CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MẪU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương II

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MẪU VÀ
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Thông qua quá trình tìm hiểu về polymer dẫn và các cơ chế hoạt động của linh kiện
huỳnh quang hữu cơ đa lớp, các nhiệm vụ tiếp theo của nghiên cứu sinh là xây dựng
các thí nghiệm cần thiết để chế tạo mẫu và nghiên cứu tính chất quang và điện của
các polymer dẫn và các đặc trưng quang điện phát quang, đặc tuyến I-V của linh
kiện “tổ hợp đa lớp” điện huỳnh quang hữu cơ để bổ sung các kết quả thực nghiệm
cần thiết vào quá trình xây dựng mô hình lý thuyết sau này của các nhà nghiên cứu
đầu ngành.
Do linh kiện bán dẫn dựa trên các vật liệu polymer “kết hợp”dẫn là một hướng rất
mới trên thế giới (bắt đầu phát triển vào năm 1990 – Burroughes công bố) và hoàn
toàn mới ở Việt nam cho nên lý thuyết cơ sở về chúng còn nhiều hạn chế và chưa
hoàn chỉnh. Bên cạnh đó do tiềm năng ứng dụng to lớn của chúng trong công nghệ
nên hầu hết các tài liệu (vốn ít ỏi) đã công bố hoàn toàn né tránh đề cập đến công
nghệ chế tạo chúng. Điều này đã gây rất nhiều khó khăn cho nghiên cứu sinh trong
quá trình thực hiện đề tài này.

II.1. Xây dựng các phương pháp công nghệ
Như đã trình bày trong chương I, OLED là linh kiện điện huỳnh quang hữu cơ bao
gồm nhiều lớp khác nhau và mỗi lớp đều đóng một vai trò cụ thể. Để có thể chế tạo
các lớp này và nghiên cứu các tính chất đặc trưng của chúng, chúng tôi đã xây dựng
các thiết bị dùng để chế tạo màng dẫn điện trong suốt, các màng polymer dẫn, các
điện cực catốt và linh kiện OLED bao gồm: Hệ phún xạ magnetron, hệ bốc bay vật
liệu phân tử nhỏ, hệ bốc bay màng mỏng kim loại, buồng sạch cách ly (glove box),

62


hệ ủ nhiệt trong chân không và các hệ chế tạo OLED tích hợp. Sau đây chúng tôi

mô tả sơ lược các hệ đã chế tạo để phục vụ cho việc thực hiện luận án

II.1.1

Hệ phún xạ magnetron
Các thông số cơ bản của hệ:
¾

Bơm khuếch tán: Pgiới hạn: 10-7
torr, Pđối: 10-1 torr, vận tốc hút S
= 1200 l/s

¾

Bơm root: Pgiới hạn: 10-4 torr, Pđối:
10 torr, vận tốc hút S = 25 l/s

¾

Bơm sơ cấp : Pgiới hạn: 5.10-4 torr,
Pđối: khí trời, vận tốc hút S = 25
l/s

Áp suất trong buồng chân không được
xác định thông qua áp kế cặp nhiệt
-4
điện có giới hạn đo là 10 torr.

Hình II-1: Hệ phún xạ Magnetron.

Hệ chân không (Hình II-1) bao gồm một buồng thủy tinh pyrex thể tích 10 lít nối
kết với các bơm khuếch tán và bơm sơ cấp thông qua van liên hợp bao gồm van
chính (nối buồng với bơm khuếch tán), 02 van sơ cấp (nối bơm sơ cấp với buồng và
với bơm khuếch tán), van xả buồng và van kim dùng để tiêm khí Argon từ bình
chứa khí khi hệ đã đạt chân không cao. Bơm khuếch tán có bẫy lạnh nitrogen lỏng
cho phép tạo được chân không cho hệ vào cỡ 2.10-4 torr [2,7].
Trong buồng chân không cao, chúng tôi bố trí một bộ phún xạ magnetron tự tạo cấu
hình tròn. Các bia như ITO, AZO dạng tròn được đặt trên catốt được giải nhiệt bằng
nước. Các bia luôn luôn được làm nguội bằng quá trình trao đổi nhiệt. Không có
thiết bị phún xạ nào hoạt động ổn định mà không giải nhiệt. Đế sẽ có nhiệt độ là
hàm của các điều kiện phún xạ.
Catốt bằng đồng đỏ [2,7] dạng trụ đừơng kính 11 cm chứa bên trong bộ nam châm
vĩnh cữu gồm hai cực nam và bắc minh hoạ trên Hình II-2.

