Nghiên cứu tính chất quang của dây nano silic pha tạp er3+

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

Lê Thị Nụ

KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT
LIỆU

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA DÂY NANO SILIC PHA
TẠP Er3+

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGHÀNH KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

2009 - 2011
Hà Nội – 2011


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

LÊ THỊ NỤ

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA
DÂY NANO SILIC PHA TẠP Er3+

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
TS. Trần Ngọc Khiêm

Hà Nội – 2011


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................................7
TÓM TẮT LUẬN VĂN.......................................................................................................1
MỞ ĐẦU...............................................................................................................................3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO Si VÀ DÂY NANO Si:Er3+ ....................5

1.1. Tổng quan về dây nano Si..............................................................................5
1.1.1 . Cấu trúc tinh thể của Si. .....................................................................................5
1.1.2. Cấu trúc vùng năng lượng của Si ........................................................................5
1.1.3. Tính chất cơ học của dây nano silic ....................................................................7
1.1.4. Tính dẫn nhiệt của dây nano silic........................................................................9
1.1.5. Tính chất điện của dây nano silic ......................................................................10

1.2. Tổng quan về ion đất hiếm ..........................................................................15
1.2.1. Đặc trưng của các ion đất hiếm.........................................................................15
1.2.2. Sự hồi phục không bức xạ..................................................................................17
1.2.3. Tổng quan về ion Er3+ trong dây nano Si.........................................................18
CHƯƠNG II: CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU ................................................................27

2.1. Cơ chế VLS: ..................................................................................................28
2.2. Quá trình chế tạo dây nano Si.....................................................................31
2.3. Quy trình chế tạo dây nanô Silic pha tạp Er3+..........................................34
2.4. Một số phương pháp phân tích ...................................................................36
2.4.1. Phương pháp chụp ảnh SEM:............................................................................36

2.4.2. Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X: .............................................................37
2.4.3. Phương pháp chụp ảnh TEM.............................................................................39
2.4.3. Phương pháp phân tích huỳnh quang................................................................39
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................................41

3.1. Kết quả chụp mẫu với vật liệu nguồn Si + SiO2 ........................................41
3.2. Kết quả chụp mẫu với vật liệu nguồn Sil +C .............................................47
3.3. Kết quả chụp mẫu với vật liệu nguồn SiO .................................................51
3.4. Kết quả huỳnh quang sau khi ủ nhiệt ........................................................55
3.5. Kết quả khi pha tạp Er3+ vào dây nano Si .................................................56
KẾT LUẬN.........................................................................................................................61
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................62


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
XRD

Phổ nhiễu xạ tia X (X-rayDiffraction)

SEM

Hiển vi điện tử quét (ScanningElectron Microscopy)

PL

Phổ huỳnh quang (Photoluminescence)

Er3+

Ion đất hiếm (Erbium)

DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG
Danh mục hình:
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của Si ...............................................................................5
Hình 1.2. Sơ đồ vùng năng lượng của Si ....................................................................6
Hình 1.3. Quá trình uốn cong dây ...............................................................................7
Hình 1.4. Đồ thị lực tác dụng theo giá trị độ lệch.......................................................8
Hình 1.5. Đồ thị ứng suất theo sức căng. ....................................................................8
Hình 1.6. Sự phụ thuộc độ dẫn vào nhiệt độ của dây nano với đường kính khác
nhau. ............................................................................................................................9
Hình 1.7. Cấu trúc vùng năng lượng của dây nano Si ..............................................10
Hình 1.8. Sự thay đổi bề rộng vùng cấm theo đường kính dây nano Si theo các
phương (111), (100) và (110)....................................................................................11
Hình1.9. Sự dịch chuyển của khí điện tử 2d (a) và điện tử trong dây nano Si (b) ...12
Hình 1.10. Phổ Raman của SiNWs và C-Si đo ở nhiệt độ phòng với công suất
nguồn laser Ar có bước song ánh sáng kích thích 514 nm. ......................................13
Hình 1.11. Phổ Raman của dây nano Si (A) với bước sóng kích thích 514 nm và ..13
thay đổi công suất nguồn laser, (B) công suất nguồn 3 mW và bước sóng kích thích
khác nhau [22]...........................................................................................................13
Hình 1.12. Phổ huỳnh quang của dây nano silic đo ở các nhiệt độ khác nhau.......14
Hình 1.13. Đặc trưng suy hao của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng truyền........14
Hình 1.14. Giản đồ Dieke của các ion đất hiếm ......................................................16
Hình 1.15. Sơ đồ tách mức năng lượng ....................................................................17
Hình 1.16. Giản đồ năng lượng của Er3+ [14]. ..........................................................19
Hình 1.17. Mô hình truyền năng lượng cộng hưởng.................................................20
Hình 1.18. Chuyển đổi ngược từng bước..................................................................21
Hình 1.19. Quá trình kết cặp huỳnh quang. ..............................................................21
Hình 1.20. Truyền năng lượng có hấp thụ photon. ...................................................22
Hình 1.21. Sự truyền năng lượng giữa 2 ion Er3+. ....................................................22

