Nghiên cứu chế tạo và khảo sát đặc tính của dây nano si

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHẠM VIẾT VĂN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT ĐẶC
TÍNH CỦA DÂY NANO Si

CHUYÊN NGÀNH : VẬT LÝ KỸ THUẬT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
VẬT LÝ KỸ THUẬT

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. NGUYỄN HỮU LÂM

HÀ NỘI – 2011


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ một công
trình nào.

Tác giả
Phạm Viết Văn


LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Viện Vật lý Kỹ thuật Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội nói chung và Bộ môn Vật Liệu Điện tử nói riêng tôi đã nhận được
sự quan tâm sâu sắc và giúp đỡ rất nhiệt tình của các thầy, cô giáo và các anh chị cán
bộ khoa học của Bộ môn. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tất cả những
sự giúp đỡ quý báu đó.
Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Hữu Lâm, người đã tận tình
định hướng và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực nghiệm để hoàn thành luận văn
này. Tôi cũng chân thành cảm ơn các thành viên trong nhóm bởi những ý kiến đóng
góp quý báu trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Trong quá trình nghiên cứu, tôi còn nhận được sự quan tâm giúp đỡ của các
phòng chức năng, phòng thí nghiệm khác trong và ngoài trường như: Phòng thí nghiệm
phân tích cấu trúc, phòng thí nghiệm quang phổ - Viện Vật lý Kỹ thuật, Viện Khoa học
Vật liệu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam), phòng thí nghiệm Hiển vi điện tử Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn tất cả sự
giúp đỡ này.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè, những người đã động viên, giúp
đỡ tôi cả về mặt tinh thần lẫn vật chất để tôi hoàn thành luận văn này.

Hà Nội, ngày 26 thàng 03 năm 2011
Học viên
Phạm Viết Văn


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO SILIC ......................................... 3
I.1. Vật liệu silic................................................................................................. 4
I.1.1. Cấu trúc tinh thể silic........................................................................ 4
I.1.2. Cấu trúc vùng năng lượng của silic ................................................. 5
I.2. Đặc tính của dây nano silic........................................................................ 6

I.2.1. Tính chất điện tử của dây nano silic ................................................ 7
I.2.2. Tính chất quang của dây nano silic ................................................. 8
I.2.3. Tính chất cơ của dây nano silic ........................................................ 9
I.2.4. Tính chất nhiệt của dây nano Si....................................................... 10
I.3. Ứng dụng của dây nano silic ..................................................................... 11
I.3.1. Cải thiện hiệu suất của cấu trúc FET .............................................. 11
I.3.2. Cảm biến............................................................................................. 12
I.3.3. Pin mặt trời ........................................................................................ 14
I.3.4. Pin Lithium sử dụng dây nano silic ................................................. 15
I.4. Một số phương pháp chế tạo dây nano Si................................................ 16
I.4.1. Phương pháp laser............................................................................. 16
I.4.2. Phương pháp epitaxy chùm phân tử ............................................... 17
I.4.3. Phương pháp CVD (Chemical Vapor Deposition) ......................... 18
CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT DÂY NANO SILIC.. 20

II.1. Quá trình hình thành dây nano silic .............................................................20
II.1.1. Sự hình thành hạt hợp kim Au-Si ........................................................20


II.1.2. Cơ chế mọc dây nano silic VLS (Vapour - Liquid - Solid)........... 21
II.2. Các thiết bị cho quá trình chuẩn bị mẫu................................................ 23
II.2.1. Cân điện tử và máy rung siêu âm................................................... 23
II.2.2. Hệ bốc bay bằng chùm điện tử EB (Electron Beam).................... 24
II.2.3. Ủ tạo hạt xúc tác vàng (Au) bằng hệ phún xạ ............................... 26
II.3. Hệ CVD (Chemical Vapor Deposition) để chế tạo dây nano silic........ 27
II.3.1. Hệ lò CVD (Chemical Vapor Deposition)...................................... 27
II.3.2. Hệ thống buồng khí.......................................................................... 29
II.3.3. Bộ điều khiển lưu lượng khí............................................................ 29
II.4. Quá trình thực nghiệm............................................................................. 30
II.4.1. Làm sạch phiến silíc và tẩy lớp oxít tự nhiên ................................ 30