63


Nguồn cấp DC cao thế công suất 1500 W điều chỉnh được từ 0 đến 1200 Volt DC
cung cấp hiệu thế cần thiết cho bộ magnetron.
Hệ phóng điện tẩy sạch bề mặt bao gồm hai cực được cấp thế từ nguồn cao thế DC
điều chỉnh từ 0 đến 1500 Volt DC.
Giá đỡ mẫu có hai vị trí song song và vuông góc với nguồn magnetron

Hình II-2: Hệ phún xạ cấu hình tròn.

ƒ

Bia AZO, ITO

Bia ITO chế tạo bởi CERAC Inc, đường kính 4 inch, có hợp phần là bột oxide

indium và oxide thiết nén chặt theo tỷ lệ khối lượng là 90:10.
Bia AZO được chế tạo tại phòng thí nghiệm vật liệu cao đường kính 9 cm dày 3,5
mm có hợp phần là bột oxyde kẽm và oxyde nhôm theo nhiều tỷ lệ 95:5, 96:4, 97:3,
98:2 và 99:1 được nén chặt dưới áp lực 750 kg/cm2 (Hình II-3a), sau đó được gia
nhiệt theo giản đồ trong Hình II-3b. Thời gian nâng nhiệt và ủ vào khoảng 15 tiếng.

64


Vết phún xạ
(Đường đua)

1600

Giả
n đồnung mẫ
u

1400

1000

o

Nhiệ
t độ( C)

1200

800

600
400
200
0
0

10

20

30

40

50

Thờ
i gian (Giờ
)

Hình II-3:(a) Bia ZAO và vết phún xạ (đường đua);(b)Giản đồ nâng nhiệt khi thiêu kết bia.

II.1.2

Hệ bốc bay vật liệu phân tử nhỏ

Q trình lắng đọng các phân tử nhỏ bằng cách bay hơi trong chân khơng được thực
hiện trong một hệ chân khơng được thiết kế và xây dựng được minh họa trên Hình
II-4 bao gồm buồng chân khơng thể tích 30 lít bằng thủy tinh pyrex được bảo vệ
bằng khung lưới thép, bơm sơ cấp và bơm khuếch tán, hệ có thể đạt được áp suất

2.10-4 torr [10,14].

Các thơng số cơ bản của hệ như sau:
¾ Bơm khuếch tán: Pgiới hạn: 10-7 torr,
Pđối: 10-1 torr, vận tốc hút S = 500
l/s
¾ Bơm sơ cấp : Pgiới hạn: 5.10-4 torr,
Pđối: khí trời, vận tốc hút S = 5 l/s
Áp suất trong buồng chân khơng được
xác định thơng qua áp kế cặp nhiệt
điện có giới hạn đo là 10-4 torr.

Hình II-4: Hệ bốc bay vật liệu phân tử nhỏ

65


Cấu tạo của hệ cho phép lắng đọng đồng thời 4 vật liệu hữu cơ bằng hiệu ứng Joule.
Nguồn nhiệt biến đổi mịn có thể điều khiển chính xác tốc độ lắng đọng.
Để tránh nhiễm bẩn, mỗi vật liệu hữu cơ được đặt trong crucible riêng. Cảm biến
thạch anh đo tốc độ lắng đọng và độ dày màng.
Trong thực tế, bay hơi vật liệu hữu cơ cần một bộ nâng nhiệt chậm tương ứng cho
mỗi loại vật liệu.
Chúng tôi duy trì tốc độ lắng đọng trong khoảng 0,1 – 0,2 nm/s. Giống như các vật
liệu khác được lắng đọng bằng phương pháp bay bơi, vận tốc quá nhỏ gây ra tạp
chất trong màng và ngược lại vận tốc quá lớn tạo ra các sai hỏng trong cấu trúc .
Các vận tốc thích hợp đối với mỗi loại vật liệu được tìm thấy trong quá trình thực
nghiệm [10,14].
Để bay hơi các vật liệu, tạm gọi là vật liệu pha tạp trong bán dẫn hữu cơ, chúng tôi
thực hiện việc trộn lẫn trước vật liệu đóng vai trò pha tạp với vật liệu chính theo tỉ

lệ phần trăm về khối lượng. Theo lý thuyết, cần phải bay hơi đồng thời hai vật liệu
với tốc độ khác nhau, điều này không thể thực hiện được với thiết bị của chúng tôi.
Vật liệu PVK và Alq3 được bốc bay ở nhiệt độ 5730K và 7350K tương ứng. Khoảng
cách từ nguồn đốt đến đế là 25, 30, 35, 40 và 45 mm.

