NGHIÊN cứu CHẾ tạo sợi NANO SILIC HƯỚNG tới ỨNG DỤNG TRONG PIN mặt TRỜI (tóm tắt)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐH KHTN

VIỆN CÔNG NGHỆ NANO

BÙI THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SỢI NANO SILIC HƯỚNG
TỚI ỨNG DỤNG TRONG PIN MẶT TRỜI

Chuyên ngành: Khoa học Vật liệu
Mã số chuyên ngành: 62 44 01 22

TOÙM TAÉT LUAÄN AÙN TIEÁN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

1


Công trình được hoàn thành tại: Viện Công nghệ Nano (INT),
Đại học Quốc gia TP.HCM (VNU-HCM)
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS. Đặng Mậu Chiến
2. GS. TS. Bernard Drevillon

Phản biện 1: GS. TSKH. Lưu Cẩm Lộc
Phản biện 2: GS. TS. Nguyễn Cửu Khoa
Phản biện 3: PGS. TS. Phan Bách Thắng
Phản biện độc lập 1: PGS. TS. Phạm Đức Thắng
Phản biện độc lập 2: PGS. TS. Phạm Thu Nga

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà

nước họp tại
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
Vào hồi
giờ
ngày
tháng
năm

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tổng hợp Quốc gia TP.HCM
2. Thư viện Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên - HCM
3. Thư viện Viện Công nghệ Nano – ĐHQG TP. HCM

2


TÓM TẮT
Hiện nay, phương pháp phổ biến đang được sử dụng để nâng
cao hiệu suất pin mặt trời (PMT) là ứng dụng các cấu trúc nano như
ống nano, thanh nano, nanocones, nanopillars, nanodomes, dây nano
(NWs), chấm lượng tử, các hạt nano, vv... Trong số đó, phương pháp
được xem là có triển vọng nhất chính là ứng dụng sợi nano silic vào
cấu trúc PMT đối xứng tâm (radial junction solar cells). Các sợi nano
silic được chế tạo từ rất nhiều phương pháp, tuy nhiên phương pháp
khắc sâu ion phản ứng (Deep Reactive Ion Etching - DRIE) được sử
dụng phổ biến vì những ưu điểm mà nó mang lại như tốc độ khắc
nhanh, chất lượng sợi tạo thành tốt, không làm ô nhiễm bề mặt
khắc…Hạt nano vàng được sử dụng để che phủ bề mặt mẫu, có tác
dụng như các mặt nạ siêu nhỏ, đồng thời tận dụng được hiệu ứng

“plasmon” bề mặt để nâng cao khả năng hấp thụ photon của silic. Để
hướng tới cấu trúc PMT màng mỏng đối xứng tâm thì lớp phủ màng
mỏng silic để tạo tiếp xúc p-n cũng được nghiên cứu. Màng mỏng silic
tinh thể nano thay thế cho silic vô định hình giúp tăng khả năng truyền
dẫn đồng thời không làm giảm khả năng hình thành hạt tải của lớp tiếp
xúc p-n này.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Kiến thức chung về pin năng lượng mặt trời
Với những tiến bộ gần đây trong công nghệ nano, xu hướng
phổ biến đang là ứng dụng các cấu trúc nano như ống nano, thanh
nano, nanocones, nanopillars, nanodomes, dây nano (NWs), chấm
lượng tử, các hạt nano, v.v…, để nâng cao hiệu quả PMT. Trong số
đó, phương pháp được xem là có triển vọng nhất chính là ứng dụng
sợi nano silic vào cấu trúc PMT đối xứng tâm (radial junction thin
film solar cells) (Hình 1-4).

Hình 1- 4 PMT truyền thống (a) và PMT màng mỏng sợi nano
silic đối xứng tâm (b)
1


PMT sợi nano silic đối xứng tâm gồm 1 lõi bằng sợi nano silic
loại p sau đó được bao bọc bên ngoài bằng các lớp màng mỏng silic
hấp thụ, silic pha tạp loại n và màng dẫn điện trong suốt ITO. Lớp
ITO này vừa đóng vai trò là lớp chống phản xạ tăng cường, vừa đóng
vai trò là điện cực mặt trước. Cấu trúc này sẽ làm giảm đáng kể mức
hao phí vật liệu, cải thiện khả năng bẫy photon và khả năng sản sinh
hạt tải điện, đồng thời khoảng cách từ tiếp xúc p-n tới các điện cực là
rất nhỏ, nhỏ hơn rất nhiều so với quãng đường khuếch tán trung bình
của điện tử, hệ quả là khả năng hạt tải tới điện cực mặt trước và đi ra

mạch ngoài tạo thành dòng điện là rất lớn. Đây cũng là hiệu ứng giúp
khắc phục tốt hiện tượng suy giảm hiệu suất khi phơi sáng trong thời
gian dài của PMT màng mỏng a-Si:H. Sợi nano silic cũng được kết
hợp trong PMT nhạy sáng hoặc PMT lai hóa vô cơ - hữu cơ
1.2 Hạt nano kim loại – hạt nano vàng sử dụng làm mặt nạ cho
quá trình khắc
Có khá nhiều vật liệu kim loại có thể sử dụng để tạo ra các hạt
nano ứng dụng làm mặt nạ cho quá trình khắc tạo sợi ví dụ như nhôm
(Al), đồng (Cu), bạc (Ag) hay vàng (Au). Tất cả các kim loại này đều
có độ chọn lọc khắc cao so với silic. Tuy nhiên, khi nung màng kim
loại để tạo các hạt nano ở nhiệt độ cao, nếu sử dụng đế là silic tinh thể
pha tạp loại p (B2H6) thì thường không sử dụng Ag hoặc Al. Điều này
được giải thích là do rào thế Schottky của Ag và Al so với silic pha
tạp p khá cao (lần lượt là 0,91 và 0,92 eV). Tại mặt phân cách kim loại
- bán dẫn ở nhiệt độ cao dễ xảy ra hiện tượng khuếch tán các kim loại
này vào silic để tạo “tiếp xúc thuần trở - ohmic contact”, ngăn cản quá
trình tái kết tinh tạo hạt nano. Trong khi đó, giá trị này của Cu và Au
lần lượt là 0,52 và 0,07 eV nghĩa là rào thế Schottky của Au so với Si
pha tạp p là rất nhỏ nên trong quá trình nung sẽ không xảy ra hiện
tượng khuếch tán vàng vào silic. Đồng thời, Cu cũng là kim loại khá
“hoạt động”, đứng trước hydro trong dãy hoạt động của kim loại, có
thể bị oxy hóa ngay cả ở kích thước khối thông thường. Khi ở dạng
hạt nano và tiếp xúc với các ion có tính oxy hóa mạnh như F- (có trong
khối plasma), Cu rất dễ phản ứng để tạo ra hợp chất với Fluor. Điều
này sẽ ảnh hưởng đến độ bền và độ chọn lọc khắc của mặt nạ hạt nano
kim loại. Tổng hợp từ tất cả các lý do trên, Au là kim loại phù hợp
nhất để sử dụng trong nghiên cứu nhằm tạo ra các mặt nạ hạt nano
trong quá trình khắc sâu ion phản ứng.
2