II.4.2. Quy trình tạo lớp màng mỏng vàng (Au) làm xúc tác.................. 31
II.4.3. Lắp mẫu và kiểm tra đường khí..................................................... 32
II.4.4. Lấy mẫu và vệ sinh lò ...................................................................... 33
II.5. Các phương pháp phân tích .................................................................... 34
II.5.1. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) .................... 34
II.5.2. Phương pháp phân tích huỳnh quang............................................ 35
II.5.3. Phương pháp phân tích Raman...................................................... 36
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................... 37
III.1. Sự hình thành các hạt xúc tác vàng (Au).............................................. 37
III.1.1. Sự hình thành các hạt xúc tác vàng ủ trong môi trường khí Ar 38
III.1.2. Sự hình thành các hạt xúc tác vàng ủ trong chân không ........... 40
III.2. Nghiên cứu sự hình thành dây nano Si ................................................. 43


III.3. Khảo sát tính chất quang của dây nano Si ........................................... 49
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 54


MỞ ĐẦU

Ngày nay, vật liệu nano đã và đang được các nhà khoa học nghiên cứu, phát
triển đưa vào ứng dụng rộng rãi trong y học, quân sự, công nghiệp… bởi những
tính chất quang, điện nổi trội so với vật liệu khối. Các hình thái của cấu trúc có kích
thước nano bao gồm: dạng hạt nano (cấu trúc không chiều), dạng dây nano (cấu trúc
một chiều) và dạng màng mỏng (cấu trúc hai chiều). Mỗi hình dạng khác nhau thì
vật liệu có tính chất khác nhau. Do đó, tuỳ thuộc vào các ứng dụng cụ thể, các nhà
nghiên cứu tìm hiểu theo định hướng cấu trúc để khai thác hiệu quả tính chất nổi
trội của vật liệu.
Silic là vật liệu bán dẫn quan trọng được sử dụng phổ biến trong công nghệ vi

điện tử. Với nhu cầu ngày càng muốn thu nhỏ kích thước linh kiện và tăng tốc độ
xử lý của các thiết bị điện tử, các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu để tìm ra
những tính chất mới của vật liệu silic. Ngày nay, việc nghiên cứu các cấu trúc nano
của silic nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới, trong đó dây
silic là một trong những đối tượng được nghiên cứu. Với những phương pháp chế
tạo dây nano thông dụng và phổ biến như phương pháp CVD (Chemical Vapor
Deposition), Epitaxy, hỗ trợ bởi chùm Laser…, dây silic hình thành theo cơ chế khá
giống nhau (mọc từ đỉnh hay mọc từ đế). Đối với kỹ thuật lắng đọng hóa học trên
hệ CVD sử dụng khí silan (SiH4) để tiến hành mọc dây silic, silan là khí rất độc và
không được sử dụng phổ biến ở Viêt Nam. Trên cơ sở đó, cùng với các thiết bị
nghiên cứu hiện có tại phòng thí nghiệm của Viện Vật lý Kỹ thuật - Đại học Bách
Khoa Hà Nội chúng tôi thấy rằng có thể mọc dây silic bằng kỹ thuật bốc bay nhiệt.
Sau khi chế tạo thành công dây nano Si, Chúng tôi sẽ thực hiện quá trình phân tích
khảo sát đặt tính của dây Si. Do đó, định hướng nghiên cứu của luận văn này là:
“Nghiên cứu chế tạo và khảo sát đặc tính của dây nano Si”.

1


Luận văn gồm ba chương:
Chương I. Tổng quan về dây nano silic
Chương II. Phương pháp chế tạo và tính chất dây nano silic
Chương III. Kết quả và thảo luận
Việc nghiên cứu chế tạo dây nano silic sẽ mở ra hướng nghiên cứu mới với
mục đích phát triển công nghệ vi điện tử. Chúng tôi hy vọng việc nghiên cứu đề tài
này sẽ đóng góp và làm phong phú cho nền khoa học Viêt Nam và thế giới.

2

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO SILIC

Năm 1787, silic lần đầu tiên được phát hiện bởi Antoine Lavoisier. Năm
1811, Gay-Lussac đã chế tạo ra silic vô định hình lẫn tạp chất và đến năm 1824
Berzelius trở nên nổi tiếng khi tạo ra silic vô định hình không lẫn tạp. Sau đó, năm
1854 lần đầu tiên người ta tạo ra silic tinh thể. Những phát hiện các dạng khác nhau
của silic đã đóng góp rất lớn trong suốt chiều dài phát triển của công nghệ vi điện
tử. Ngày nay, silic vẫn là vật liệu quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong công
nghệ bán dẫn.
Silic được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đời sống, công nghiệp, y
học, quân sự và khoa học. Do silic có những đặc tính nổi trội trong công nghệ điện
tử, nên ngày nay các nhà khoa học trên thế giới nói chung và trong nước nói riêng
vẫn đang nghiên cứu, nhằm khai thác tối đa những đặc tính tối ưu của silic. Điều
đặc biệt, vật liệu silic có rất nhiều trên trái đất và tồn tại dưới nhiều hình thức khác
nhau. Theo thống kê, silic chiếm 27,5% khối lượng của vỏ trái đất và là nguyên tố
phổ biến thứ hai sau ôxy. Tinh thể silic tinh khiết là nguyên tố rất hiếm trong tự
nhiên. Nó thường được tìm thấy dưới các dạng oxít silic và dạng khoáng chất.
a)

b)

c)

Hình I.1. Các dạng silic trong tồn tại trong tự nhiên a) Silic Croda
b) Tinh thể thạch anh, c) Silizium pulver.