II.1.3

Hệ bốc bay màng mỏng kim loại

Tương tự như quá trình bay hơi phân tử, quá trình lắng đọng các điện cực kim loại
Ag hay hợp kim Ag-Mg bằng cách bay hơi trong chân không, được thực hiện trong
một hệ chân không được xây dựng phù hợp với việc chế tạo đa điện cực trên cùng
một mẫu. Hệ bao gồm buồng chân không thể tích 5 lít bằng thủy tinh, bơm sơ cấp
và bơm khuếch tán. Hệ có thể đạt được áp suất 2.10-4 torr minh họa trên Hình II-5.

66


Các thông số cơ bản của hệ như sau:
¾ Bơm khuếch tán: Pgiới hạn: 10-7 torr,
Pđối: 10-1 torr, vận tốc hút S = 400
l/s
¾ Bơm sơ cấp : Pgiới hạn: 5.10-4 torr,
Pđối: khí trời, vận tốc hút S = 4 l/s

Áp suất trong buồng chân không
được xác định thông qua áp kế cặp
nhiệt điện có giới hạn đo là 10-4 torr.

Hình II-5: Hệ tạo điện cực kim loại

Cấu tạo của hệ cho phép tạo các điện cực có kích thước nhỏ (vào cỡ 1mm) và đồng
thời nhiều điện cực trên một đế (mỗi điện cực cách nhau 1 mm) nhờ hệ quay mẫu
cho phép điều chỉnh vị trí theo ý muốn và nguồn thăng hoa dạng “Knudsen Cell”
[9,14]. Nguồn thăng hoa dạng “Knudsen Cell” cho phép nguồn hơi bay lên định
hướng thông qua khe hẹp của nguồn và đảm bảo độ dày đồng đều của điện cực tạo
được.

II.1.4

Buồng sạch cách ly (Glove box)

Chúng tôi thực hiện tạo màng bằng phương pháp phủ quay trong hệ glovebox kín
chứa khí nitơ khô để tránh sự oxy hóa của môi trường ngoài.
Phương pháp phủ quay được mô tả trong Hình II-6. Dung dịch sol được nhỏ giọt lên
đế và cho đế quay. Dưới tác dụng của lực ly tâm, dung dịch sẽ lan đều trên đế và tạo
thành màng mỏng [29].

Hình II-6: Phương pháp phủ quay (spin coating).

67


Hệ glovebox được chế tạo bằng thủy tinh hữu cơ (Hình II-7) bao gồm ba buồng
chính [6,112].
Buồng 1: Buồng nhận mẫu (thể tích: 20cm x 20 cm x 20 cm ) được điền đầy khí
nitrogene khô thông qua các van điều khí và được ngăn cách với môi trường ngoài
bằng cửa buồng 1 và buồng làm việc (buồng 2) bằng cửa buồng 2. Dung dịch
polymer, ống nhỏ giọt, đế và dụng cụ được đưa vào buồng nhận mẫu, sau đó đưa
vào buồng làm việc để tránh bụi và hơi nước bám vào bên trong hệ.

Buồng 2: Buồng làm việc (thể tích: 40 cm x 50 cm x 60 cm ) chứa hệ spin coating
có thể điều chỉnh được chiều quay và tốc độ quay nhờ bộ biến tần, vận tốc quay tối
đa là 3600 vòng phút và tối thiểu là 3 vòng phút. Độ dày màng được điều chỉnh
bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của đế hoặc tăng số lần phủ. Buồng được điền đầy
khí nitrogene khô thông qua các van điều khí và được ngăn cách với buồng nhận
mẫu bằng cửa buồng 2 và buồng ủ mẫu (buồng 3 ) bằng cửa buồng 3. Trên thành
buồng có gắn hai bao tay cao su có độ đàn hồi tốt giúp cho quá trình thao tác mẫu
dễ dàng.
Biến tần

Ống làm khô khí
Nitơ

Buồng đưa mẫu

Motor phủ quay
Buồng ủ
mẫu

Hình II-7: Buồng sạch (Glovebox)

68


Buồng ủ mẫu: làm bằng thép không gỉ cách ly với buồng chính bằng cửa buồng 3
và môi trường ngoài bằng cửa buồng 4. Bên trong có chứa lò đốt dùng để ủ mẫu và
nhiệt độ được điều khiễn và duy trì tự động trong khoảng 30 – 500 0C. Buồng có thể
làm việc được dưới hai chế độ ủ chân không hay ủ khí trơ (Nitrogene hay Argon)
thông qua hệ thống van điều chỉnh. Mẫu sau khi ủ được đưa ra ngoài bằng cửa
buồng 4.