Phương pháp gia nhiệt-làm lạnh nhanh được sử dụng trong
nghiên cứu này là phương pháp hoàn toàn bằng vật lý. Lợi dụng quá
trình chuyển pha lỏng – rắn của vàng và bề mặt kị nước của silic để
tạo ra các hạt nano vàng ngay trên bề mặt silic. Đây là phương pháp
thích hợp nhất để tạo các mặt nạ nano cho quy trình khắc DRIE. Độ
đồng đều kích thước của các hạt nano tổng hợp bằng phương pháp này
có kém hơn phương pháp bức xạ tia γ, kích thước cũng không nhỏ
được như phương pháp tổng hợp hóa học nhưng về độ đồng đều hình
dạng, độ tinh khiết và ổn định theo thời gian thì vượt trội hẳn. Trong
toàn bộ quy trình chế tạo, vàng chỉ tiếp xúc với bề mặt silic và các khí
trơ nên độ tinh khiết của các hạt nano vàng là rất cao. Ở điều kiện
nhiệt độ phòng, mẫu có các hạt nano vàng trên bề mặt sẽ bảo quản
được gần như là vĩnh viễn vì vàng trơ về mặt hóa học, ở kích thước
nano nên khó biến dạng cơ học. Đầu tiên, vàng được phủ thành một
lớp mỏng (có chiều dày khoảng vài cho tới vài chục nanomet) trên bề
mặt của đế silic đã được xử lý bề mặt loại bỏ hoàn toàn bụi bẩn. Quy
trình sử dụng là bốc bay chùm điện tử. Sau đó, màng vàng này sẽ
được gia nhiệt lên nhiệt độ vượt qua nhiệt độ nóng chảy (trên 1065ºC)
trong một thời gian ngắn (khoảng vài chục giây) sau đó làm lạnh đột
ngột. Tận dụng quá trình chuyển pha, tái kết tinh của vật liệu vàng và
khả năng kị nước của bề mặt silic tinh khiết, ta có thể tổng hợp được
các hạt vàng có kích thước nano.
1.3 Quy trình chế tạo sợi nano silic
Trong Luận án này, phương pháp khắc sâu ion phản ứng
(DRIE) được lựa chọn. Đây là một quá trình khắc bất đẳng hướng để
tạo ra các cấu trúc dạng hố hoặc rãnh có độ sâu lớn với góc khắc thẳng
đứng (gần 90º) trên bề mặt đế. Phương pháp này thường được sử dụng
để phát triển kỹ thuật chế tạo các hệ vi cơ điện tử (MEMS) đòi hỏi các
cấu trúc có yêu cầu như trên. Đồng thời nó cũng được sử dụng để khắc

các rãnh của tụ điện mật độ cao trong cấu trúc DRAM. Gần đây, kỹ
thuật khắc sâu ion phản ứng còn được sử dụng để khắc xuyên qua đế
silic trong công nghệ tiên tiến 3 chiều đóng gói linh kiện.
Các lí do khác để phương pháp DRIE được lựa chọn là: đối
với các phương pháp bottom-up, cấu trúc mạng của Si NWs tạo thành
khá khó kiểm soát, có thể ở dạng vô định hình, đơn hoặc đa tinh thể
nên ứng dụng vào cấu trúc PMT màng mỏng sợi nano silic (Si NWs)
sẽ có khó khăn. Trong khi với phương pháp DRIE, cấu trúc Si NWs
3


tạo thành sẽ thừa hưởng được các tính chất của đế silic tinh thể như
nồng độ pha tạp, định hướng tinh thể… và nó có thể được thiết kế
thành các mảng riêng biệt với kích thước và chiều dài mong muốn.
Điều này giúp chúng có khả năng cực kì lớn trong nghiên cứu các tính
chất quang-điện cũng như các biểu hiện vật lý của PMT. Ngoài ra, các
Si NWs tạo bởi phương pháp bottom-up do không có mạng tinh thể
vững chắc nên sẽ rất dễ bị hư hại hoặc bị cong khi đưa vào cấu trúc
PMT. Các hư hại này sẽ dẫn tới các tâm tái hợp hoặc các điểm nối tắt,
sẽ khiến hiệu suất của PMT bị giảm sút. Kỹ thuật chế tạo khắc sâu ion
phản ứng DRIE với 2 pha khắc-bảo vệ sẽ cho Si NWs ít bị ảnh hưởng
bởi hiện tượng ăn mòn đẳng hướng như kỹ thuật RIE. Đây là kỹ thuật
có sự hỗ trợ của plasma, do đó diễn ra ở nhiệt độ thấp, ít tiêu tốn năng
lượng và có thể ứng dụng cho các loại đế rẻ tiền hơn. Các sản phẩm
của phản ứng khắc ở dạng khí và sau phản ứng sẽ bị hút ra ngoài bởi
bơm chân không, do đó Si NWs khắc bởi kỹ thuật này sẽ ở trên bề mặt
đế sạch hơn, không bị ô nhiễm bởi các ion kim loại cũng như ion gốc
axit như khi sử dụng kỹ thuật khắc ướt ở nhiệt độ phòng. Tốc độ khắc
của DRIE cũng nhanh hơn RIE và khắc ướt. Mặt nạ là các hạt nano
vàng được chế tạo hoàn toàn bằng phương pháp vật lý, không gây bẩn

cho bề mặt đế so với các phương pháp hóa học hoặc bằng cách sử
dụng ion kim loại trong dung dịch muối…Hơn nữa, hạt vàng còn có
hiện tượng plasmon cần nghiên cứu giúp tăng hiệu suất hấp thụ
photon cho lớp tiếp xúc dạng màng mỏng.
1.4 Vật liệu màng mỏng silic tinh thể, silic vô định hình, silic tinh
thể micro và nano
Việc tìm ra cấu trúc vật liệu màng mỏng nano silic là rất ý
nghĩa, nó có thể kết hợp các ưu điểm của cả vật liệu silic vô định hình
và silic tinh thể, rât thích hợp ứng dụng trong cấu trúc PMT màng
mỏng. Do kích thước của các hạt nano tinh thể là khá nhỏ nên trong
lớp màng mỏng vẫn còn tồn tại một tỉ lệ khá lớn pha silic vô định
hình, điều này đảm bảo cho khả năng hấp thụ photon của vật liệu.
Đồng thời, nhờ sự hình thành của các cấu trúc nano tinh thể này, các
khuyết tật và các liên kết bất bão hòa trong cấu trúc vật liệu bị giảm
xuống đáng kể, nâng cao khả năng dẫn truyền điện tử của vật liệu.
Trước đây, silic thường được lắng đọng ở dạng vô định hình, sau đó
kích thích quá trình kết tinh bằng phương pháp ủ nhiệt. Phương pháp
này đòi hỏi thời gian thí nghiệm dài, mức cung cấp năng lượng lớn và
4