3

I.1. Vật liệu silic
I.1.1. Cấu trúc tinh thể silic
Trong tinh thể silic có cấu trúc kim cương bền vững với hằng số mạng
Ǻ. Trong mỗi ô mạng thì tại mỗi nút có một nguyên tử và một nguyên
tử khác nằm cách nguyên tử đó một khoảng bằng đường chéo của ô mạng cơ bản
và khoảng cách đó bằng ( )a.

Hình I.2. Cấu trúc mạng tinh thể của Si
Nếu tọa độ của nguyên tử thứ nhất trong hệ trực giao là (0,0,0) thì tọa độ của
nguyên tử thứ hai là ( ,

). Như vậy tinh thể Si, có thể xem như gồm hai mạng lập

phương tâm mặt lồng vào nhau, mạng thứ hai dịch đi một đoạn bằng

theo

phương đường chéo của hình lập phương so với mạng thứ nhất [1].
Chúng ta thấy rằng, tinh thể silic cấu trúc kim cương, tồn tại các mặt phẳng
tinh thể quan trọng như (100), (110) và (111). Hướng xếp khít nhất trong cấu trúc
chính là đường chéo mặt lập phương. Do sự xếp chặt của các nguyên tử trên các
mặt là khác nhau nên các mặt tồn tại năng lượng bề mặt khác nhau.

4


Hình I.3. Một số mặt tinh thể lập phương quan trọng.
Trong hầu hết các bài báo đã được công bố trên tạp chí trong và ngoài nước,
dây nano Si hầu hết được chọn mọc trên đế Si (111) bởi Si(111) là mặt mà các
nguyên tử sắp xếp bền vững nhất [2-3]. Do đó, trong nghiên cứu này chúng tôi đã

sử dụng đế Si (111) để tổng hợp dây nano silic.
I.1.2. Cấu trúc vùng năng lượng của silic
Bảng I.1. Thông số vật lý của silic ở 300K.
Thông số cơ bản

Si

Nguyên tử số

Đơn vị

14

Số nguyên tử / cm3

5,02.1022

Nguyên tử

Nguyên tử lượng

28,09

đvC

Khối lượng riêng

2,329

g/cm3

Hằng số điện môi

11,9

Bề rộng vùng cấm

1,12

eV

5,43102

Å

Hằng số mạng

o

Nhiệt độ nóng chảy

1412

Độ linh động của điện tử

1450

cm2/ v.s

Độ linh động của lỗ trống

505

cm2/ v.s

5

C


Cấu trúc vùng năng lượng của Si được tách ra thành hai vùng cho phép ngăn
cách nhau bởi một vùng cấm. Vùng phía dưới chứa được 4N điện tử và điền đầy
hoàn toàn, tạo nên vùng hóa trị của bán dẫn. Vùng phía trên cũng chứa được 4N
điện tử nhưng trống hoàn toàn và trở thành vùng dẫn.

Hình I.4. Sơ đồ vùng năng lượng của Si.
Trong vùng hóa trị của Si có các vùng con chồng lên nhau, các vùng con hay
là phân vùng đó còn gọi là các nhánh năng lượng. Hình I.4 thể hiện cấu trúc vùng
năng lượng của Si với các vùng con theo hai phương <111> và <100>.
Khoảng cách năng lượng giữa cực đại vùng hóa trị và cực tiểu vùng dẫn
chính là bề rộng vùng cấm, đối với Si độ rộng vùng cấm

ở 0K và

ở 300K. Chúng ta thấy rằng cực đại vùng hóa trị (đỉnh vùng hóa trị)
nằm ở tâm vùng Brillouin, trong khi cực tiểu vùng dẫn (đáy vùng dẫn) nằm ở một
điểm trên hướng

của vùng Brillouin, nghĩa là đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng

dẫn không nằm trên một điểm của vùng Brillouin, trong trường hợp này người ta
gọi vùng cấm là vùng cấm xiên [1].
I.2. Đặc tính của dây nano silic
Silic ở dạng khối được sử dụng phổ biến trong công nghệ vi điện tử so với
các vật liệu bán dẫn thông thường khác. Vì vậy, các nhà khoa học trên thế giới cũng
6