II.1.5

Hệ ủ nhiệt trong chân không

Chúng tôi thực hiện ủ các mẫu (ZnO:Al, TiO2, PVK, MEH-PPV…) trong môi
trường chân không hoặc khí trơ để tránh quá trình ôxy hoá khi hình thành màng (đối
với các mẫu bán dẫn hữu cơ) hay tạo các nút khuyết ôxy cho màng ZnO:Al.

Các thông số cơ bản của hệ như sau:
¾ Bơm sơ cấp : Pgiới hạn: 5.10-4 torr,
Pđối: khí trời, vận tốc hút S = 4 l/s
¾ Bơm root: Pgiới hạn: 10-4 torr, Pđối: 10
torr, vận tốc hút S = 25 l/s
¾ Áp suất Pgiới hạn trong buồng chân
không được xác định thông qua áp
kế cặp nhiệt điện : 5, 10-3 torr,
¾ Nhiệt độ ủ: 50 => 800 OC
¾

Ủ 4 -> 8 mẫu đồng thời.

Hình II-8: Hệ nung - ủ mẫu trong chân không

Hệ bao gồm môt hệ tạo chân không (bơm cơ học + bơm root) có vận tốc hút lớn
bảo đảm cho buồng chân không duy trì áp suất thấp ở nhiệt độ cao. Buồng chân
không hình trụ (đường kính 6 cm dài 40 cm) có hệ thống giải nhiệt nước trên thành
buồng. Cửa buồng là phần trung gian giữa van chính và buồng được giải nhiệt bằng
nước và làm kín buồng bằng Teflon O-ring bảo đảm cho hệ có thể hoạt động trong

69


nhiều giờ. Trên cửa buồng có hai van tinh chỉnh khí trơ (được sử dụng khi ủ mẫu
trong khí trơ) [4,6 ].
Buồng chân không có thể ủ đồng thời 4-8 mẫu (kích thước mỗi mẫu là 2,5 cm x 7,5
cm) được đặt trong lò nung có thể điều chỉnh nhiệt độ từ 30 Æ 12000C . Hình II-8
minh họa hệ nung ủ mẫu trong môi trường chân không.

II.1.6

Hệ chế tạo OLED tích hợp

Như đã trình bày ở phần trên, chúng tôi nhận thấy giữa các bước kỹ thuật, mẫu lại
chịu tác động của không khí. Do vậy chúng tôi cố gắng giới hạn thời gian nằm
ngoài không khí của mẫu, chất lượng của màng và các giao diện nói chung giảm khi
để trong không khí. Nhưng do các phòng thí nghiệm của chúng tôi không đảm bảo
các yêu cầu về độ sạch, độ ẩm… cho nên ảnh hưởng của môi trường tác động rất
mạnh đến các giao diện của các lớp giữa các bước kỹ thuật, dẫn đến làm giảm đáng
kể thời gian sống của OLED chế tạo được. Do không thể kiểm soát được môi
trường phòng thí nghiệm, giải pháp kỹ thuật của chúng tôi là xây dựng 02 hệ liên
hợp dùng để tạo linh kiện bán dẫn bao gồm : hệ chân không liên hoàn và hệ chế tạo
OLED tích hợp.
Hệ chân không liên hoàn : bao gồm 03 buồng và 02 “vacuum gate” tích hợp với
hai buồng “glove Box” độc lập với môi trường thí nghiệm để chế tạo OLED dẻo,
trong suốt và OLED cơ bản [40,101] được minh họa trên Hình II-9.
Hệ gồm một buồng chân không tròn (buồng 1), thể tích 20 lít có cửa sổ quan sát,
cửa sổ rọi sáng và 15 cổ nối kích thước khác nhau. Bên trong buồng có 2 hệ
magnetron trụ bằng đồng đường kính 7 cm để tạo các lớp TCO và kim loại (Mg,
Ag) và hệ bốc bay kim loại bằng nguồn nhiệt với đường kính crucible Carbon là 0,5

cm. Buồng chân không tròn này được tạo chân không cao 2.10-5 torr nhờ hệ bơm
khuếch tán có bẫy lạnh và bơm sơ cấp, độc lập với buồng chân không hình trụ
(buồng 2) bằng một van “vacuum gate” thứ 1 [7,10]. Tương tự như vậy, buồng
chân không hình trụ (buồng 2) đường kính 15 cm, thể tích 10 lít, được tạo chân
không cao 2.10-5 torr nhờ hệ bơm khuếch tán có bẫy lạnh và bơm sơ cấp. Buồng này