rất khó kiểm soát quá trình kết tinh khi có hiện tượng epitaxy do nhiệt.
Các hạt silic tinh thể sẽ có xu hướng tự phát triển đạt tới kích thước to
hơn. Tuy nhiên, do công nghệ chế tạo hiện đại hiện nay với phương
pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD), năng lượng
tiêu hao không cần nhiều như trước. Ta cũng có thể kiểm soát mức
năng lượng cung cấp cho quá trình bằng cách kiểm soát giá trị công
suất nguồn tạo ra plasma. Do đó, vật liệu hạt nano silic có thể dễ dàng
tạo thành và cần được quan tâm nghiên cứu phát triển. Mặt khác, quy
trình PECVD cũng cung cấp khả năng lắng đọng màng vật liệu ở nhiệt

độ thấp, có khả năng ứng dụng cho các vật liệu đế giá rẻ.
CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM
Như đã trình bày ở phần tổng quan, cấu trúc PMT sợi Si NWs
đối xứng tâm (Hình 2-15) bao gồm 1 lõi bằng sợi Si NWs pha tạp loại
p, sau đó lõi này sẽ được bao bọc bởi các lớp màng mỏng silic hấp
(ITO). Lớp ITO này đóng vai trò là lớp chống phản xạ tăng cường
đồng thời là điện cực mặt trước của pin. Khi photon ánh sáng bị hấp
thụ tại tiếp xúc p-n sinh ra điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ di
chuyển về phía lớp ITO để đi ra mạch ngoài tạo thành dòng điện.

Hình 2-15 Cấu trúc PMT sợi nano silic hướng đến
Các công việc chính cần nghiên cứu trong Luận án này để có thể ứng
dụng sợi nano silic vào PMT bao gồm


Chế tạo hạt nano vàng sử dụng làm mặt nạ cho quá trình khắc
sâu ion phản ứng tạo sợi nano silic bằng phương pháp gia nhiệtlàm lạnh nhanh RTA. Hạt nano vàng chế tạo được sẽ được khảo
sát hình dạng bằng phép đo FE-SEM và hiệu ứng plasmon bằng
phép đo UV-VIS.
5






Chế tạo sợi nano silic pha tạp p bằng phương pháp khắc sâu ion
phản ứng DRIE đạt yêu cầu ứng dụng trong cấu trúc PMT sợi
nano silic hướng tâm. Sợi nano silic chế tạo được sẽ được khảo
sát hình dạng bằng phép đo FE-SEM và độ phản xạ bề mặt mẫu

bằng phép đo UV-VIS.
Chế tạo lớp màng mỏng silic tăng cường hấp thụ, lớp màng
mỏng silic pha tạp loại n để tạo tiếp xúc p-n bằng phương pháp
lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD). Màng
mỏng chế tạo được sẽ được khảo sát bằng phương pháp phân
tích phổ Raman và phân tích phổ ánh sáng phân cực
ellipsometry.

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1 Kết quả chế tạo hạt nano vàng
3.1.1 Quy trình gia nhiệt-làm lạnh nhanh RTA tạo hạt nano vàng
Trong thí nghiệm này, đế silic được phủ một lớp vàng dày 250
nm bằng phương pháp bốc bay chùm điện tử. Các mẫu được nung lên
các nhiệt độ khác nhau trong khoảng từ 600-1100ºC trong vòng 40
giây, ủ nhiệt trong 30 giây sau đó làm lạnh nhanh về nhiệt độ phòng.
Khí trơ sử dụng trong quá trình nung này là N2. Sau quá trình nung,
các mẫu được quan sát bằng hình FE-SEM chụp ảnh bề mặt dưới góc
nghiêng 45º.

Hình 3- 2 Bề mặt của màng mỏng vàng sau khi được nung lên
đến 800ºC
Khi màng vàng được nung tới nhiệt độ 800ºC, vàng trên bề
mặt có xu hướng co cụm lại thành cấu trúc đảo như ở Hình 3-2. Sau
quá trình xử lý bề mặt với plasma hydro, các liên kết bất bão hòa trên
bề mặt silic bị thụ động hóa và ngăn cản quá trình tạo thành lớp silic
6


dioxide trên bề mặt đế trong một thời gian dài. Tuy nhiên ở nhiệt độ
cao, liên kết Si-H sẽ nhanh chóng bị phân hủy nhiệt:

2Si-H  2Si + H2
(41)
Trong buồng nung của thiết bị RTA luôn luôn có một tỉ lệ khí
oxy nhất định. Với nhiệt độ rất cao, một lớp cực mỏng silic dioxide có
thể được tạo thành. Bề mặt silic lúc này trở thành háo nước, ngăn cản
quá trình tiếp tục co lại của vàng.
Si + O2  SiO2
(42)
Tuy nhiên ở nhiệt độ trên 1000ºC, ngay sau khi hình thành lớp
SiO2, phản ứng phân hủy sẽ diễn ra tiếp nối:
2SiO2  2SiO + O2
(43)
SiO bị bay hơi một cách dễ dàng khỏi bề mặt đế silic. Hình 34 thể hiện bề mặt mẫu sau khi được nung lên 1100ºC. Khi nhiệt độ lên
đến 1100ºC, tức là vượt qua nhiệt độ nóng chảy của vàng, màng vàng
sẽ bị chuyển hoàn toàn từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng. Khi được
làm lạnh đột ngột, 2 quá trình chuyển pha và tái kết tinh sẽ cùng nhau
diễn ra, kết hợp với điều kiện kị nước của bề mặt đế silic, vàng từ thể
lỏng sẽ có xu hướng co cụm lại thành dạng hình cầu, có diện tích bề
mặt và nội năng nhỏ nhất để đạt được hình dạng bền nhất.

Hình 3- 4 Bề mặt của màng mỏng vàng sau khi được nung lên
đến 1100ºC
Quy trình nung RTA trong công trình này được đề xuất như ở
Hình 3-5 với nhiệt độ nung 1100ºC để tiết kiệm năng lượng và đảm
bảo cho đế silic không bị tác động nhiệt quá lớn.