Hình 1.22. Sơ đồ khuếch đại tín hiệu bơm ba mức [1] .............................................23
Hình 1.23. Giản đồ sự tách mức năng lượng Stark của ion Er+3,
Hình 2.1. Nguyên lý của phương pháp CVD............................................................27
Hình 2.2. Nguyên lý của kỹ thuật bốc bay nhiệt.......................................................28
Hình 2.3. Quá trình mọc dây nano Silicon theo cơ chế VLS....................................29
Hình 2.4. Cơ chế mọc dây.........................................................................................30


Hình 2.5. Hệ thống chế tạo thực nghiệm tại viện ITIMS..........................................32
Hình 2.6. Giản đồ nâng nhiệt theo thời gian. ............................................................32
Hình 2.7. Mô hình chế tạo thực nghiệm....................................................................33
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý của FESEM ....................................................................36
Hình 2.9. Nhiễu xạ tia X bởi các mặt phẳng nguyên tử............................................37
Hình 2.10. Máy nhiễu xạ tia X..................................................................................38
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý của TEM ......................................................................38
Hình 2.12. Nguyên lý phát huỳnh quang ..................................................................39
Hình 2.13. Một hệ đo phổ huỳnh quang ...............40Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1 Ảnh SEM mẫu chế tạo ở 1300oC trong thời gian 1 giờ. ...........................42
Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu chế tạo tạo ở 1300oC trong thời gian 2 giờ. ....................42
Hình 3.3 Ảnh SEM mẫu chế tạo tạo ở 1300oC trong thời gian 3 giờ. ....................43
Hình 3.4. Ảnh SEM mẫu chế tạo từ vật liệu Si:SiO2 = 3:7 cách thuyền 16 cm ở ....43
nhiệt độ 1300oC trong 4 giờ ......................................................................................43
Hình 3.5. Ảnh SEM mẫu chế tạo từ vật liệu Si:SiO2 = 3:7 cách thuyền 14 cm .....44
Hình 3.6. Ảnh SEM mẫu chế tạo từ vật liệu Si:SiO2 = 7:3 cách thuyền 14 cm. ....45
Hình 3.7. Ảnh SEM mẫu chế tạo từ vật liệu Si:SiO2 = 5:5 cách thuyền 14 cm. ....45
Hình 3.8. Ảnh TEM mẫu chế tạo từ vật liệu Si:SiO2 = 3:7 cách thuyền 14 cm .......46
Hình 3.9. Huỳnh quang mẫu chế tạo từ vật liệu nguồn Si:SiO2 = 3:7 được đo ở các
vị trí khác nhau trên đế..............................................................................................46
Hình 3.10 Ảnh SEM mẫu chế tạo ở nhiệt độ 1200oC ..............................................48
Hình 3.11. Ảnh SEM mẫu chế tạo trong thời gian 4 giờ ở nhiệt độ 1300oC với

khoảng cách 14 cm....................................................................................................48
Hình 3.12. Ảnh SEM mẫu chế tạo trong thời gian 4 giờ ở nhiệt độ 1300oC với
khoảng cách 15 cm....................................................................................................49
Hình 3.13. Ảnh TEM mẫu chế tạo trong thời gian 4 giờ với khoảng cách 14 cm....50
Hình 3.14. Phổ huỳnh quang của mẫu chế tạo với vật liệu nguồn Si –C khoảng
cách 15 cm ................................................................................................................51
Hình 3.15. Ảnh SEM mẫu chế tạo từ vật liệu nguồn SiO thuyền 13 cm ở nhiệt độ
1300oC trong 4 giờ. ...................................................................................................52
Hình 3.16. Ảnh SEM mẫu chế tạo từ vật liệu nguồn SiO thuyền 14 cm ở nhiệt độ
1300oC trong 4 giờ. ...................................................................................................52
Hình 3.17. Ảnh SEM mẫu chế tạo từ vật liệu nguồn SiO cách thuyền 15 cm.........53
Hình 3.18. Ảnh SEM mẫu chế tạo từ vật liệu nguồn SiO cách thuyền 16 cm.........53