70


có cửa sổ quan sát, cửa sổ rọi sáng và 7 cổ nối kích thước khác nhau. Bên trong
buồng có thanh trượt được điều khiển thông qua “feedthrough” để đưa mẫu qua
buồng tròn hay buồng xử lý mẫu, và 3 nguồn nhiệt điện trở với các thuyền đốt
Tantan để bốc bay độc lập các vật liệu hữu cơ. Buồng chân không hình trụ (buồng
2) tách độc lập với buồng chân không tròn (buồng 1) bằng van “vacuum gate” thứ 1
đã nói ở trên, và buồng xử lý (buồng 3) thông qua van “vacuum gate” thứ hai [2,14].
Buồng thứ 3 (buồng xử lý) hình trụ đường kính 15 cm, thể tích 02 lít, có cửa sổ
quan sát và 03 cổ nối kích thước khác nhau. Bên trong buồng xử lý có hệ gá mẫu và
xử lý phóng điện, được tạo chân không 2.10-3 torr nhờ hệ bơm root có bẫy lạnh và
bơm sơ cấp. Buồng xử lý được tách độc lập với buồng chân không hình trụ bằng
van “vacuum gate thứ hai, và buồng “glove box” 2 bằng cửa buồng chân không. Tất
cả hệ thiết bị trên đều bằng inox. Sau này chúng tôi sẽ gọi buồng chân không tròn
(buồng 1) là buồng tạo TCO, buồng chân không trụ (buồng 2) là buồng tạo OM
(organic molecule) [2,14].

Hình II-9: Hệ chân không liên hoàn bao gồm buồng tạo TCO, buồng tạo MO, buồng xử lý
và hai hệ “glove box” nối kết với nhau bằng 2 van “vacuum gate”, cửa buồng chân không
và các cửa buồng “glove box” nối kết với lò sấy mẫu.

Các buồng “glove box” 1 và 2 được thiết kế bằng các hộp kín, thuỷ tinh hữu cơ
trong suốt để dễ quan sát kích thước 80x40x60 cm. Buồng “glove box” 2 có môi

71


trường được làm đầy bằng khí nitrogen khô dùng để bảo quản các mẫu bán dẫn hữu
cơ được chế tạo bằng phương pháp phủ quay trong buồng “glove box” 1 và tạo môi
trường ít nhiễm bẩn khi đưa mẫu vào trong hệ chân không. Buồng “glove box” 2
nối với hệ chân không ngay tại cửa buồng xử lý và nối với buồng “glove box” 1
bằng cửa ngăn 2. Buồng “glove box” 1 chứa hệ tạo màng spin coating có vận tốc từ
500 – 9000 vòng/phút trong môi trường nitrogen khô và hệ sấy chân không hay
nitrogen có nhiệt độ điều chỉnh từ 30 đến 500 0C. Buồng “glove box” 1 này dùng để
tạo các màng bán dẫn hữu cơ cho các vật liệu hữu cơ không thể bốc bay được ví dụ
như PEDOT, MEH-PPV, PVK…[40,66] (các vật liệu này thường là các polymer kết
hợp dễ bị phân hủy mạnh khi bốc bay). Cửa ngăn 1 của buồng “glove box” 1 ngăn
cách toàn hệ với môi trường ngoài.
Với hệ thống này chúng tôi có thể chế tạo được linh kiện đa lớp bao gồm anốt-màng
dẫn điện trong suốt, các lớp polymer “kết hợp” (phải sử dụng phương pháp phủ từ
dung dịch) và polymer “phân tử nhỏ”(phải sử dụng phương pháp bay hơi trong chân
không) và catốt kim loại (hay dẫn điện trong suốt) trong một chu trình khép kín đế
tránh sự nhiễm bẩn từ môi trường ngoài.
Hệ chế tạo OLED tích hợp: Bên cạnh tính đa năng của hệ chân không liên hoàn,
thì nhược điểm của chúng là quy trình chế tạo mẫu qua nhiều công đoạn và phải
hoạt động nhiều thiết bị đồng thời. Để tiến hành tạo nhanh các linh kiện đơn giản
chỉ dựa trên polymer “kết hợp”, chúng tôi đã xây dựng hệ chế tạo OLED tích hợp
được minh họa trên Hình II-10. Hệ này được xây dựng dựa trên cơ sở hệ bốc bay
điện cực kim lọai [9,14] (mục II.1.3) và Glovebox [6,29,66] (mục II.1.4).
Từ hai thiết bị nói trên, chúng tôi đã xây dựng thêm một glovebox khác trên mặt hệ
bốc bay điện cực. Glovebox này có cửa thông với buồng chân không và cũng có
buồng đưa mẫu. Mẫu sẽ được đưa vào từ buồng đưa mẫu của glovebox bên trái. Sau
khi phủ quay trong glovebox này, mẫu sẽ được sấy và ủ chân không trong buồng ủ