7


Hình 3- 5 Quy trình nung RTA được đề xuất

3.1.2 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đế tới sự hình thành của
hạt nano vàng
Các hạt nano vàng chỉ có thể hình thành trên đế đã được xử lý
làm sạch loại bỏ hoàn toàn các tạp chất và bụi bẩn. Quy trình làm sạch
vật lý bằng plasma là một quy trình đơn giản, hiệu quả, ít làm ảnh
hưởng đến mẫu và thời gian xử lý diễn ra nhanh. Trong nghiên cứu
này, plasma hydro hoặc argon với công suất cao được sử dụng để làm
sạch bề mặt bằng quy trình sand-blasting. Ion plasma ở mức động
năng cao sẽ va chạm với các chất gây ô nhiễm và phá vỡ liên kết giữa
chúng và bề mặt silic. Đồng thời hydro nguyên tử sẽ thụ động hóa các
liên kết bất bão hòa. Plasma hydro được xem như một quy trình hiệu
quả hơn khá nhiều để cải thiện khả năng này, đồng thời cũng ngăn cản
phản ứng silicide hóa giữa Au và Si. Bề mặt mẫu có thể được bảo vệ
chống lại sự tái nhiễm bẩn hữu cơ từ không khí trong một khoảng thời
gian dài đến vài ngày. Quy trình làm sạch đế chi tiết thể hiện trong
Hình 2-2 được ký hiệu là quy trình [A].

Hình 2- 2 Quy trình [A] làm sạch đế silic
8


3.1.3 Kiểm soát kích thước của hạt nano vàng
Màng mỏng vàng sẽ được phủ với rất nhiều độ dày khác nhau
từ 20 cho tới 250 nm. Sau khi được gia nhiệt nhanh RTA, kích thước
của các hạt nano vàng được tính bằng cách lấy giá trị đường kính
trung bình D0tb của các hạt vàng trong ảnh FE-SEM. Sau đó, giá trị
đường kính trung bình D1tb của các hạt vàng có kích thước nhỏ hơn
D0tb và giá trị đường kính trung bình D2tb của các hạt có kích thước lớn
hơn D0tb. Sai số tương đối của phép đo đường kính được xác định
bằng độ chênh lệch giữa D1tb và D2tb với D0tb. Trong đó e1 = (D0tb-D1tb)

là sai số cận dưới và e2 = (D2tb-D0tb) là sai số cận trên của phép đo.

Hình 3- 9 Quan hệ giữa kích thước hạt nano vàng và chiều dày
màng vàng
Kích thước của hạt Au NPs phụ thuộc vào lớp màng mỏng Au
ban đầu và tăng theo độ dày (Hình 3-9). Tuy nhiên khi độ dày lớp
màng ban đầu càng tăng thì độ đồng đều về kích thước của các hạt
nano tạo thành lại càng giảm.
3.1.4 Kiểm soát hình dạng của hạt nano vàng
Trong một thí nghiệm khác, quy trình RTA với 2 loại môi
trường khí khác nhau là nitơ và argon được nghiên cứu. Kết quả cho
thấy, với môi trường nitơ, hạt nano vàng tạo thành có hình cầu trong
khi với môi trường khí argon thì hạt tạo thành sẽ có dạng bán cầu
(Hình 3- ). Hạt nano vàng có dạng bán cầu sẽ thể hiện hiệu ứng
plasmon tốt hơn hạt nano vàng dạng hình cầu. Điều này sẽ được
chứng minh trong thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của hình dạng hạt
nano vàng tới hiệu ứng plasmon nằm ở phần sau của Luận án.
9


Hình 3- 11 Hạt vàng được tạo thành trong môi trường khí trơ khác
nhau a) nitơ và b) argon
Sự ảnh hưởng của môi trường khí nung đến hình dạng của hạt
nano có thể được giải thích như sau: các liên kết Si-H ở nhiệt độ cao
sẽ bị phân hủy, lớp SiO2 được tạo thành nhưng sau đó nhanh chóng bị
phân hủy thành SiO và bay khỏi bề mặt silic. Trong môi trường khí
nung N2, một loạt các phản ứng phức tạp diễn ra, kết quả cuối cùng bề
mặt silic bị thụ động hóa bởi nitơ. Các liên kết Si-H ở nhiệt độ cao sẽ
bị phân hủy, và lớp SiO2 được tạo thành. Với sự có mặt của khí N2 ở
nhiệt độ cao sẽ xảy ra phản ứng tạo ammonia:

N2 + H2  NH3
(44)
Khi đó, trong môi trường có NH3, gia nhiệt nhanh sẽ làm xuất
hiện quá trình nitride hóa SiO2 tạo ra hợp chất silic oxynitride. Quá
trình này được gọi là Rapid Thermal Nitridation, được phát hiện đầu
tiên vào năm 1978 bởi Fujitsu Laboratory Limited sau đó đã được
kiểm chứng bởi Ching-Yuan Wu vào năm 1982. Nhiệt độ của quá
trình nitride hóa này chỉ vào khoảng 900-1200ºC, được khảo sát và
công bố bởi D. Henscheid vào năm 1989, thấp hơn rất nhiều so với
nhiệt độ nung Si trong môi trường N2 để tạo ra Si3N4 (thường từ 13001500ºC):
NH3 t
SiO2  N2 
SiO2 N2
0

(45)
Quá trình nung nhiệt tại nhiệt độ trên 1000ºC diễn ra sau đó
làm giảm nồng độ oxy trong hợp chất mới tạo thành, tuy nhiên nồng
độ nitơ vẫn không thay đổi. Kết quả cuối cùng sẽ tạo ra một lớp cực
mỏng hợp chất của Si và N trên bề mặt đế. Lớp hợp chất này sẽ đóng
vai trò như lớp thụ động bề mặt, ngăn ngừa các nguyên tử vàng và
nguyên tử silic tạo liên kết chung với nhau. Do đó, các khối vàng tiếp
tục co cụm lại đến khi đạt được dạng hình cầu, là dạng bền nhất với
10


mức nội năng là nhỏ nhất. Hình 3-15 thể hiện phổ Raman của bề mặt
mẫu silic sau khi nung nóng lên 1100ºC trong môi trường khí nung
N2. Có 3 đỉnh quan sát được trong phổ Raman này. Đỉnh thứ nhất ở vị
trí 303 cm-1 thể hiện dao động TA (Transverse Acoustic – dao động

cùng hướng) của liên kết Si-Si. Đỉnh thứ hai ở vị trí 519 cm-1, đây là
đỉnh thể hiện dao động TO (Transverse Optical – dao động ngược
hướng) đặc trưng cho liên kết Si-Si tinh thể của đế. Ngoài ra, đỉnh thứ
ba quan sát được nằm ở vị trí 413cm-1, đây là đỉnh thể hiện dao động
kéo giãn (stretching) của liên kết Si-N. Điều này chứng tỏ trên bề mặt
đế silic nung trong môi trường khí N2 có sự hình thành của các liên kết
Si-N đóng vai trò lớp thụ động hóa bề mặt.

