”
1.2.2.1. Phương pháp ăn mòn hóa học có sự trợ giúp của kim
loại

13
14

1.2.2.2. Phương pháp ăn mòn điện hóa có sự trợ giúp của kim
loại

15

1.3. Các tính chất của vật liệu dây nanô Si
1.3.1. Tính chất điện
1.3.2. Huỳnh quang của vật liệu dây nanô Si
1.3.3. Tính chất nhiệt
1.4. Ứng dụng của vật liệu dây nanô Si
1.4.1. Các pin ion Li
1.4.2. Pin mặt trời
1.4.3. Các ứng dụng sinh học
1.4.3.1. Xét nghiệm tế bào
1.4.3.2. Sự chuyển gen
1.4.3.3. Dẫn thuốc

16
16
18
21
22
22
22
23
23
24
25


iv

1.4.4. Các cảm biến
1.4.4.1. Tán xạ Raman tăng cường bề mặt
1.4.4.2. Điện hóa học
1.4.4.3. Tranzito hiệu ứng trường

25
26
27
27

1.5. Các phương pháp khảo sát cấu trúc, tính chất và ứng dụng của

28

các hệ dây nanô Si

1.5.1.Các phương pháp khảo sát hình thái, thành phần và cấu trúc

28

của hệ SiNW
1.5.1.1. Khảo sát hình thái của các hệ SiNW bằng kính hiển vi

28

điện tử quét
1.5.1.2. Khảo sát hình dáng và kích thước của các SiNW bằng
kính hiển vi điện tử truyền qua

30

1.5.1.3. Phân tích thành phần nguyên tố bằng phổ tán sắc năng

31

lượng tia X
1.5.2. Phương pháp ghi phổ huỳnh quang
1.5.3. Phương pháp Raman khảo sát ứng dụng của vật liệu SiNW
1.6. Kết luận Chương 1
Chương 2. Nghiên cứu chế tạo các hệ ASiNW bằng phương pháp ăn
mòn hóa học và ăn mòn điện hóa có sự trợ giúp của kim loại
2.1. Giới thiệu chung về phương pháp ăn mòn
2.1.1. Phương pháp ăn mòn khô
2.1.2. Phương pháp ăn mòn ướt
2.2. Nghiên cứu chế tạo các hệ ASiNW bằng phương pháp MACE
2.2.1. Cơ chế ăn mòn

2.2.1.1. Các phản ứng

32
33
35
36
36
36
37
40
41
41

2.2.1.2. Sự phun lỗ trống và vai trò của kim loại

43

2.2.1.3. Sự chuyển khối lượng
2.2.1.3. Sự chuyển khối lượng

45
46

2.2.2. Công nghệ ăn mòn MACE đã được áp dụng để chế tạo các hệ
ASiNW trên đế Si trong luận án
2.2.2.1. Vật liệu ban đầu
2.2.2.2. Dung dịch lắng đọng kim loại và dung dịch ăn mòn

47
47

47


v

2.2.2.3. Quy trình chế tạo hệ ASiNW trên đế Si bằng phương
pháp MACE

48

2.2.3. Chế tạo các hệ ASiNW trên đế Si bằng phương pháp MACE

49

2.2.4. Ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo và vật liệu ban đầu lên

50

cấu trúc của các hệ ASiNW trên đế Si chế tạo bằng phương pháp
MACE
2.2.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ AgNO3 trong dung dịch lắng

50

đọng Ag lên cấu trúc của các hệ ASiNW
2.2.4.2. Ảnh hưởng của vật liệu ban đầu lên cấu trúc của các hệ
ASiNW
2.2.4.3. Ảnh hưởng của thời gian ăn mòn lên cấu trúc của các hệ
ASiNW
2.2.4.4. Ảnh hưởng của dung dịch ăn mòn lên cấu trúc của các

hệ ASiNW
2.3. Nghiên cứu chế tạo các hệ ASiNW bằng phương pháp MAECE
2.3.1. Cơ chế ăn mòn
2.3.1.1. Sự phun lỗ trống trong ăn mòn anốt
2.3.1.2. Cơ chế ăn mòn trực tiếp và ăn mòn gián tiếp
2.3.2. Công nghệ ăn mòn MAECE đã được áp dụng để chế tạo các
hệ ASiNW trên đế Si trong luận án
2.3.2.1. Vật liệu ban đầu, các dung dịch lắng đọng và dung dịch
ăn mòn
2.3.2.2. Hệ điện hóa sử dụng để chế tạo hệ ASiNW
2.2.2.3. Quy trình chế tạo hệ ASiNW trên đế Si bằng phương
pháp MACE
2.3.3. Chế tạo các hệ ASiNW trên đế Si bằng phương pháp MAECE
2.3.4. Ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo lên cấu trúc của các hệ
ASiNW
2.3.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ AgNO3 trong dung dịch lắng
đọng Ag
2.3.4.2. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện hóa
2.3.4.3. Ảnh hưởng của thời gian ăn mòn
2.4. Kết luận Chương 2

57
59
61
65
65
65
66
70
70

70
71
72
73
73
76
78
80


vi

Chương 3. Nghiên cứu tính chất huỳnh quang của các hệ ASiNW
3.1. Lý thuyết chung về sự phát quang của vật liệu silic cấu trúc nanô
3.1.1. Hiệu ứng giam giữ lượng tử