như trong nước đã và đang nghiên cứu để khai thác tối đa đặc tính của silic. Các
nhà khoa học đều tập trung nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của Si tồn tại ở
các cấu trúc thấp chiều như hạt và dây silic. Trong phần này chúng tôi chỉ đề cập
đến nghiên cứu Si ở dạng dây nano.
I.2.1. Tính chất điện tử của dây nano silic
Các nhà khoa học đã nghiên cứu thấy rằng với Si ở dạng khối có cấu trúc
vùng năng lượng vùng cấm xiên. Đối với Si ở dạng dây nano, do hiệu ứng giam giữ
lượng tử, Si có cấu trúc vùng năng lượng dạng vùng cấm thẳng.

Hình I.5. Cấu trúc vùng năng lượng của dây nano Si.[4]
Trong vùng hóa trị xảy ra sự xáo trộn và chia nhỏ đáng kể của vùng lỗ trống.
Trong vùng dẫn, độ uốn vùng dẫn giảm trung bình theo khối lượng linh động của
hạt tải điện dọc theo trục của dây.

Hình I.6. Sự thay đổi bề rộng vùng cấm theo đường kính dây.[4]
7


Bề rộng vùng cấm của Si dạng dây tăng lên do hiệu ứng giam giữ lượng tử
khi ta giảm kích thước của vật liệu xuống kích thước nano. Bề rộng vùng cấm là 2,5
eV khi đường kính dây là 1,2 nm, còn khi đường kính dây đạt 2,7 nm thì bề rộng
vùng cấm là 1,56 eV [4].

I.2.2. Tính chất quang của dây nano silic
Silic khối là vật liệu bán dẫn vùng cấm xiên. Xác suất tái hợp giữa điện tử ở
vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị nhỏ, do đó tính phát quang của silic yếu. Quá
trình tái hợp bức xạ quang là quá trình ngược lại với quá trình hấp thụ. Quá trình
hấp thụ chuyển mức xiên được giải thích là kết quả của hai giai đoạn: Hấp thụ
photon chuyển lên trạng thái giả định và hấp thụ/phát ra phonon. Xác suất chuyển
mức xiên thường nhỏ hơn chuyển mức thẳng [1].

Hình I.8. Phổ Raman của SiNWs và Si
khối với bước sóng kích thích khác
nhau.[8]

Hình I.7. Phổ Raman của SiNWs và
C-Si đo ở nhiệt độ phòng với công
suất nguồn laser 70 W/cm2.[6]

Đối với kích thước nano, silic tồn tại cấu trúc vùng năng lượng có bề rộng
vùng cấm thẳng nên tính chất quang rất khác so với silic ở dạng khối. Kết quả phân
tích phổ Raman của mẫu dây nano silic có đường kính 11,3 nm so với Si đơn tinh
thể cho thấy có sự dịch đỉnh phổ về phía ánh sáng màu xanh khi giảm kích thước
(blue shift). Đối với silic tinh thể, đỉnh phổ ở 519 cm-1. Đối với dây nano silic đỉnh
phổ Raman ở 495 cm-1 (hình I.7). Sự dịch phổ này được giải thích do hiệu ứng giam
giữ lượng tử của các phonon [5] quang bởi các biên dây nano silic khi giảm kích
thước của silic [6].

8


Hình I.8 cho ta thấy sự dịch đỉnh phổ của dây nano silic với các trường hợp
ánh sáng kích thích có bước sóng khác nhau, do đó sự dịch đỉnh phổ Si NWs không

phụ thuộc vào năng lượng kích thích [8].
Hình I.9 biểu hiện phổ huỳnh quang
(PL) của dây nano silic được đo ở nhiệt độ
khác nhau. Kết quả phân tích phổ huỳnh
quang ta thấy xuất hiện hai đỉnh ở 455 nm
và 525 nm thuộc vùng ánh sáng màu xanh.
Sự xuất hiện các đỉnh phổ này liên quan đến
sự phát xạ tái hợp của các tâm sai hỏng ở
lớp oxít của dây nano silic, sự phát quang

Hình I.9. Phổ huỳnh quang của dây
nano silic đo ở các nhiệt độ khác nhau.

này giảm nhanh khi nhiệt độ tăng [6,7].
I.2.3. Tính chất cơ của dây nano silic
Nghiên cứu tính chất cơ học của dây nano Si được thực hiện bằng cách làm
biến dạng dây bằng một đầu dò Wonfram và cantilever của kính hiển vi lực nguyên
tử (AFM) nhằm xác định sự mối quan hệ giữa lực và sự dịch chuyển của dây nano
Si đơn. Dây nano silic được gắn lên đầu dò và được bẻ cong bằng cách đẩy đầu dò
ấn xuống cantilever. Từ sự dịch chuyển của cantilever và lực tác dụng, người ta có
thể xác định trạng thái cơ học của cantilever. Sự dịch chuyển của catilever được
biểu hiện bởi khoảng cách giữa hai đầu của dây nano silic và được mô tả trên (hình
I.10).