Hình 3- 15 Phổ Raman của bề mặt silic sau khi nung trong môi
trường khí N2
Nếu môi trường khí nung là môi trường argon thì lớp thụ động
hóa bề mặt này sẽ không được hình thành do argon hoàn toàn là một
khí trơ, nó không hề phản ứng với bất kì chất nào. Ở nhiệt độ cao,
nguyên tử vàng và nguyên tử silic tại ngay mặt tiếp xúc sẽ hình thành
các liên kết hóa học gọi là liên kết “cùng tinh” (eutectic). Các liên kết
này sẽ tạo ra một lực cản ngăn cản sự co cụm của các khối vàng. Đó là
lý do tại sao trong môi trường khí argon, vàng không thể tạo thành
dạng hạt hình cầu mà là dạng hạt hình bán cầu.

11


3.1.5 Nghiên cứu hiệu ứng plasmon của hạt nano vàng.
Các hạt nano vàng được lợi dụng hiệu ứng plasmon để giảm
số lượng photon phản xạ, tăng số lượng photon hấp thụ và tán xạ. Vật
liệu được sử dụng để khảo sát hiệu ứng plasmon của hạt nano vàng là
1 lớp màng mỏng silic vô định hình đã bị thụ động hóa các liên kết bất
bảo hòa bằng hydro nguyên tử (a-Si:H). Đây là loại vật liệu thường
được sử dụng làm lớp tăng cường hấp thụ trong cấu trúc pin mặt trời
màng mỏng. Tuy nhiên, do khả năng dẫn truyền điện tử khá kém nên

xu hướng chung hiện nay là phải giảm chiều dày của lớp vật liệu này.
Trong quá trình thí nghiệm, trên các mẫu có sự xuất hiện của hạt nano
vàng chỉ cần phủ 1 lớp rất mỏng khoảng 10 nm, trên mẫu đối chiếu, ta
sẽ phủ 1 lớp a-Si:H dày khoảng 100nm. Trong nghiên cứu này, phổ
UV-VIS được sử dụng để xác định độ phản xạ của các mẫu được
chuẩn bị theo các điều kiện chi tiết trong Bảng 3-2. Sau khi so sánh hệ
số phản xạ của các mẫu ta sẽ thu được kết luận về hiện tượng plasmon
của hạt nano vàng.
Bảng 3- 2 Điều kiện thực nghiệm của các mẫu thử nghiệm
Tên mẫu
A
B
C
D
E

Điều kiện chuẩn bị
Đế silic nguyên bản
Đế silic được phủ màng mỏng a-Si:H 10 nm và màng
vàng dày 250 nm
Đế silic được phủ màng mỏng a-Si:H 10 nm và màng
vàng dày 250 nm. Sau quá trình RTA với nitơ để tạo ra
hạt nano vàng dạng cầu.
Đế silic được phủ màng mỏng silic vô định hình dày 100
nm
Đế silic được phủ màng mỏng a-Si:H 10 nm và màng
vàng dày 250 nm. Sau quá trình RTA với argon để tạo ra
hạt nano vàng dạng bán cầu.

12

Hình 3- 18 Hệ số phản xạ tổng hợp của các mẫu thí nghiệm
Hình 3-18 thể hiện phổ phản xạ tổng hợp của 5 mẫu đã chuẩn
bị như điều kiện của Bảng 3-2. Mẫu A có hệ số phản xạ tổng hợp
khoảng 52%. Khi mẫu được phủ 1 lớp màng mỏng a-Si:H dày 10 nm
và màng vàng dày 250 nm (mẫu B), hệ số phản xạ tổng hợp tăng lên
gần 82%. Sau quy trình RTA với nitơ để tạo các hạt nano vàng dạng
cầu (mẫu C), hệ số phản xạ sẽ giảm xuống còn 41% (giảm khoảng
11% so với đế silic nguyên bản và giảm ½ so với đế silic phủ vàng).
Đối với hạt nano vàng dạng hình bán cầu (Mẫu E), hệ số phản xạ tổng
hợp tiếp tục giảm xuống còn 37,4%. Hệ số phản xạ này tương đương
với hệ số phản xạ của đế silic có phủ thêm 100 nm silic vô định hình
vào khoảng 42,4% thể hiện ở mẫu D (thường dùng làm lớp đệm hấp
thụ trong cấu trúc PMT màng mỏng). Như vậy, với sự có mặt của hạt
nano vàng đã giúp độ hấp thụ của màng mỏng silic vô định hình 10nm
tăng lên khoảng 10 lần.
Khi các hạt nano vàng được tạo ra với dạng hình bán cầu, hệ
số phản xạ tổng hợp tiếp tục giảm. Điều này chứng tỏ với các hạt nano
cùng đường kính, hạt nano có dạng bán cầu sẽ có hiệu ứng plasmon bề
mặt tốt hơn hạt nano dạng cầu. Hiệu suất tán xạ của hạt thông đường
được tính bằng công thức sau:
Wsca
Qsca 
Wi ( a 2 )
(46)
Trong đó Wi là công suất nguồn sáng tới, Wsca là công suất phản xạ
ánh sáng của vật liệu và a là kích thước vùng che phủ của hạt trên bề
mặt đế. Đối với hạt nano vàng dạng cầu và dạng bán cầu này thì vùng
che phủ có hình tròn và bán kính là a. Khi ở cùng điều kiện chiếu

13


sáng, các giá trị Wi và Wsca là giống nhau cho cả 2 dạng hạt. Hiệu suất
tán xạ của hạt nano có dạng bán cầu sẽ lớn hơn hiệu suất tán xạ của
hạt nano dạng cầu do diện tích mà nó che phủ trên bề mặt mẫu nhỏ
hơn
3.2 Kết quả chế tạo sợi nano silic
3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số của quy trình chế tạo và
đánh giá sợi nano silic
Ban đầu, các thông số của quy trình khắc sâu DRIE như công
suất nguồn plasma kích thích, số vòng lặp khắc-bảo vệ, thời gian khắc
được khảo sát trên đế có các mặt nạ Au dạng hình tròn, đường kính 3
µm, chiều dày 250 nm. Sau đó, các dữ liệu tham khảo sẽ được sử dụng
để tìm ra điều kiện thích hợp nhất nhằm chế tạo Si NWs bằng mặt nạ
là các hạt nano vàng có đường kính khoảng vài trăm nm. Kết quả
được khảo sát bằng kính hiện vi điện tử quét phát xạ trường HITACHI
FE-SEM S4800. Công suất nguồn RF quá cao sẽ làm tăng quá trình
khắc đẳng hướng khiến cho mặt nạ che phủ bị loại bỏ rất nhanh. Do
đó trong quá trình ăn mòn phải chú ý điều chỉnh công suất khắc phù
hợp với độ dày của mặt nạ và tốc độ ăn mòn là yếu tố quyết định để
tạo thành Si NWs. Đồng thời, trong cùng một lượng thời gian sử dụng
plasma khắc của SF6, ta nên chia nhỏ thời gian khắc của mỗi vòng lặp
đồng thời tăng số lượng vòng lặp để cải thiện hiệu ứng khắc bất đẳng
hướng, giúp cho cấu trúc Si NWs thu được có góc nghiêng và chất
lượng tốt hơn.
3.2.2 Chế tạo Si NWs với mặt nạ hạt nano vàng
Những kết quả nghiên cứu với quy trình sử dụng mặt nạ Au 3
µm như trên được áp dụng để chế tạo Si NWs với mặt nạ là các hạt
nano vàng có đường kính khoảng 400 nm. Tuy nhiên, Thực nghiệm