81
81
82

3.1.2. Hiệu ứng giam giữ lượng tử và sự thụ động hóa bề mặt
3.1.3. Hiệu ứng giam giữ lượng tử và các trạng thái bề mặt

87
89

3.1.4. Hiệu ứng giam giữ lượng tử và các sai hỏng trong SiO2

93
96

3.2. Áp dụng lý thuyết chung về sự phát quang của vật liệu Si cấu trúc
nanô để giải thích các kết quả đã thu được về PL của các hệ ASiNW
3.2.1. Thí nghiệm
3.2.2. Các kết quả và thảo luận về PL của các mẫu ASiNW
3.3. Kết luận Chương 3
Chương 4. Ứng dụng hệ ASiNW trong tán xạ Raman tăng cường bề
mặt
4.1. Tán xạ Raman
4.2. Tổng quan về tán xạ Raman tăng cường bề mặt
4.2.1. Các cơ chế tăng cường SERS
4.2.1.1. Cơ chế tăng cường điện từ
4.2.1.2. Cơ chế tăng cường hóa học
4.2.2. Các loại đế SERS
4.2.3. Hệ số tăng cường SERS
4.2.3.1. Hệ số tăng cường đơn phân tử
4.2.3.2. Hệ số tăng cường đế SERS
4.2.3.3. Hệ số tăng cường phân tích
4.2.3.4. Hệ số tăng cường được ước tính dựa trên phép đo mặt
cắt ngang
4.2.4. Các ứng dụng của SERS
4.2.4.1. Ứng dụng trong các cảm biến sinh học
4.2.4.2. Ứng dụng trong các phân tích môi trường
4.2.5. Ưu điểm và nhược điểm của SERS
4.3. Ứng dụng các hệ ASiNW trong SERS
4.3.1. Quy trình chế tạo đế SERS từ hệ ASiNW trên đế Si
4.3.2. Sử dụng các hệ ASiNW thẳng đứng có phủ các AgNP
(AgNPs/VASiNW) để phát hiện các phân tử MG nồng độ thấp

96

98
108
110
110
115
116
117
121
123
125
126
126
127
127
128
128
128
129
130
130
132


vii

thông qua hiệu ứng SERS
4.3.3. Sử dụng các hệ ASiNW xiên có phủ các AgNP
(AgNPs/OASiNW) để phát hiện các phân tử MG nồng độ thấp
thông qua hiệu ứng SERS
4.3.4. Sử dụng các hệ AgNPs/OASiNW để phát hiện các phân tử

140

144

thuốc diệt cỏ paraquat thông qua hiệu ứng SERS
4.4. Kết luận Chương 4

146

Kết luận
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

147
149
151


viii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AgNP

- hạt nanô bạc

AgNPs/SiNWs

- silic nanô dây có bao phủ các hạt nanô bạc

ASiNW

- dây nanô silic xếp thẳng hàng

CVD

- lắng đọng hóa học từ pha hơi

DC

- nguồn điện một chiều

Đ.V.T.Y

- đơn vị tùy ý

EDX

- phổ tán sắc năng lượng tia X

EM

- điện từ

LSPR

- cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ

MACE

- ăn mòn hóa học có sự trợ giúp của kim loại

MAECE

- ăn mòn điện hóa có sự trợ giúp của kim loại

MG

- malachite green

NW

- dây nanô

OAG

- mọc với sự hỗ trợ của ôxít

OASiNW

- dây nanô silic xiên xếp thẳng hàng

PVD

- lắng đọng vật lý từ pha hơi

PL

- quang huỳnh quang

PQ

- paraquat

QCE

- hiệu ứng giam giữ lượng tử

QCLC

- giam giữ lượng tử - tâm phát quang

RIE

- ăn mòn ion phản ứng

SEM

- kính hiển vi điện tử quét

SERS

- tán xạ Raman tăng cường bề mặt

SiNW

- dây nanô silic

TEM

- kính hiển vi điện tử truyền qua

VASiNW

- dây nanô silic thẳng đứng xếp thẳng hàng


ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

µm

- micromét, đơn vị đo độ dài (= 10-6 m)

nm

- nanomét, đơn vị đo độ dài (= 10-9 m)

cm

- centimét, đơn vị đo độ dài

cm2

- centimét vuông, đơn vị đo diện tích

A

- ampe, đơn vị đo cường độ dòng điện

mA

- mili ampe, đơn vị đo cường độ dòng điện (=m10-3 A)

Ec

- mức năng lượng cực tiểu vùng dẫn

EF

- mức năng lượng fecmi

Eg

- độ rộng vùng cấm

eV

- electron vôn, đơn vị đo năng lượng

Ev

- mức năng lượng cực đại vùng hóa trị

e-

- điện tử

h+

- lỗ trống

J

- mật độ dòng điện hóa

JPS

- mật độ dòng ngưỡng xốp

M

- mol/lít

mM

- milimol/lít (=10-3M)

ppm

- phần triệu

µl

- micrôlít (= 10-6 lít)


x

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các tính chất vật lý của Si ở 300 K.
Bảng 1.2. Các tính chất của bề mặt Si

6
8

Bảng 1.3. Bảng tổng hợp các kết quả nghiên cứu về PL của vật liệu SiNW
Bảng 2.1. Các thông số của các hóa chất đã được sử dụng trong luận án.
Bảng 2.2. Ảnh hưởng của nồng độ HF lên chiều dài, đường kính của các
SiNW phân tích từ các ảnh SEM và TEM.
Bảng 3.1. Sự mở rộng vùng cấm của nanô tinh thể Si khi kích thước của các
nanô tinh thể này giảm đi theo hiệu ứng giam giữ lượng tử [10, 50].
Bảng 3.2. Hàm lượng các nguyên tố O, Si, Ag (theo % nguyên tử) trên các
mẫu SiNW được chế tạo bằng phương pháp MACE và MAECE
(với mật độ dòng 4, 6, 8 và 10 mA/cm2) và mẫu được xử lí trong
dung dịch HF 5%.
Bảng 4.1. Các vùng đặc trưng trong phổ Raman của phân tử Sudan đỏ và các
mode dao động tương ứng

19
48
61
85
103

115

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của Si.