và cuối cùng, mẫu được đưa qua glovebox bên phải để bốc bay điện cực. Môi
trường trong hệ là nitơ khô.

72


Hình II-10: Hệ chế tạo OLED tích hợp dựa trên Glovebox và hệ bốc bay điện cực.

Các OLED cơ bản và OLED phát xạ thông qua bề mặt được chế tạo trong hai hệ
này theo các thiết kế và các bước kỹ thuật như đã trình bày trên cho kết quả tốt hơn
hẳn.

II.2. Phương pháp đặc trưng tính chất vật liệu và linh
kiện
Các phương pháp dùng để xác định các đặc trưng tính chất vật liệu được dung trong
luận văn này bao gồm: Hệ UV-Vis 550, hệ FTIR-Raman (Brucker), hệ ellipsometer
(Jobin Yvon), hệ nhiễu xạ tia X (Viện dầu khí), hệ SEM (Đại học Quốc gia),
Profilometer (Tecor), hệ đo bốn mũi dò…đều là những hệ đo thông dụng và được
sử dụng phổ biến và hiệu quả trong nghiên cứu màng mỏng. Do đặc thù riêng của
đề tài, chúng tôi đã xây dựng thêm hai hệ đo quang phát quang và hệ đo điện phát
quang & đặc tuyến I-V dung để xác định các tính chất đặc thù của linh kiện điện
huỳnh quang hữu cơ (OLED)

73


II.2.1

Hệ đo đặc trưng quang - điện phát quang và đặc

trưng I-V
II.2.1.1

Hệ đo quang phát quang

Hệ đo quang phát quang bao gồm: buồng kín chân không chống phản xạ ánh sáng,
nguồn kích, máy đơn sắc, ống nhân quang, thiết bị khuếch đại và thu tín hiệu điện
(bộ lock-in và chopper điện tử), máy tính (Hình II-11).
Buồng inox kín chân không được sơn đen để tránh phản xạ ánh sáng, bên trong có
chứa nguồn kích (đèn deuteri và bộ lọc tím) và giá đỡ mẫu và các điện cực cho phép
cấp thế kích từ bên ngoài vào mẫu. Bơm chân không hiệu ShimaDZU, có tốc độ hút
36 lít/phút, áp suất giới hạn 5x10-4 torr được sử dụng để tạo chân không cho buồng.
Đồng hồ chân không có thang đo từ 0 – 10-1 torr được sử dụng đo áp suất của buồng
[115,116].

Hình II-11: Hệ đo phổ quang phát quang

Máy đơn sắc Adwder DDR-ZWG được sử dụng để phân tách ánh sáng phát ra từ
màng hữu cơ được kích thích phát quang đặt trên giá đỡ mẫu trong buồng. Cách tử
được dùng trong máy đơn sắc có độ tách vạch 20 nm. Một motor bước được lập
trình điều khiển bằng máy tính dùng để quay cách tử với mỗi bước quay 2 nm.