này không sử dụng tiếp PRF = 100 W mà chuyển sang công suất thấp
hơn là do 2 loại mặt nạ che phủ của 2 quy trình này khác nhau. Mặt nạ
hạt nano vàng có kích thước và độ phân giải nhỏ hơn so với mặt nạ đĩa
mỏng vàng do đó công suất nguồn phát RF cũng phải giảm tương ứng
để đảm bảo độ bền và độ bám dính của mặt nạ.Theo các kết quả thu
được ở phần thực nghiệm trên, chiều cao của các sợi nano nhất định bị
ảnh hưởng của 2 yếu tố là công suất phát nguồn plasma và số lượng
các vòng lặp khắc-phủ bảo vệ (thời gian khắc). Kết quả tốt nhất thu
14


được là các sợi Si NWs với đường kính từ 150-200 nm được tạo thành
với chiều cao khoảng 4 µm và góc nghiêng khoảng từ 93-95º.
Công suất nguồn plasma càng lớn thì tốc độ khắc càng nhanh
và sợi nano silic tạo thành càng cao. Giá trị điện thế phân cực dùng để
điều hướng cho các ion trong khối plasma ưu tiên di chuyển theo
phương thẳng đứng. Tuy nhiên công suất nguồn plasma lớn cũng làm
cho động năng của các ion trong khối plasma tăng cao, khi đó các ion
này sẽ chống lại tác dụng điều hướng của điện trường. Điều này dẫn
đến hai mặt bên của sợi nano silic cũng sẽ bị ăn mòn và làm cho vách
của sợi nano silic bị nghiêng. Do đó, phương pháp tốt hơn để kiểm
soát chiều cao của sợi nano silic là khắc ở công suất thấp đồng thời
tăng số lượng các vòng lặp khắc-phủ lớp bảo vệ. Đồng thời đảm bảo
giá trị điện thế phân cực ở giá trị cao hơn công suất kích thích plasma,
các ion khi đó sẽ bị điều hướng ưu tiên cho phản ứng khắc theo
phương thẳng đứng.
3.2.3 Ảnh hưởng của một số điều kiện công nghệ lên hình dạng và
phân bố của sợi nano silic
3.2.3.1 Ảnh hưởng của điện thế phân cực
Ở đây, giá trị điện thế phân cực được tăng dần. Ảnh hưởng

của giá trị điện thế phân cực đến tính bất đẳng hướng của quá trình
khắc được thể hiện như trong Hình 3-29. Giá trị điện thế phân cực cao
trong bước khắc sẽ làm tăng hiệu quả loại bỏ lớp thụ động hóa cạnh
bên và tăng nồng độ các ion F- di chuyển theo phương thẳng đứng
xuống đáy của cấu trúc khắc.

Hình 3- 29 Ảnh hưởng của giá trị điện thế phân cực đến tính bất
đẳng hướng của quá trình khắc
15


3.2.3.2 Ảnh hưởng của hình dạng hạt nano vàng đến chất lượng sợi
silic
Trong thí nghiệm này, quy trình DRIE được thực hiện với 2
mẫu, một mẫu với hạt nano vàng có dạng hình cầu và mẫu còn lại hạt
nano vàng có dạng bán cầu. Với các hạt nano vàng hình cầu, hầu hết
sợi Si NWs tạo thành đều bị ảnh hưởng của hiện tượng khắc đẳng
hướng. Chúng sẽ có dạng hình thang với phần gốc lớn hơn đáng kể so
với phần đỉnh. Ngược lại, với các hạt nano vàng có hình bán cầu, các
Si NWs tạo thành có cấu trúc sợi rõ ràng với bán kính không đổi.
Các kết quả trên được giải thích là do sự hình thành của một chênh
lệch điện thế tại mặt tiếp xúc giữa Au và Si do sự khác nhau giữa mật
độ electron tự do của vàng và silic. Do ảnh hưởng của hiện tượng
chỉnh lưu, rào thế này sẽ đủ cao để tạo ra một vùng suy giảm điện tích
trong khối bán dẫn ngay gần mặt tiếp xúc. Trong vùng này, silic sẽ
tích điện dương lớn hơn các vùng xung quanh và do đó nó khó bị oxy
hóa hơn các vùng khác (Hình 3-33)

Hình 3- 33 Vùng khó bị oxy hóa tại giao diện Au-Si
Mặt tiếp xúc giữa Au NPs hình cầu với bề mặt silic sẽ nhỏ

hơn rất nhiều so với mặt tiếp xúc của Au NPs hình bán cầu (gần như
bằng đường kính của hạt Au NPs) như thể hiện trong Hình 3-34.

16


Hình 3- 34 Vùng khó bị oxy hóa tại giao diện của silic và Au NPs
dạng hình cầu và dạng hình bán cầu
3.2.5 Ứng dụng sợi nano silic vào cấu trúc PMT
Sau khi chế tạo được sợi nano silic với chiều cao khoảng 4
µm đường kính 400 nm như đã trình bày ở Phần 3.2.2, độ phản xạ của
mẫu có các Si NWs trên bề mặt được khảo sát trước khi ứng dụng vào
cấu trúc PMT. Kết quả đo phổ phản xạ UV cho thấy, với Si NWs trên
bề mặt, độ phản xạ của mẫu khảo sát giảm xuống còn 12,4 %, giảm
hơn 4 lần so với bề mặt đế silic nguyên bản (52,2%) và chỉ bằng 1/3
độ phản xạ khi mẫu có các hạt Au NPs (Hình 3-38).

Hình 3- 38 Phổ phản xạ và hệ số phản xạ tổng hợp của đế Si NWs so
với đế silic nguyên bản và đế silic có hạt Au NPs
3.3 Kết quả chế tạo màng mỏng silic vô định hình, tinh thể micro
và nano
3.3.1 Kết quả khảo sát về đặc trưng của plasma
17


3.3.1.1 Tốc độ chế tạo của màng mỏng silic
Trong thí nghiệm này, tốc độ lắng đọng cùa màng mỏng silic
được khảo sát để tìm ra thông số phù hợp cho các lớp màng mỏng silic
có trong cấu trúc PMT. Tốc độ phủ không quá chậm, làm ảnh hưởng
đến quy trình chế tạo cũng như không quá nhanh dẫn đến cấu trúc

màng không đồng bộ, độ ghồ ghề bề mặt và độ xốp lớn, ảnh hưởng
đến khả năng ứng dụng trong PMT. Ngoài ra, hiện tượng tạo bụi
plasma cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến vận hành của thiết bị và cần
được quan tâm khảo sát.