7

Hình 1.2. Ô đơn vị của cấu trúc tinh thể của vật liệu Si đơn tinh thể với các mặt
phẳng tinh thể khác nhau.
Hình 1.3. Các phương pháp chế tạo SiNW.
Hình 1.4. Sơ đồ mọc SiNW theo cơ chế VLS.
Hình 1.5. Sơ đồ khối hệ MBE(a) và CVD(b) để mọc VLS các SiNW.
Hình 1.6. Sơ đồ mọc OAG các SiNW.
Hình 1.7. Sơ đồ chế tạo các SiNW bằng phương pháp MACE.
Hình 1.8. Ảnh hưởng của giam giữ lượng tử đến sự mở rộng của độ rộng vùng
cấm (Eg) thu được thông qua các tính toán DFT.
Hình 1.9. Ảnh hiển vi đồng tiêu điểm của các tế bào gốc phôi chuột (MES) trên
các SiNW (a); Ảnh SEM của tế bào MES trên một bề mặt mảng dây
nanô (b) và Ảnh SEM của các tế bào MES riêng rẽ trên các SiNW
(c, d).
Hình 1.10. Phổ Raman thu được từ các đế AgNPs/SiNW được nhỏ 25 ml 10-16

7
9
10
11
12
14
17
24

26

xi

M R6G (a), 10-16 M crystal violet (b), 10-14 M nicotine (c), và 10-8
mg/ml dung dịch DNA CT trong nước (d). Đường cong (a) trong
các hình (a) và (d) tương ứng là phổ Raman thu được từ bột R6G và
DNA CT rắn.
Hình 1.11. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét.

29

Hình 1.12. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử truyền qua.
Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý hệ đo phổ huỳnh quang.

31
33

Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý hệ đo micro Raman.
Hình 2.1. Sơ đồ các phương pháp ăn mòn.
Hình 2.2. a) Giản đồ về mối liên hệ về năng lượng giữa các vùng trong một đế
Si và các năng lượng chuẩn của các chất ôxy hóa khác nhau; b) So
sánh các năng lượng biên vùng Si và thế ôxy hóa khử H2O2/H2O

34
36
44

trên thang năng lượng điện hóa, chứng tỏ rằng lỗ trống được phun
sâu vào vùng hóa trị; c) Sơ đồ so sánh định tính giữa các mức năng

lượng điện tử điện hóa của các biên vùng Si (Ec và Ev tương ứng là
vùng dẫn và vùng hóa trị,) và năm hệ ôxy hóa khử, AuCl4/Au,
PtCl62-/Pt, Ag+/Ag, Cu2+/Cu và Fe3+/Fe2+, trong dung dịch HF.
Hình 2.3. Sơ đồ hai mô hình phổ biến nhất có thể xảy ra trong MACE. Mô hình
I: các chất phản ứng và sản phẩm phụ khuếch tán dọc theo giao diện

45

giữa các kim loại quý và tường của cấu trúc ăn mòn. Mô hình II:
Một nguyên tử Si được hòa tan vào kim loại, khuếch tán qua kim
loại và sau đó bị oxy hóa trên bề mặt của kim loại.
Hình 2.4. Sơ đồ các quá trình xảy ra trong MACE.
Hình 2.5. Quy trình chế tạo hệ SiNW xếp thẳng hàng trên đế Si bằng phương
pháp MACE.
Hình 2.6. Ảnh SEM của đế Si (100) pha tạp loại p sau khi lắng đọng Ag trong
dung dịch 4,6 M HF và 5 mM AgNO3 trong 60 giây (a) sau đó ăn
mòn trong dung dịch 4,8 M HF và 0,4 M H2O2 (b, c) trong 90 phút ở
nhiệt độ phòng.
Hình 2.7. Ảnh SEM bề mặt của mẫu pSi (100) sau khi lắng đọng Ag trong thời
gian 60 giây trong dung dịch 4,6 M HF và AgNO3 có nồng độ khác
nhau: 3 mM (a), 5 mM (b), 15 mM (c), 25 mM (d) và 30 mM (e).
Hình 2.8. Ảnh SEM mặt cắt của đế Si(100) pha tạp loại p sau khi lắng đọng Ag
trong thời gian 60 giây trong dung dịch HF/AgNO3 có nồng độ
AgNO3 khác nhau: 5 mM (a), 15 mM (b) và 30 mM (c).

47
49
50

51

52


xii

Hình 2.9. Ảnh SEM bề mặt và mặt cắt của các hệ ASiNW đã được chế tạo với
bước lắng đọng Ag được thực hiện bằng cách nhúng các mẫu trong

54

trong dung dịch 4,6 M HF và nồng độ AgNO3 khác nhau: 3 mM (a,
e), 5mM (b, f), 15 mM (c, g) và 25 mM (d, h).
Hình 2.10. Sự phụ thuộc của độ dài của các SiNW vào nồng độ của AgNO3

55

trong các dung dịch lắng đọng Ag.
Hình 2.11. Ảnh SEM mặt cắt của hệ ASiNW đã chế tạo với các bước lắng