9


Hình I.10. Quá trình xác định đặc tính cơ học của dây nano Si.[9]
Khi tác dụng một lực lớn hơn lực tới hạn, biến dạng cong xảy ra. Dây sẽ trở
lại hình dạng ban đầu khi không tác dụng lực.

I.2.4. Tính chất nhiệt của dây nano Si
Các nghiên cứu chỉ ra rằng với những dây nano Si có đường kính nhỏ hơn
20nm, phân tán của các phonon có sự thay đổi là do sự giam giữ phonon. Thực tế,
độ dẫn nhiệt của dây nano Si thấp hơn nhiều so với độ dẫn nhiệt của Si dạng khối.
Kết quả này có thể được giải thích là do sự tăng của tán xạ phonon vùng biên.

Hình I.11. Sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt vào nhiệt độ của dây nano
với đường kính khác nhau.[10]
Hình I.11 thể hiện độ dẫn nhiệt của dây nano silic đơn tinh thể với đường
kính dây khác nhau (22, 37, 56 và 115 nm). Khi đường kính của dây giảm thì độ
dẫn nhiệt cũng giảm theo tương ứng. Điều đó chứng tỏ rằng tán xạ tăng cường vùng
biên có ảnh hưởng mạnh tới sự truyền dẫn của các phonon trong dây nano Si. Ở
vùng nhiệt độ thấp (20-60 K), độ dẫn nhiệt của dây nano Si đường kính 115 và 56
nm có dạng khá giống với quy tắc Debye (tỉ lệ T3) cho thấy cơ chế tán xạ phonon là
chủ yếu. Tuy nhiên, với các dây có đường kính nhỏ hơn thì lại không theo quy tắc
này. Điều này có nghĩa là bên cạnh cơ chế tán xạ phonon vùng biên thì còn các hiệu

10


ứng khác cũng đóng vai trò quan trọng làm giảm độ dẫn nhiệt của dây nano silic
[10].
I.3. Ứng dụng của dây nano silic
Silic là vật liệu bán dẫn được sử dụng để chế tạo các linh kiện điện tử bán
dẫn trong công nghệ vi điện tử. Do đó, để cải thiện hiệu suất của các linh kiện này
người ta đã nghiên cứu các cấu trúc nanomet của Si để ứng dụng những tính chất
nổi trội hơn so với Si ở dạng khối. Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể của dây
nano Si.
I.3.1. Cải thiện hiệu suất của cấu trúc FET

Công nghệ mạch tích hợp (IC) đã
được quan tâm như một trong những
phát minh quan trọng nhất trong lịch sử
khoa học kỹ thuật. Sự phát triển mạnh
mẽ của công nghệ này trong suốt bốn
thập kỷ đã trở thành cuộc cách mạng
trong lĩnh vực công nghệ thông tin (IT),

Hình I.12. Giản đồ cấu trúc FET sử
dụng dây nano Si.[11]

tạo ra sự thay đổi kỳ diệu trong cuộc sống của chúng ta và toàn thế giới (hình I.12).
Sự phát triển mạnh mẽ trong công nghệ IC là sự giảm kích thước của transistor, yếu
tố cơ bản trong mạch tích hợp và do đó tăng số transistor trên một chip. Sự tăng số
lượng của transistor trên một chíp IC tuân theo định luật Moore.
Đối với transistor hiệu ứng trường (FET) những thông số chính làm ảnh
hưởng tới hiệu suất của FET như: độ linh động của hạt tải, sự truyền dẫn
(transconductance), subthreshold slope, dòng mở (Ion), dòng đóng (Ioff), điện áp
ngưỡng (Vth), chiều dài kênh dẫn (LG)... Sự linh động của hạt tải lớn, giảm chiều dài
kênh dẫn và dòng mở sẽ lớn sẽ làm thiết bị hoạt động nhanh hơn. Nếu tỉ số Ion/Ioff
cao thì transistor hiệu ứng trường sẽ tốt hơn. Thực tế, trong các báo cáo về ứng
dụng dây nano Si trong transistor hiệu ứng trường (FET) cho thấy transistor sử dụng

11


dây nano Si làm việc tốt hơn so với các transistor FET truyền thống sử dụng công
nghệ planar.
Bảng I.2. So sánh các thông số của FET sử dụng dây nano Si và SOI-FET. [11]
Thông số của FET