Hình 3- 39 Tốc độ lắng đọng phụ thuộc vào áp suất lắng đọng
Trong cấu trúc pin mặt trời màng mỏng mối nối dị thể, thông
thường độ dày các lớp màng phủ chỉ vào khoảng vài chục nm, do đó
ta nên chọn áp suất lắng đọng trong khoảng từ 0,6 - 1 Torr (tốc độ
lắng đọng vào khoảng 5-6 nm/phút) để có thể dễ dàng điều khiển độ
dày màng theo mong muốn, đồng thời giảm sự ảnh hưởng của bụi
plasma đến chất lượng màng.
3.3.2 Kết quả khảo sát điều kiện chế tạo màng mỏng silic vô định
hình, tinh thể micro và nano
Mục đích của nghiên cứu này là tìm ra khoảng giới hạn của
các thông số chế tạo, trong đó chúng ta có thể tạo ra các cấu trúc silic
khác nhau, cả silic vô định hình cũng như silic tinh thể micro hoặc
nano.giản đồ pha thể hiện các điều kiện hình thành cấu trúc lớp màng
mỏng khác nhau tương ứng với các điều kiện làm việc khác nhau của
hệ thống PECVD, thể hiện như trong Hình 3-46.
18


Hình 3- 46 Giản đồ pha vô định hình-tinh thể tại giá trị áp suất
phản ứng 0,6 torr
Với các thông số nằm phía trên đường chuẩn, ta sẽ thu được
lớp màng lắng đọng có cấu trúc tinh thể micro (hạt tinh thể kích thước
trên 100 nm nằm trong lớp vật liệu vô định hình), với những thông số
nằm phía dưới đường chuẩn, ta sẽ thu được cấu trúc vô định hình
trong toàn bộ lớp màng lắng đọng. Với các giá trị nằm trên và lân cận

với đường chuẩn sẽ là sự xuất hiện của cấu trúc tinh thể nano (có sự
hiện diện của các hạt tinh thể với kích thước dưới 10 nm). Cùng với
chiều tăng của áp suất là sự dịch chuyển của đường chuẩn theo hướng
lên trên, thu hẹp điều kiện hình thành pha tinh thể micro và mở rộng
vùng hình thành cấu trúc vô định hình.
3.3.3 Đánh giá các thông số ảnh hưởng đến chất lượng lớp màng
silic bằng phương pháp ellipsometry
Để có thể ứng dụng tốt vào cấu trúc PMT thì yếu tố quan
trọng nhất đối với các lớp màng mỏng là độ đồng đều bề mặt, đồng
đều về tỉ lệ pha tinh thể và kích thước của hạt tinh thể. Trong nghiên
cứu này, các thông số chế tạo có ảnh hưởng đến các yếu tố trên sẽ
được coi là trọng tâm. Tập trung vào khảo sát 3 thông số được xem là
quan trọng đến chất lượng và các tính chất của lớp màng lắng đọng,
đó là tỉ lệ pha loãng SiH4/H2, công suất nguồn RF và áp suất khí phản
ứng. Tìm ra được điều kiện tối ưu để lớp màng mỏng silic đạt được
các thông số phù hợp với tài liệu tham khảo. Lớp màng lắng đọng phải
có độ đồng đều bề mặt lớn hơn 90%. Đồng thời, tỉ lệ pha tinh thể
19


micro-nano trong lớp màng sẽ được kiểm soát trong khoảng 60%.
Theo các nghiên cứu của F. Meillaud hay của O. Vetterl, màng mỏng
silic được chế tạo với tỉ lệ tinh thể đạt khoảng 60%, là tỉ lệ tinh thể tối
ưu để lớp màng có thể kết hợp tốt được ưu điểm của cả 2 loại vật liệu
silic vô định hình và silic tinh thể.cấu trúc của silic tinh thế mico và
nano sẽ bao gồm các hạt tinh thể với kích thước vài chục đến vài trăm
nanomet nằm giữa lớp silic vô định hình. Tuy nhiên, các hạt tinh thể
silic này không phân bố một cách ngẫu nhiên mà theo một quy luật,
gắn kết với nhau tạo thành các chuỗi hình cột hoặc hình nón trong
lòng khối silic. Các chuỗi tinh thể silic này đóng vai trò như các

đường truyền dẫn điện tử tự do trong khối silic. Như vậy, silic tinh thể
micro và nano sẽ kết hợp được cả ưu điểm của silic tinh thể và silic vô
định hình. Trong đó, silic vô định hình có nhiều liên kết bất bão hòa sẽ
đóng vai trò thành phần hấp thụ photon. Khi các điện tử tự do được
sinh ra trong phần silic vô định hình ngày càng nhiều, chúng gây ra sự
chênh lệch điện tích tại mặt phân cách giữa silic vô định hình và silic
tinh thể. Chệnh lệch điện tích này gây ra một điện trường nội hướng từ
tinh thể silic tới khối silic vô định hình bao bọc bên ngoài nó. Điện
trường nội này tác động lên các điện tích âm và kéo chúng về phía các
hạt tinh thể silic. Khi chênh lệch điện tích gây ra một điện trường đủ
lớn, các điện tích âm sẽ vượt qua giới hạn phân cách (boundary level)
để đi vào hạt silic tinh thể và theo đường dẫn này đi ra ngoài. Do đó,
kích thước hạt tinh thể càng nhỏ thì giá trị giới hạn phân cách càng
nhỏ và điện tử càng dễ đi vào vùng tinh thể để được vận chuyển ra
ngoài.
Qua khá nhiều thí nghiệm và phép phân tích bằng phương
pháp phổ phân cực ellipsometry 9 điểm, phương pháp phân tích phổ
Raman, có thể rút ra điều kiện lắng đọng phù hợp để có được lớp
màng mỏng silic tối ưu cho ứng dụng vào pin mặt trời là 5sccm SiH4
và 195 sccm H2, tại áp suất phản ứng 0,6 Torr và mật độ công suất
plasma 0,2 W/cm2. Lớp màng mỏng silic cấu trúc nano tinh thể với
kích thước hạt tinh thể nano vào khoảng 3-5 nm. Tỉ lệ pha tinh thể
trong toàn bộ màng được điều chỉnh tùy theo yêu cầu chế tạo và có thể
đạt tới giá trị tối ưu khoảng 60% với độ gồ ghề bề mặt không quá
10%.