56

đọng Ag được thực hiện bằng cách nhúng các mẫu trong 60 giây
trong dung dịch 4,6 M HF và 25 mM AgNO3 (a) và ảnh phóng đại
đỉnh của một số SiNW (b).
Hình 2.12. Ảnh TEM của một số ASiNW đã được chế tạo với các bước lắng
đọng Ag được thực hiện bằng cách nhúng các mẫu trong 60 giây
trong dung dịch 4,6 M HF và AgNO3 có nồng độ khác nhau: 5 mM
(a), 15 mM (b), và 25 mM (c).
Hình 2.13. Ảnh SEM của các mẫu ASiNW chế tạo trên đế Si (100) pha tạp loại

p (a và c) và loại n (b và d) ăn mòn trong dung dịch 4,8 M HF/0,4 M
H2O2 trong thời gian 90 phút sau khi lắng đọng Ag trong dung dịch
4,6 M HF/10 mM AgNO3.
Hình 2.14. Ảnh SEM của các mẫu ASiNW chế tạo trên đế Si (111) pha tạp loại
p (a) và loại n (b) ăn mòn trong dung dịch 4,8 M HF/0,4 M H2O2
trong thời gian 30 phút sau khi tráng Ag trong dung dịch 4,6 M
HF/10 mM AgNO3.
Hình 2.15. Ảnh SEM mặt cắt của các mẫu Si(100) được lắng đọng Ag trong
dung dịch 4,6 M HF/15 mM AgNO3 sau đó ăn mòn trong dung dịch
4,8 M HF/0,4 M H2O2 trong: 30 (a), 60 (b), 90 (c), 120 (d), 150 (e)
và 180 phút (f) ở nhiệt độ phòng.
Hình 2.16. Ảnh SEM bề mặt và ảnh TEM tương ứng của các mẫu ASiNW
được ăn mòn trong thời gian 60 (a, b) và 120 phút (c, d), các điều
kiện chế tạo khác như nhau.
Hình 2.17. Ảnh SEM mặt cắt của các mẫu ASiNW ăn mòn trong dung dịch
HF/H2O2 với nồng độ HF khác nhau: 3 M (a), 4.8 M (b), 6 M (c) và
7 M (d), các điều kiện chế tạo khác như nhau.
Hình 2.18. Ảnh SEM bề mặt và mặt cắt của các đế Si (100) có bao phủ Ag sau
khi được ăn mòn trong dung dịch 4,8 M HF và AgNO3 có nống độ
khác nhau: 0,2 M (a, d), 0,4 M (b, e) và 0,6 M (c, f), các điều kiện

56

57

58

59

60

61

62


xiii

khác giống như nhau.
Hình 2.19. Ảnh SEM của các mấu Si (111) có bao phủ Ag sau khi được ăn

63

mòn trong dung dịch 4,8 M HF và H2O2 có nồng độ khác nhau: 0,4
M (a, d), 0,8 M (b, e) và 1,2 M (c, f), các điều kiện chế tạo khác như
nhau.
Hình 2.20. Mô phỏng các bước trong quá trình ăn mòn anốt Si theo cơ chế trực
tiếp trong dung dịch nước của HF.

67

Hình 2.21. Mô phỏng bước ôxy hóa trong quá trình ăn mòn anốt Si theo cơ chế
gián tiếp trong dung dịch nước của HF.
Hình 2.22. Sơ đồ hệ điện hóa để ăn mòn đế Si có bao phủ Ag (a) và ảnh chụp
hệ điện hóa đã sử dụng trên thực tế (b).
Hình 2.23. Quy trình chế tạo hệ SiNW trên đế Si bằng phương pháp MAECE.
Hình 2.24. Ảnh SEM bề mặt (a) và mặt cắt (b) của đế Si (100) pha tạp loại p
sau khi lắng đọng Ag trong dung dịch 4,6 M HF/15 mM AgNO3

69

trong 60 giây (a) sau đó ăn mòn điện hóa trong dung dịch 10% HF,
mật độ dòng 4 mA/cm2 trong 30 phút ở nhiệt độ phòng.
Hình 2.25. Ảnh SEM bề mặt và mặt cắt của các hệ ASiNW đã được ăn mòn
MAECE với bước lắng đọng bạc được thực hiện bằng cách nhúng
các mẫu trong 60 giây trong dung dịch 4,6 M HF và nồng độ
AgNO3 khác nhau: 15 mM (a, e), 20 mM (b, f), 25 mM (c, g) và 40
mM (d, h).

71
71
72

74

Hình 2.26. Ảnh TEM của một số SiNW của các mẫu đã được ăn mòn MAECE
với bước lắng đọng Ag được thực hiện trong dung dịch có nồng độ
AgNO3 khác nhau: 25 mM (a), 30 mM (b), và 40 mM (c).
Hình 2.27. Ảnh SEM của các mẫu ASiNW trên đế Si được chế tạo bằng
phương pháp MAECE với mật độ dòng ăn mòn khác nhau: 4
mA/cm2 (a, e), 6 mA/cm2 (b, f), 8 mA/cm2 (c, g) và 10 mA/cm2 (d,
h), các điều kiện chế tạo khác như nhau.

75

Hình 2.28. Sự chuyển đổi hình thái bề mặt của mẫu Si được ăn mòn MAECE
với mật độ dòng điện hóa khác nhau: 10 mA/cm2 (a) và 15
mA/cm2(b).
Hình 2.29. Ảnh SEM mặt cắt của các mẫu Si(100) được lắng đọng Ag trong
dung dịch 4,6 M HF/25 mM AgNO3 sau đó ăn mòn điện hóa trong

10% HF với mật độ dòng 6 mA/cm2 trong thời gian: 10 phút (a), 20
phút (b), 30 phút (c) và 40 phút (d) ở nhiệt độ phòng.