Dây nano Si
ban đầu

Dây Si trong cấu
trúc FET

Công nghệ Si
planar

Chiều dài cổng (nm)

800-2000

50

50

Bề dầy lớp oxít (nm)

600

1,5

1,5

230-1350

230-1350

Ion (µA/µm)

50-200

2000-5600

650

Ioff (nA/µm)

2-50

4-45

9

174-609

60

70

17-100

2700-7500

650

Độ linh động hạt tải
(cm2/Vs)

Độ dốc ngưỡng
(mV/decade)

dưới

Độ truyền dẫn (µS/µm)

Kết quả so sánh trong bảng trên cho thấy transistor sử dụng dây nano Si thì tỉ
số Ion/Ioff và độ truyền dẫn lớn là những thông số quan trọng để transistor hoạt động
tốt hơn so với các transistor thông thường [11].
I.3.2. Cảm biến
Cảm biến sinh học kích thước nano được chế tạo dựa trên transistor hiệu ứng
trường sử dụng dây nano silic (SiNWs-FET) cho độ nhạy cao và phát hiện nhanh.
Dây nano silic được sử dụng làm kênh dẫn giữa cực nguồn (Source) và cực máng
(Drain) trong cấu trúc của transistor hiệu ứng trường (FET). Do hiệu ứng bề mặt
của dây nano silic mà các nhà khoa học đã ứng dụng để làm thay đổi độ dẫn của
FET. Khi dây silic được đặt trong dung dịch, dây silic có khả năng nhận hoặc giải
phóng proton để làm thay đổi độ dẫn. Quá trình này cũng giống như quá trình
chúng ta đặt một điện thế trên cực cổng của FET làm thay đổi độ dẫn của FET. Do

12


tỉ lệ thể tích bề mặt của dây silic lớn nên dễ dàng thay đổi độ dẫn của FET. Đó
chính là yếu tố ảnh hưởng tới độ nhạy của cảm biến kích thước nano dựa trên cấu
trúc FET [11,12,14].
Cảm biến sinh học kích thước nano để phát hiện DNA là một trong những
ứng dụng điển hình trong y học. Hình I.13 thể hiện cơ chế phát hiện DNA dựa trên
sự thay đổi độ dẫn điện của FET. Ban đầu người ta cấy một nhánh của DNA trên bề

mặt của dây nano silic. Sau đó, người ta đưa dung dịch cần xét nghiệm vào cực
cổng của transistor. Khi đó, nhánh của DNA ban đầu tự ghép đôi với DNA đích,
dẫn đến sự thay đổi độ dẫn điện của FET.

Hình I.13. sử dụng cảm biến sinh học kích thước nano để phát hiện DNA [18].
Cảm biến sinh học kích thước nano sử dụng dây silic dùng để phát hiện độ
pH trong dung dịch dựa vào sự biến đổi bề mặt của dây silic. Nếu dung dịch có độ
pH thấp, nhóm -NH2 nhận thêm proton để trở thành -NH3+. Khi đó cực cổng hoạt
động giống như đặt điện áp dương, dẫn đến làm suy yếu hạt tải (lỗ trống) trong bán
dây silic loại p, do đó giảm độ dẫn trong FET (hình I.14). Đối với dung dịch có độ
pH cao, nhóm -SiOH giải phóng proton để trở thành -SiO- là nguyên nhân làm tăng
độ dẫn của FET. Độ dẫn của FET thay đổi nhỏ đối với độ pH từ 2 đến 6 nhưng nó
thay đổi lớn khi độ pH từ 6 đến 9 [12]. Với những cảm biến dựa trên transistor hiệu
ứng trường, người ta phải chế tạo được dây nano silic nối giữa cực nguồn và cực
máng, đây là công nghệ mới yêu cầu độ chính xác cao và thiết bị hiện đại.

13


Hình I.14. Cảm biến nano FET phát hiện độ pH trong dung dịch [12].
Bên cạnh đó, môi trường cũng là nhân tố ảnh hưởng lớn đến đời sống cũng
như các thiết bị công nghiệp. Một trong các yếu tố đó chính là độ ẩm của không khí.
Sự thay đổi độ ẩm không khí làm ảnh hưởng tới những công trình nghệ thuật như
kiến trúc nhà, tranh ảnh, các thiết bị điện - điện tử…đặc biệt độ ẩm không khí ảnh
hưởng rất lớn tới thực vật và con người.