74


Ống nhân quang được gắn vào ngõ ra của máy đơn sắc để thu và chuyển tín hiệu
quang thành tín hiệu điện.
Một photon khi tới đập vào điện cực phụ đầu tiên của ống nhân quang điện làm bức
electron từ điện cực này. Những electron này tiếp tục được gia tốc bởi điện trường
giữa các dynode sẽ bay đến đập vào các điện cực phụ kế tiếp làm bức ra càng nhiều

electron. Quá trình cứ thế tiếp tục và số lượng electron sẽ được nhân dần lên và cuối
cùng tạo nên dòng điện được thu ở mạch ngoài. Số photon tới (cường độ ánh sáng)
tỷ lệ với số lượng electron thứ cấp được tạo thành, nên nó cũng tỷ lệ với cường độ
dòng điện thu ở mạch ngoài
Tín hiệu điện thu được từ ống nhân quang sẽ được băm ra bởi chopper điện tử và
được khuếch đại lên 70 – 80 dB bởi bộ khuếch đại lock-in. Card DAQ 2018-A sẽ
chuyển tín hiệu analog sang tín hiệu số để máy tính có thể đọc được. Chương trình
viết bằng phần mềm Labview dùng để điều khiển hệ đo, xử lý tín hiệu và vẽ phổ đo
được [115,116].
Bên cạnh đó, có một số mẫu đo quang phát quang bằng hệ phân tích đa kênh quang
(OMA) sử dụng laser nitơ, bước sóng 337,1 nm và hệ FL 3 – 22 sử dụng đèn xenon
của Trung tâm KHVL, Khoa Vật lý, Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG Hà Nội để
so sánh với các kết quả đo được từ hệ chúng tôi xây dựng
II.2.1.2

Hệ đo I-V và điện phát quang (L-V)

Cấu tạo hệ đo đồng thời đặc tuyến I-V và đặc trưng điện phát quang (L-V) trong
chân không được trình bày trong Hình II-12.
Hệ đo bao gồm một ống nhân quang làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu phát quang,
một nguồn cao thế Canberra, một milivolt kế kết nối máy tính, máy Potentiostat
PS01, buồng đo, bơm chân không và máy tính điều khiển. Potentiostat PS01 được
điều khiển bằng máy tính có thể cấp thế DC qua mẫu trong khoảng từ -10V đến
10V với những tốc độ tăng thế khác nhau (0.1V/s Æ 1V/s) và có thể đo được dòng
qua mẫu với độ nhạy 0,1μA. Nguồn cao thế có khả năng cấp điện thế từ 0V Æ

75


3000V làm nhiệm vụ cấp thế cho ống nhân quang. Tín hiệu thu được từ ống nhân

quang sẽ được ghi nhận vào máy tính thông qua milivolt kế Protek 506 kết nối máy
tính. Dữ liệu đo I-V và điện phát quang được ghi nhận theo thời gian thực và lưu trữ
trên máy tính [115, 116].
Ống nhân
quang

Nguồn cao thế

Potentiostat
PS01

Máy tính điều khiển

mV kế

Buồng đo
chân không

Hình II-12: Hệ đo I-V và điện phát quang.

Trong thời gian đo, chân không của buồng đo được duy trì bằng bơm chân không
tương tự như trong II.2.1.1.
Bên cạnh đó, đặc trưng I-V của môt số mẫu được khảo sát trên hệ Autolab.
Potentiostat PGS-30 (Hà lan) của Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và công
nghệ Việt Nam để so sánh một số kết quả đo I-V từ hệ chúng tôi xây dựng

II.2.2

Các hệ đo đặc trưng tính chất vật liệu

Các hệ đo cơ bản đặc trưng tính chất của các vật liệu được sử dụng trong luận văn
này đều là những hệ chuẩn và mới của các cơ quan nghiên cứu đầu ngành ở Việt
nam. Ở đây chúng tôi chỉ liệt kê tên các hệ đã sử dụng, xuất xứ và phòng thí nghiệm
liên quan tiến hành đo đạc các thông số đặc trưng của vật liệu.

76


II.2.2.1

Hệ Ellipsometer

Hệ Ellipsometer - hãng Jobin – Yvon (Pháp) của Phòng Thí Nghiệm Vật liệu kỹ
thuật cao – Đại học Khoa học tự nhiên TpHCM. Hệ hoạt động dựa trên sự biến đổi
pha của ánh sáng phản xạ trên mẫu so với ánh sáng tới theo các góc và bước sóng
khác nhau, do đó có thể xác định các thông số quang học như n, k, d của các màng
mỏng với độ chính xác cao
II.2.2.2

Hệ FT-IR Raman

Hệ FT-IR – hãng Brucker (Đức) của Phòng Thí Nghiệm Vật liệu kỹ thuật cao – Đại
học Khoa học tự nhiên TpHCM và phổ kế micro-Raman Dilor Jobin-Yvon Spex
LAMBRAM-1B của Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam. Hệ được sử dụng để
xác định độ truyền qua, phản xạ, độ hấp thụ trong vùng hồng ngoại gần, trung bình
và xa (NIR, MIR, FIR), xác định bán định lượng cấu trúc và các thành phần hóa học
của các vật liệu hữu cơ, polymer…
II.2.2.3