77

76

79


xiv

Hình 3.1. Sự phát quang vùng – vùng trong bán dẫn.
Hình 3.2. Chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong bán dẫn vùng cấm thẳng (a)

82
82

và bán dẫn vùng cấm xiên (b).
Hình 3.3. Sơ đồ minh họa hiệu ứng giam giữ lượng tử trong cấu trúc vùng năng

84

lượng.
Hình 3.4. Sự dịch xanh trong vùng nhìn thấy của phổ huỳnh quang của các
mẫu PSi theo độ xốp.

86

Hình 3.5. Huỳnh quang ở nhiệt độ phòng của các mẫu PSi có độ xốp khác nhau

được giữ trong môi trường khí Ar (thụ động hóa bằng hyđrô, không
có ôxy)(a) và sau khi để ra ngoài không khí (b).
Hình 3.6. Sự phụ thuộc của các trạng thái điện tử trong SiNC vào kích thước
của SiNC và thụ động hóa bề mặt. Trạng thái bắt điện tử là một
trạng thái định xứ trên nguyên tử Si của liên kết Si=O và trạng thái
bắt lỗ trống là một trạng thái định xứ trên nguyên tử O của liên kết
Si=O.
Hình 3.7. So sánh giữa các năng lượng PL thực nghiệm và lý thuyết. Đường
cong bên trên là năng lượng vùng cấm exciton tự do và đường cong
phía dưới là chuyển mức năng lượng thấp nhất khi có thêm liên kết
Si=O. Các chấm tròn màu đen và màu trắng tương ứng là các kết
quả thực nghiệm thu được đối với các mẫu PSi được thụ động hóa
bề mặt bởi hyđrô và ôxy.
Hình 3.8. Sơ đồ năng lượng của mô hình ba vùng được đề xuất bởi Kanemitsu.

87

Hình 3.9. Quá trình phát quang theo cơ chế có liên quan đến trạng thái bề mặt.
Một cặp điện tử - lỗ trống có thể tái hợp vùng – vùng bên trong
SiNC có vùng cấm được mở rộng (ħω0), tái hợp vùng – bề mặt (một
loại hạt tải bị bắt bởi sai hỏng bề mặt) (ħω1), hoặc tái hợp bề mặt –
bề mặt (cả điện tử và lỗ trống đều bị bắt bởi sai hỏng bề mặt) (ħω2).
Hình 3.10. Sơ đồ minh họa sự tái hợp phát xạ của các cặp điện tử - lỗ trống để
phát ra ánh sáng trong vùng nhìn thấy thông qua các tâm phát quang
định xứ trong các lớp SiO2 (trường hợp I).
Hình 3.11. Sơ đồ minh họa cơ chế phát PL “đỏ” từ các SiNC nằm trên mạng
SiO2 vô định hình: các cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra trong SiNC
và sự tái hợp phát xạ tại các tâm phát quang (NBOHC) trong mạng
SiO2 (a) và sơ đồ các sai hỏng trên bề mặt của SiNC và trong mạng
SiO2 (b).

89

90

91
92

94

95


xv

Hình 3.12. Huỳnh quang của đế Si trước (1) và sau ăn mòn MACE trong 90
phút để tạo ASiNW (2) ở nhiệt độ phòng khi kích thích dưới ánh
sáng của laser He-Cd với bước sóng kích thích 325 nm.
Hình 3.13. Huỳnh quang của các mẫu ASiNW được chế tạo bằng phương pháp

98

100

MACE (1) và MAECE (2) ở nhiệt độ phòng.
Hình 3.14. Sự phát quang của các mẫu ASiNW được chế tạo bằng phương
pháp MACE (a) và MEACE (b) khi được chiếu dưới ánh sáng của
đèn tử ngoại.
Hình 3.15. Ảnh SEM và TEM tương ứng của các mẫu ASiNW chế tạo bằng
phương pháp MACE (a, b) và MAECE (c, d).

Hình 3.16. Huỳnh quang của các mẫu ASiNW được chế tạo trên đế Si bằng
phương pháp MAECE với mật độ dòng 6 mA/cm2 (1) trước và (2)
sau khi xử lí trong dung dịch HF.
Hình 3.17. Huỳnh quang của các mẫu ASiNW được chế tạo trên đế Si bằng
phương pháp MAECE trong 30 phút ở nhiệt độ phòng với mật độ
dòng điện hóa thay đổi: (1) 4 mA/cm2, (2) 6 mA/cm2, (3) 8 mA/cm2
và (4) 10 mA/cm2.
Hình 4.1. Sơ đồ biểu diễn tán xạ Raman và tán xạ Rayleigh: (a) sơ đồ năng
lượng của các quá trình tán xạ; (b) Phổ tán xạ Raman và tán xạ
Rayleigh.
Hình 4.2. Các mode dao động cơ bản của phân tử H2O.
Hình 4.3. Ba mode dao động của H2O và sự thay đổi kích thước (a), hình dạng
(b) và định hướng (c) của các ellipsoid phân cực của các phân tử
nước. Các cột ở giữa cho thấy ellipsoid phân cực ở vị trí cân bằng
của phân tử, còn các cột bên trái và bên phải hiện thị ellipsoid phân
cực ở các vị trí biên của các dao động.
Hình 4.4. Phổ Raman của bột Sudan đỏ.
Hình 4.5. Sơ đồ minh họa hiệu ứng SERS. Phân tử (màu xanh) được hấp phụ
trên các hạt nanô kim loại (màu cam), khi chiếu ánh sáng vào hệ
này, cường độ tán xạ Raman của phân tử tăng lên nhiều lần . Phổ
minh họa là phổ SERS của 10-9 mol/L adenine hấp thụ trên các đám
nanô bạc.
Hình 4.6. Sơ đồ minh họa cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR) với các
điện tử dẫn tự do trong các hạt nanô kim loại được định hướng theo
dao động do sự kết nối mạnh với ánh sáng tới.