Hình I.15. Cảm biến đo độ ẩm tương đối của không khí. [13]
Ngày nay, trên thị trường đã có rất nhiều loại cảm biến đo độ ẩm với độ
chính xác cao. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu để chế tạo cảm
biến ứng dụng dây nano silic để tăng độ nhạy của cảm biến. Cảm biến hoạt động

theo cơ chế trao đổi điện tích trên bề mặt dây nano silic khi các phân tử khí bị hấp
phụ. Nó có vai trò đáng kể khi làm giảm chiều cao rào thế ở vị trí tiếp xúc của hai
dây nano silic cắt nhau (hình I.15). Kết quả cho thấy có sự thay đổi về điện trở khi
độ ẩm tương đối của không khí thay đổi [13].
I.3.3. Pin mặt trời
Trong những năm gần đây, thảm họa ô nhiễm môi trường ngày càng tăng từ
các nhiên liệu hóa thạch như than đá, xăng..., làm ảnh hưởng tới môi trường sống và
14


sức khỏe của con người. Do đó, vấn đề nghiên cứu chế tạo thiết bị sử dụng và tái
tạo năng lượng sạch không làm ảnh hưởng tới môi trường sống là yêu cầu cấp thiết,
dẫn tới một cuộc cách mạng mới về năng lượng sạch. Pin mặt trời là một trong
những nguồn năng lượng sạch được lựa chọn. Pin mặt trời được phát minh từ những
năm 1950, trải qua vài thập kỷ nghiên cứu về pin mặt trời, các nhà khoa học đã đưa
ra nhiều cải tiến và phát triển để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời. Một trong các
nghiên cứu đó, các nhà khoa học đã nghiên cứu chế tạo dây nano silic trong cấu trúc
của pin mặt trời để cải tiến hiệu suất của nó [11].
Cấu trúc điển hình của dây nano silic trong pin mặt trời (SiNWs solar cells)
được chia thành ba lớp: lớp vỏ là silic bán dẫn loại n, trong lõi là silic bán dẫn loại
p, ở giữa lớp vỏ và lõi của dây Si là lớp silic thuần (hình I.16) [15].

Hình I.16. Pin mặt trời ứng dụng dây nano silic. [15]
Pin mặt trời được thiết kế sử dụng dây nano silic cho hiệu suất chuyển đổi
năng lượng lớn, hiệu suất hấp thụ ánh sáng ~ 85% [16] lớn hơn so với sự hấp thụ
ánh sáng của silic thông thường. Với diện tích pin mặt trời sử dụng dây nano silic
trên đế kim loại thì dòng quang điện ~ 1,6 mA/cm2 .
I.3.4. Pin Lithium sử dụng dây nano silic
Ngày càng nhiều nghiên cứu về pin Li nhằm cải tiến khả năng tích điện và
tuổi thọ của pin. Pin Li cổ điển cực anốt được chế tạo bằng carbon. Theo lý thuyết

pin Li với anốt bằng Si khả năng tích điện 4200 mAh.g-1 cao hơn so với điện cực
anốt bằng carbon.

15


Hình I.17. Dây nano silic làm điện cực anốt trong pin Li. [11]
Đối với pin Li sử dụng điện cực anốt bằng Si khối, nhược điểm là thể tích
thay đổi lớn trong quá trình nạp và xả xuất hiện bột ở anốt. Còn với điện cực anốt
bằng dây nano Si, do sức căng của dây Si lớn nên ở anốt không có bụi và tiếp xúc
điện tốt. Nó có khả năng nạp, xả dung tích cao và sự suy giảm tuổi thọ của pin
chậm [11,17].
I.4. Một số phương pháp chế tạo dây nano Si
Hiện nay trên thế giới, dây nano Si đã được chế tạo bởi các nhóm nghiên cứu
với những phương pháp khác nhau: Nhóm nghiên cứu của giáo sư D. Kim thuộc
trường đại học Pohang, Hàn Quốc và K. Murakami thuộc trường Tsukuba của Nhật
Bản đã chế tạo thành công dây nano silic bằng phương pháp laser. Ngoài ra, dây
nano silic được nghiên cứu chế tạo bằng phương pháp epitaxy và phương pháp
CVD (Chemical Vapor Deposition).
I.4.1. Phương pháp laser
Phương pháp bốc bay bằng chùm laser (laser ablation) là quá trình bào mòn
bề mặt vật rắn bằng cách chiếu chùm laser vào nó. Khi cường độ chùm laser yếu,
vật liệu bị nóng lên do hấp thụ năng lượng. Khi cường độ chùm laser đủ lớn, các
nguyên tử bật ra khỏi bề mặt vật liệu và tạo thành môi trường plasma (hình I.18).
Người ta sử dụng hiệu ứng này để chế tạo dây nano silic từ nguồn vật liệu rắn giống
như phương pháp phún xạ. Tuy nhiên cơ chế tạo plasma của hai phương pháp này
hoàn toàn khác nhau.