20


3.3.4 Kết quả quy trình pha tạp màng mỏng silic được chế tạo

Thông thường, silic sẽ được pha tạp boron hoặc phosphorous
bằng phương pháp khuếch tán nhiệt. Bề mặt silic được tiếp xúc với
nguồn pha tạp và tạp chất được khuếch tán dần vào phía bên trong
silic. Do đó, có sự chênh lệch về nồng độ pha tạp ở các độ sâu khác
nhau. Nghiên cứu này đã tiến hành pha tạp phosphorous vào silic bằng
cách cho thêm khí PH3 (phosphine) vào hỗn hợp khí SiH4 + H2. Sau
đó kích thích tạo ra trạng thái plasma. Trong quá trình lắng đọng màng
trên bề mặt đế, các nguyên tử phosphor sẽ xen lẫn vào trong mạng
nguyên tử của silic và do sự xen lẫn này là bằng nhau tại mọi thời
điểm của quá trình lắng đọng nên ta có thể thu được lớp màng mỏng
silic pha tạp với sự đồng đều ở tất cả các vị trí. Điện trở suất của lớp
màng mỏng pha tạp được đo bằng hệ thống đo điện trở 4 mũi dò ta có
được kết quả điện trở suất với mỗi tỉ lệ pha tạp như Hình 3-55.

Hình 3- 55 Điện trở suất màng theo nồng độ pha tạp
Dựa vào các kết quả đã nghiên cứu, ta có thể lựa chọn được
thông số pha tạp phosphorous cho silic để ứng dụng vào PMT là
5sccm PH3 (0,02% trong H2) trong hỗn hợp khí 5sccm SiH4 và
195sccm H2, tại áp suất phản ứng 0,6 Torr và mật độ công suất plasma
0,2 W/cm2. Lớp màng mỏng silic đạt được giá trị điện trở suất nhỏ
nhất vào khoảng 200 Ωcm và có thể ứng dụng vào cấu trúc PMT.

21


KẾT LUẬN
A. Những kết quả đạt được
 Thứ nhất, Luận án đã đề xuất quy trình xử lý bề mặt silic kết hợp
giữa phương pháp hóa học và vật lý. Trong đó, đế silic sau khi rửa
bằng các chất hóa học sẽ được đưa vào plasma hydro trong vòng

30 phút, nhờ vậy đế sẽ được thụ động hóa các liên kết bất bão hòa
trên bề mặt và chống được sự tái nhiễm bẩn từ môi trường trong
khoảng thời gian dài lên đến vài chục giờ.
 Thứ hai, Luận án đưa ra quy trình gia nhiệt-làm lạnh nhanh RTA ở
1100ºC với đầy đủ các thông số cần thiết để chế tạo ra hạt nano
vàng với kích thước từ vài chục đến vài trăm nanomet với hình
dạng khác nhau. Đồng thời, Luận án cũng khảo sát được ảnh
hưởng của môi trường khí trơ đến hình dạng của hạt nano vàng, có
thể chế tạo hạt nano vàng với hình cầu, hình bán cầu với các loại
khí trơ khác nhau như Nitơ hay Argon.
 Thứ ba, Luận án đã đưa ra quy trình khắc sâu ion phản ứng (DRIE)
tạo ra được các Si NWs với đường kính khoảng 400nm và chiều
cao thay đổi từ 2,5 tới 4 µm, hệ số phản xạ của mẫu có sợi nano
silic trên bề mặt giảm hơn 4 lần so với đế silic nguyên bản. Sợi
nano silic chế tạo được có vách với góc nghiêng khoảng 85º-90º.
Hiện tượng ăn mòn đẳng hướng đã được khắc phục rõ ràng bằng
cách sử dụng mặt nạ là các hạt nano vàng có dạng bán cầu.
 Cuối cùng, Luận án cũng đã nghiên cứu các điều kiện đặc trưng
của phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma
(PECVD) nhằm tìm ra điều kiện tối ưu để hình thành các lớp màng
mỏng silic có cấu trúc như mong muốn như cấu trúc silic vô định
hình silic tinh thể micro và tinh thể nano. Lớp màng mỏng silic cấu
trúc nano tinh thể với kích thước hạt tinh thể nano vào khoảng 3-5
nm. Tỉ lệ pha tinh thể trong toàn bộ màng được điều chỉnh tùy theo
yêu cầu chế tạo và có thể đạt tới giá trị tối ưu khoảng 60% với độ
gồ ghề bề mặt không quá 10%. Nghiên cứu quy trình pha tạp màng
mỏng silic đạt được giá trị điện trở suất nhỏ nhất vào khoảng 200
22

Ωcm ứng dụng vào cấu trúc pin mặt trời màng mỏng sợi nano silic
đối xứng tâm cần hướng đến.
 Nội dung Luận án đã được tác giả công bố thông qua 08 Bài báo
khoa học trên các Tạp chí KHCN có giá trị, cụ thể như sau: 03
Công bố khoa học đăng trên Tạp chí thuộc hệ thống ISI, 01 Công
bố khoa học đăng trên Tạp chí Quốc tế uy tín nằm trong hệ thống
SCOPUS (hiện đã được công nhận vào hệ thống ISI từ đầu năm
2016), 02 Công bố khoa học đăng trên Kỷ yếu Hội nghị Quốc tế và
02 Công bố khoa học đăng trên tạp chí KHCN uy tín trong nước.
Ngoài ra, từ kết quả nghiên cứu của Luận án tác giả đã đăng ký
một Sáng chế về “Quy trình tạo lớp màng mỏng tinh thể nano silic
bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma ứng
dụng vào cấu trúc pin mặt trời màng mỏng và lớp màng mỏng tinh
thể nano silic được tạo bởi quy trình này” tại Cục Sở hữu Trí tuệ Bộ KH&CN.
B. Các điểm mới của Luận án
1. Đề xuất quy trình xử lý bề mặt silic kết hợp giữa phương pháp hóa
học và vật lý. Trong đó, đế silic sau khi rửa bằng các chất hóa học
sẽ được đưa vào plasma hydro trong vòng 30 phút, nhờ vậy đế sẽ
được thụ động hóa các liên kết bất bão hòa trên bề mặt và chống
được sự tái nhiễm bẩn từ môi trường trong khoảng thời gian dài lên
đến vài chục giờ.
2. Tạo được hạt nano vàng với kích thước từ vài chục đến vài trăm
nanomet với hình dạng khác nhau (hình cầu hoặc bán cầu) hoàn
toàn bằng phương pháp vật lý, kết hợp giữa quy trình bốc bay và
gia nhiệt-làm lạnh nhanh, các hạt nano vàng cũng như bề mặt đế
silic không bị nhiễm bẩn bởi hóa chất.
3. Nghiên cứu và giải thích sự tạo hạt nano vàng dạng cầu với khí
nung là Nitơ và dạng bán cầu với khí nung là Argon trong quá trình
gia nhiệt-làm lạnh nhanh ở nhiệt độ 1100ºC và thời gian ủ nhiệt 30
giây.

23