101

102
105

106

112

111
113

114
116

118


xvi

Hình 4.7. Sơ đồ giải thích cơ chế tăng cường EM trong SERS.
Hình 4.8. Sơ đồ biểu diễn cơ chế chuyển điện tích trong SERS.

119
122

Hình 4.9. Ảnh TEM của VASiNW trước (a) và sau khi lắng đọng các AgNP
(b).

132

Hình 4.10. Phổ Raman của dung dịch MG nồng độ 10-5M được nhỏ lên trên

133

các loại đế khác nhau: (a) AgNPs/VASiNWs; (b) AgNPs/PSi; (c)
AgNPs/Si và (d) VASiNW không lắng đọng AgNP.
Hình 4.11. Phổ Raman của dung dịch có chứa MG với nồng độ khác nhau: (a)
10-5, (b) 10-6, và (c) 10-7 M được nhỏ lên trên các đế
AgNPs/VASiNW giống hệt nhau.
Hình 4.12. Ảnh TEM của các VASiNW sau khi được lắng đọng AgNP trong
dung dịch HF/AgNO3 với nồng độ AgNO3 khác nhau: 0,1 mM (a),
0,3 mM (b) và 0,4 mM (c), các điều kiện khác như nhau.
Hình 4.13. Phổ Raman của dung dịch 10-7 M MG trong nước được nhỏ lên
trên các đế VASiNW được lắng đọng AgNP trong các dung dịch có
nồng độ AgNO3 khác nhau: (a) 0,1 mM, (b) 0,3 mM, và (c) 0,4
mM.
Hình 4.14. Ảnh TEM của các VASiNW sau khi được lắng đọng AgNP trong
dung dịch 0,1 M HF và 0,3 mM AgNO3 trong 10 phút (a), 15 phút
(b) và 17 phút (c), các điều kiện khác như nhau.
Hình 4.15. Phổ Raman của dung dịch 10-8 M MG trong nước được nhỏ lên
trên các đế VASiNW được lắng đọng AgNP trong dung dịch 0,1 M
HF và 0,3 mM AgNO3 trong 10 phút (a), 15 phút (b).
Hình 4.16. Phổ Raman của dung dịch MG nồng độ 10-13 M được nhỏ lên trên
đế AgNPs/VASiNW phủ (a) và phổ Raman của dung dịch MG 1 M
được nhỏ lên trên đế VASiNW (b).
Hình 4.17. Ảnh SEM bề mặt (a) và mặt cắt (b) của các hệ OASiNW được sử
dụng làm các đế SERS; Ảnh TEM của SiNW trước (c) và sau khi
thực hiện bước lắng đọng Ag (d).
Hình 4.18. Phổ Raman của dung dịch chứa: (a) 10-10, (b) 10-11, (c) 10-13, (d) 10và (e) 10 M MG được nhỏ lên trên các đế AgNPs/OASiNW.
Hình 4.19. Ảnh TEM của OASiNW (a) và VASiNW (b) sau khi được lắng
đọng các AgNP cùng một lúc trong cùng điều kiện như nhau.
Hình 4.20. Phổ Raman của dung dịch chứa 10-10 M MG được nhỏ lên trên các
đế AgNPs/OASiNW được chế tạo tại các thời điểm khác nhau với

14

134

135

136

137

137

139

140

141

-15

142
143


xvii

các điều kiện chế tạo giống hệt nhau.
Hình 4.21. Phổ Raman của dung dịch paraquat với các nồng độ khác nhau: (a) 145
50, (b) 10, và (c) 5 ppm được nhỏ lên trên các đế AgNPs/OASiNW.

1

Mở đầu
Trong vài thập niên gần đây, khoa học và công nghệ nanô là lĩnh vực được
các nhà khoa học ở nhiều nơi trên thế giới đặc biệt quan tâm. Nhiều thành tựu của
khoa học và công nghệ nanô đã nhanh chóng được ứng dụng để sản xuất ra các sản
phẩm mới, đem lại lợi ích kinh tế to lớn và góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống
con người. Bên cạnh đó, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo vật liệu bán
dẫn đã làm thay đổi cuộc sống của con người một cách mạnh mẽ, gần như trong tất
cả phương tiện và công cụ phục vụ cho cuộc sống của con người đều có mặt vật liệu
bán dẫn. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nanô thì tầm quan trọng của vật
liệu bán dẫn ngày càng trở nên lớn hơn.
Trong công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn thì công nghệ chế tạo vật liệu silic
(Si) đã phát triển gần như hoàn hảo. Hiện nay hầu hết các linh kiện bán dẫn đều
được sản xuất từ Si. Vì vậy, các vật liệu Si có cấu trúc nanô đặc biệt là vật liệu dây
nanô Si (silicon nanowire – SiNW) trở nên có vai trò vô cùng quan trọng trong
ngành công nghiệp bán dẫn. Vật liệu SiNW thuộc nhóm vật liệu nanô một chiều
(1D) với diện tích bề mặt hiệu dụng cao, trong đó các hạt tải bị giới hạn trong hai
chiều và tự do trong chiều còn lại. Sự thu nhỏ về kích thước của vật liệu SiNW so
với vật liệu khối làm cho các tính chất điện, quang và nhiệt của SiNW có nhiều
điểm khác biệt và nổi trội hơn hẳn so với vật liệu khối.
Các hệ SiNW xếp thẳng hàng (aligned SiNW - ASiNW) là các hệ SiNW có
trật tự, xếp thành hàng lối với nhau. Sự sắp xếp có trật tự của các SiNW không chỉ
làm tăng độ ổn định, sự lặp lại trong các lần chế tạo mà còn giúp cho các tính chất
của các hệ ASiNW sẽ có nhiều điểm ưu việt và độc đáo hơn so với các hệ SiNW
mất trật tự. Nhờ có những tính chất này nên các hệ ASiNW trở thành ứng cử viên
đầy hứa hẹn cho các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như trong các thiết
bị điện tử tiên tiến, cảm biến y sinh, thiết bị quang điện tử, và pin mặt trời.
Một trong những ứng dụng khá thú vị của các hệ ASiNW là tán xạ Raman