Hệ UV-Vis

Hệ UV-Vis – hãng Jasco (Nhật) của Phòng Thí Nghiệm Vật liệu kỹ thuật cao – Đại
học Khoa học tự nhiên TpHCM. Hệ được sử dụng để xác định độ truyền qua, độ
hấp thụ trong vùng cận tử ngoại, khả kiến và cận hồng ngoại (bước sóng từ 190 nm
đến 1100 nm).
II.2.2.4

Hệ đo đặc trưng điện 4 mũi dò

Hệ đo đặc trưng điện 4 mũi dò dò – QuadProS-302-8, Lucas Labs.của Phòng Thí
Nghiệm Vật liệu kỹ thuật cao – Đại học Khoa học tự nhiên TpHCM. Hệ được sử
dụng để xác định điện trở vuông của màng mỏng.
II.2.2.5

Hệ đo độ dày Profilometer

Hệ đo độ dày Profilometer của Bộ môn Khoa học Vật liệu – Đại học Khoa học tự
nhiên TpHCM. Hệ được sử dụng để xác định độ dày màng với sai số từ 5 – 20%
phụ thuộc vào vật liệu màng cần đo và loại mũi dò sử dụng.

77


II.2.2.6

Hệ nhiễu xạ tia X

Hệ đo nhiễu xạ tia X – hãng Siemens Kristalloflex Diffraktometer của Viện dầu khí
và hệ nhiễu xạ kế D-5005 của Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và công
nghệ Việt Nam. Hệ được sử dụng để xác định cấu trúc và thành phần vật liệu.

II.2.2.7

Kính hiển vi điện tử SEM

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) “TRIAX” và FE-SEM (độ phóng đại 300.000 x),
Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam dùng để phân tích
và xác định hình thái học của bề mặt màng và kính hiển vi điện tử quét (SEM) –
hãng Jeol JMS-6480LVcủa Phòng thí nghiệm na-nô – Đại học Quốc gia TpHCM,
hệ được sử dụng để chụp ảnh các bề mặt vật liệu với độ phóng đại lớn (100.000 x).

II.3. Kết luận chương II
Do đặc thù riêng của đề tài là chế tạo linh kiện điện huỳnh quang hữu cơ đa lớp, mà
mỗi lớp trong hệ đều khác chủng loại vật liệu, có các tính năng riêng biệt và cách
chế tạo chúng cũng rất khác nhau, cho nên nhiệm vụ quan trọng của đề tài nghiên
cứu sinh là nghiên cứu cách chế tạo các vật liệu này. Để thực hiện điều đó, chúng
tôi đã tự xây dựng các hệ thiết bị công nghệ tạo mẫu như đã trình bày trong phần
II.1. Các hệ thiết bị thực nghiệm đã hoạt động rất có hiệu quả, thỏa mãn các yêu cầu
cần thiết cho việc nghiên cứu và chế tạo các đơn lớp màng mỏng cả vô cơ và hữu
cơ, như AZO, ITO, PVK, MEH-PPV, Alq3, Al, Ag ... và hệ màng đa lớp, các linh
kiện điện huỳnh quang hữu cơ, OLED.
Việc nghiên cứu các thông số quang học, tính chất điện, cấu trúc tinh thể, hình thái
bề mặt… của các màng mỏng đã được tiến hành trên các trang thiết bị hiện đại, có
độ phân giải cao và độ tin cậy như hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X
(XRD), Ellipsometer, Tán xạ micro-Raman, FT-IR… ở các phòng thí nghiệm của
các cơ quan nghiên cứu đầu ngành ở Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh. Bên cạnh
đó, các tính chất quang – điện huỳnh quang và đặc tuyến I-V của các linh kiện đa

78

lớp điện huỳnh quang hữu cơ và OLED đã được nghiên cứu trên các hệ tự xây dựng
nhằm khắc phục khó khăn trong phép đo tức thì (in situ). Hệ đo quang huỳnh
quang, điện huỳnh quang và đặc tuyến IV đã hoạt động có hiệu quả, góp phần
không nhỏ vào thành công của luận án.
Các kết quả thực nghiệm về các thiết bị chế tạo màng và đo đạc các tính chất đặc
trưng được xây dựng trong quá trình thực hiện đề tài đã được công bố trên các tạp
chí và các hội nghị khoa học chuyên ngành.

79