16

Hình I.18. Sơ đồ hệ chế tạo dây nano silic
bằng phương pháp laser.[19]

Hình I.19. Ảnh TEM của dây Si
mọc bằng phương pháp laser[19]

Dây nano silic được chế tạo bằng phương pháp laser sử dụng hạt kim loại
làm xúc tác và dựa vào cơ chế VLS (hình I.19). Do các nguyên tử của bia vật liệu
được giải phóng dạng pha hơi bằng nguồn laser công suất cao, các hạt xúc tác kim
loại trên đế bị nóng chảy khi nâng nhiệt dẫn đến các tinh thể của bia vật liệu sẽ lắng
đọng và hình thành nên dây nano silic [19].
I.4.2. Phương pháp epitaxy chùm phân tử
Dây nano silic được chế tạo bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử MBE
(Molecular Beam Epitaxy) là phương pháp chế tạo dây Si trong môi trường chân
không siêu cao ~ 10-10 mbar. Khi đó, các nguyên tử Si được bốc bay lên trên đế
Si(111) (hình I.20).

17


Hình I.20. Dây Si mọc bằng Epitaxy
chùm phân tử.[20]

Hình I.21. Ảnh FESEM dây nano Silic.[20]

Trước khi tạo dây silic, một lớp mỏng vàng (Au) vài nanomet được lắng
đọng trên đế Si(111), sau đó ủ đế ở trên nhiệt độ hình thành hợp kim eutectic (AuSi). Trong quá trình ủ, màng mỏng Au bị nứt vỡ và pha trộn với các nguyên tử Si,
kết quả hình thành những giọt hợp kim Au-Si. Các giọt hợp kim này có vai trò như
các hạt xúc tác trong quá trình VLS mọc dây nano silic (hình I.21). Đối với phương

pháp Epitaxy chùm phân tử, nhiệt độ mọc dây silic trong khoảng từ 500-700 oC, tốc
độ mọc dây khoảng (1-10 nm/phút).
Ưu điểm khi mọc dây Si bằng phương pháp MBE là dây Si không bị lẫn tạp
chất, đồng thời điều khiển lưu lượng Si chính xác. Đặc biệt, chế tạo dây nano Si pha
tạp bằng phương pháp MBE có thể điều khiển chính xác lưu lượng pha tạp cần thiết.
Để chế tạo dây Si pha tạp, người ta thiết lập thêm nguồn vật liệu cần pha tạp như B
hoặc Sb... [20].
I.4.3. Phương pháp CVD (Chemical Vapor Deposition)
Dây nano silic cũng được một số nhóm nghiên cứu trong nước và trên thế
giới chế tạo bằng phương pháp CVD, với hệ chế tạo đơn giản nhưng hiệu quả mọc
dây cao. Phương pháp CVD phù hợp đối với những nước có nền kinh tế đang phát
triển. Đối với phương pháp CVD, người ta dựa vào vật liệu nguồn cung cấp cho
18


buồng phản ứng trong quá trình mọc dây mà phương pháp CVD được chia thành
các kỹ thuật mọc dây khác nhau. Kỹ thuật lắng đọng hóa học là kỹ thuật mà nguồn
vật liệu Si được cung cấp vào buồng phản ứng dưới dạng hỗn hợp khí SiH4, SiCl4,
Si2H6. Kỹ thuật bốc bay nhiệt là kỹ thuật mà nguồn vật liệu Si được cung cấp vào
buồng phản ứng từ nguồn vật liệu dạng rắn (hình I.22).

Hình I.22. Sơ đồ chế tạo dây nano Si
bằng phương pháp CVD.[20]

Hình I.23. Ảnh SEM của dây
nano Silic.[20]

Dây nano Si mọc bằng phương pháp CVD sử dụng vàng (Au) làm hạt xúc
tác trong quá trình mọc dây. Cơ chế mọc dây Si cũng theo cơ chế VLS (hơi-lỏngrắn), nhiệt độ mọc dây Si trong khoảng 800-1000 oC và giữ áp suất trong ống thạch
anh ở áp suất khí quyển. Trường hợp mọc dây nano Si ở nhiệt độ thấp 400-600 oC

thì áp suất trong ống thạch anh khoảng 10-6 mbar. Kết quả mọc dây nano Si bằng
phương pháp CVD được chỉ ra trên (hình I.23) [20].
Kết luận: Từ những tính chất và ứng dụng phân tích ở chương I, chúng tôi
thấy việc chế tạo và khảo sát tính chất của dây nano silic là một đề tài quan trọng.
Nó đóng góp vào sự phát triển chung của nền khoa học trong nước và trên thế giới.

19