tăng cường bề mặt (Surface-Enhanced Raman Scattering – SERS). SERS là sự tăng


2

cường tín hiệu Raman của các phân tử đang là đối tượng phân tích lên nhiều lần khi
chúng được cho nằm gần một bề mặt kim loại gồ ghề hoặc bề mặt các hạt nanô kim
loại. Đây là một kỹ thuật phân tích được phát triển để phát hiện một lượng rất nhỏ
của các phân tử hữu cơ bằng cách xác định tín hiệu Raman đặc trưng của chúng và
đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như hóa học, sinh học, y
học, …
Tại Việt Nam đã có một số nghiên cứu về chế tạo SiNW và các tính chất của
chúng. Tuy nhiên, đây là các nghiên cứu về SiNW mất trật tự và cho đến nay vẫn
chưa có công trình nào về chế tạo, nghiên cứu các tính chất cũng như ứng dụng của
các hệ SiNW có trật tự, xếp thẳng hàng trên đế Si. Chính vì vậy nên chúng tôi quyết
định chọn vật liệu này làm đối tượng nghiên cứu trong công trình của mình.
Với mục đích tìm hiểu và nghiên cứu về vật liệu ASiNW cũng như tính chất
quang và ứng dụng của vật liệu này nên tôi đã chọn đề tài “Chế tạo, nghiên cứu
tính chất quang và định hướng ứng dụng trong tán xạ Raman tăng cường bề
mặt của các hệ dây nanô silic xếp thẳng hàng” là đề tài nghiên cứu của tôi.
Trong bản luận án này, trước hết chúng tôi nghiên cứu chế tạo các hệ
ASiNW trên đế Si bằng phương pháp ăn mòn hóa học có sự trợ giúp của kim loại
(metal-assisted chemical etching – MACE) và phương pháp ăn mòn điện hóa có sự
trợ giúp của kim loại (metal-assisted electrochemical etching – MAECE). Đây là
các công nghệ đã được sử dụng rất thành công để tạo các cấu trúc nanô Si nói chung
và các hệ ASiNW nói riêng trên các đế Si. Hai phương pháp này khá đơn giản, phù
hợp với điều kiện nghiên cứu của Việt Nam nói chung và của nhóm nghiên cứu của
chúng tôi nói riêng nhưng vẫn tạo ra được các hệ ASiNW có chất lượng tốt, đồng
đều với khả năng kiểm soát khá tốt các thông số cấu trúc khác nhau của các hệ
ASiNW chế tạo được.

Sau khi chế tạo, các phương pháp phân tích hình thái (ví dụ chụp ảnh SEM,
TEM,…), các phương pháp phân tích thành phần nguyên tố và cấu trúc (ví dụ EDX,
HRTEM…) được sử dụng để nghiên cứu hình thái và cấu trúc của các hệ ASiNW
chế tạo được. Tính chất huỳnh quang của các hệ ASiNW sẽ được khảo sát và


3

nghiên cứu bằng phép đo phổ huỳnh quang. Bên cạnh các phép đo đạc thực nghiệm,
các lý thuyết, các mô hình sẵn có, các tài liệu tham khảo… cũng được sử dụng để
giải thích các kết quả thực nghiệm về cơ chế ăn mòn tạo các hệ ASiNW; cấu trúc và
hình thái của các hệ ASiNW; nguồn gốc, cơ chế và các đặc điểm phát huỳnh quang
của các hệ ASiNW… Các đề xuất mới cũng sẽ được đưa ra để giải thích kết quả
thực nghiệm trong những trường hợp cần thiết. Cuối cùng, phương pháp tán xạ
Raman được chúng tôi sử dụng để nghiên cứu ứng dụng của hệ ASiNW trong hiệu
ứng SERS để phát hiện lượng vết của các phân tử hữu cơ độc hại có nồng độ thấp.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu chế tạo các hệ ASiNW trên đế Si bằng hai
phương pháp là MACE và MAECE. Sau đó nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số
chế tạo lên hình thái, cấu trúc của các hệ ASiNW. Tính chất huỳnh quang của các
hệ ASiNW chế tạo cũng sẽ được nghiên cứu trong đó nguồn gốc, cơ chế phát huỳnh
quang cũng như cơ chế ảnh hưởng của các thông số chế tạo lên tính chất huỳnh
quang của các hệ này sẽ được thảo luận. Cuối cùng chúng tôi sẽ nghiên cứu sử dụng
các hệ ASiNW cho việc chế tạo đế SERS để phát hiện các phân tử hữu cơ độc hại
có nồng độ thấp.
Bố cục của bản luận án bao gồm các phần như sau:
Mở đầu: Trình bày lý do lựa chọn đề tài, phương pháp và mục đích nghiên cứu.
Chương 1: Tổng quan về vật liệu dây nanô silic
Chương 1 trình bày tổng quan về các phương pháp chế tạo, tính chất cũng
như các ứng dụng của vật liệu SiNW. Các quy trình, những ưu điểm cũng như hạn
chế của các phương pháp chế tạo các hệ SiNW sẽ được trình bày khái quát trong

chương này từ đó định hướng nghiên cứu công nghệ chế tạo sẽ sử dụng trong luận
án. Các tính chất của các hệ SiNW đã được báo cáo bởi các nhóm nghiên cứu trên
thế giới sẽ được tổng kết để thấy được các vấn để còn hạn chế và cần phải giải
quyết trong luận án này. Các ứng dụng nổi bật của các hệ SiNW cũng được liệt kê
trong chương này. Phần cuối cùng của chương trình bày về các phương pháp khảo
sát hình thái, cấu trúc, tính chất và ứng dụng của các hệ ASiNW mà chúng tôi sử
dụng trong luận án.


4

Chương 2: Nghiên cứu chế tạo các hệ dây nanô silic xếp thẳng hàng bằng phương
pháp ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa có sự trợ giúp của kim loại
Chương 2 trình bày về hai phương pháp MACE và MAECE được sử dụng để
chế tạo các hệ SiNW trong đó các cơ chế ăn mòn và các phản ứng xảy ra trong quá
trình ăn mòn sẽ được đi sâu trình bày. Dựa trên tổng quan về lý thuyết chúng tôi sẽ
xây dựng quy trình chế tạo các hệ ASiNW trên đế Si bằng hai phương pháp trên.
Nội dung chính mà chương này sẽ tập trung trình bày là các kết quả thực
nghiệm của chúng tôi về chế tạo các hệ ASiNW trên đế Si bằng hai phương pháp
MACE và MAECE. Trong phần này hình thái cấu trúc của các hệ ASiNW chế tạo
được và ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo, vật liệu ban đầu lên quá trình ăn mòn
và cấu trúc các hệ ASiNW sẽ được trình bày một cách có hệ thống và được thảo
luận chi tiết.
Chương 3: Nghiên cứu tính chất huỳnh quang của hệ dây nanô silic xếp thẳng
hàng
Trong chương này trước tiên chúng tôi trình bày các kết quả thu được về
huỳnh quang và ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo lên huỳnh quang của các hệ
ASiNW chế tạo được. Tiếp theo, chúng tôi sẽ thảo luận về nguồn gốc và cơ chế
phát huỳnh quang của các hệ ASiNW và sẽ đi sâu thảo luận về sự tăng cường huỳnh
quang và sự phát quang mạnh của các hệ ASiNW chế tạo bằng phương pháp

MAECE.
Chương 4: Ứng dụng hệ dây nanô silic xếp thẳng hàng trong tán xạ Raman tăng
cường bề mặt
Đầu tiên chúng tôi trình bày tổng quan về hiệu ứng SERS trong đó các cơ
chế tăng cường SERS, các loại đế SERS, hệ số tăng cường tán xạ Raman trong hiệu
ứng SERS,… cũng sẽ được trình bày một cách tổng quát. Tiếp theo, chúng tôi đưa
ra quy trình chế tạo đế SERS sử dụng đế ASiNW mà chúng tôi đã chế tạo được và
sau đó chúng tôi sẽ sử dụng các đế này để làm các đế SERS dùng để phát hiện chất


5

nhuộm màu malachit green và thuốc diệt cỏ paraquat. Các kết quả thu được cũng
như các thảo luận về các kết quả này sẽ được trình bày chi tiết trong chương này.
Kết luận: Trình bày các kết luận rút ra từ các kết quả nghiên cứu.


6

Chương 1
Tổng quan về vật liệu dây nanô silic
1.1. Sơ lược về vật liệu silic khối
Si là nguyên tố phổ biến thứ hai trong vỏ trái đất (chiếm khoảng 28% sau
ôxy), tồn tại trong tự nhiên dưới dạng các ôxít (silica) và silicat. Si là nguyên tố thứ
hai của nhóm IV trong bảng tuần hoàn với số nguyên tử là 14 và nguyên tử khối
tương đối là 28,08 g/mol. Si có nhiều tính chất tốt và có giá trị như độ bền cơ học
và độ dẫn nhiệt cao, thân thiện với môi trường và có thể dễ dàng thay đổi tính chất
điện bằng cách pha thêm một số tạp chất vào nó. Si là một nguyên tố tương đối trơ,
phần lớn axít (trừ tổ hợp của axít nitric (HNO3) và axít flohiđríc (HF)) đều không
tác dụng với nó. Một số tính chất vật lý khác của Si được liệt kê trong bảng 1.1.

Bảng 1.1. Các tính chất vật lý của Si ở 300 K [55].

Tính chất
Nguyên tử số

14

Nguyên tử khối
Khối lượng riêng

28,09 g/mol
2,328 g/cm3

Cấu trúc tinh thể
Hằng số mạng
Hằng số điện môi
Hệ số khuếch tán
Điện tử
Lỗ trống
Vùng cấm tại 300K
Điện trở suất nội
Nhiệt độ nóng chảy
Điểm sôi
Độ dẫn nhiệt

Kim cương
5,43 Å
11,9
34,6 cm2s-1
12,3 cm2s-1

1,12 eV
2,3 x 105 Ωcm
1414 oC
2900 °C
148 Wm-1K-1

Ở nhiệt độ phòng Si tồn tại dưới hai dạng: tinh thể (màu xám ánh kim) và vô
định hình (bột màu nâu). Vật liệu Si đơn tinh thể (c-Si) có cấu trúc tinh thể có dạng