Hình 3.19. Ảnh TEM mẫu chế tạo từ vật liệu SiO ở vị trí cách thuyền 15 cm.........54
Hình 3.20. Huỳnh quang mẫu chế tạo từ vật liệu nguồn SiO. ..................................55
Hình 3.21. Huỳnh quang đo mẫu dây Si vừa chế tạo và dây Si ủ 30 phút ở nhiệt độ
từ 700 đến 900oC.......................................................................................................55
Hình 3.22. Phổ huỳnh quang của mẫu chế tạo bằng cách đồng bốc bay. .................56
Hình 3.23. Ảnh chụp SEM bằng phương pháp rung siêu âm. ..................................57
Hình 3.24. Ảnh chụp SEM bằng phương pháp tạo Sol.............................................58
Hình 3.25. Phổ huỳnh quang của mẫu chế tạo bằng cách tạo Sol lên phiến Si . .....59
Hình 3.26. Phổ huỳnh quang mẫu pha tạp Er3+ bằng cách tạo nhỏ phủ và ủ nhiệt ở
1000oC.......................................................................................................................60
Hình 3.27. Phổ huỳnh quang mẫu pha tạp Er3+ bằng cách tạo nhỏ phủ và ủ nhiệt ở
1100oC.......................................................................................................................60


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Thông số vật lý của silic ở 300K. ...............................................................6

Bảng 2.1. Các thông số của quá trình chế tạo mẫu với vật liệu nguồn là Si + SiO2.33
Bảng 2.2. Các thông số của quá trình chế tạo mẫu lần với xúc tác là Cacbon .........34
Bảng 2.3. Các thông số của quá trình chế tạo mẫu với vật liệu nguồn là SiO..........34
Bảng 3.1 Các thông số của quá trình chế tạo mẫu với vật liệu nguồn là Si+SiO2 ....41
Bảng 3.2 Các thông số của quá trình chế tạo mẫu với vật liệu nguồn là Si + C.......47
Bảng 3.3 Các thông số của quá trình chế tạo mẫu với vật liệu nguồn là SiO...........52


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Trần Ngọc Khiêm, giáo
viên hướng dẫn - người đã định hướng, chỉ bảo tận tình giúp đỡ em trong suốt quá
trình làm luận văn tốt nghiệp.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới ThS. Phạm Văn Tuấn, người trực tiếp giúp đỡ,
chỉ bảo, cung cấp cho em những nguồn tài liệu tham khảo có ích giúp em hiểu rõ
hơn về nhiều vấn đề trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn trung tâm ITIMS đã tạo điều kiện cho em có cơ hội
được tiếp xúc, học tập, nghiên cứu và thực hành tại trung tâm.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội và các thầy cô trong Viện ITIMS trong năm qua đã dạy và hướng dẫn giúp
chúng em những kiến thức bổ ích và cần thiết.
Cuối cùng em cũng muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và người quen đã
động viên, chia sẻ và cho em những lời khuyên hữu ích giúp em hoàn thành luận
văn này.
Hà nội, ngày 20 tháng 9 năm 2011
Học Viên

Lê Thị Nụ


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung trình bày trong luận văn này không phải là sự sao
chép của luận văn, tài liệu, sách báo mà là sự nghiên cứu và tổng hợp xây dựng của
tôi. Các nội dung trong luận văn có sự tham khảo các sách báo, tài liệu, tạp chí
trong và ngoài nước. Tôi xin chịu trách nhiệm về các thông tin đề cập trong luận
văn này.

Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 20011
Người cam đoan

Lê Thị Nụ


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài:
Nghiên cứu tính chất quang của dây nanô silic pha tạp chất Er3+.
Tác giả luận văn: Lê Thị Nụ

Khóa:2009

Hướng dẫn khoa học: TS. Trần Ngọc Khiêm
Dây nano silic và nano silic có pha tạp Er3+ được chế tạo bằng phương pháp
bốc bay nhiệt với các điều kiện công nghệ khác nhau như nhiệt độ bốc bay, thời
gian bốc bay và vị trí giữa nguồn và đế. Trong luận văn này dây nano silic được chế
tạo từ ba nguồn vật liệu ban đầu là bột (Si+C), SiO và (Si+ SiO2). Dây nano silic có
pha tạp Er3+ đã được tiến hành chế tạo bằng nhiều cách khác nhau như cho bốc bay
đồng thời Er3+ ở dạng ôxit với nguồn SiO, nhỏ dung dịch etanol chứa Er3+ và
khuếch tán các ion Er3+ vào dây nano silíc chế tạo đuợc bằng phương pháp bốc bay
nhiệt, tạo sol SiO2 chưa Er3+ sau đó phủ lên đế có chứa dây nano silíc và khuếch tán
ở nhiệt độ cao.

Sau khi chế tạo dây nano silic và nano silic pha tạp Er3+ được tiến hành
nghiên cứu cấu trúc và hình thái bề mặt bằng giản đồ nhiễu xạ tia X và hiển vi điện
tử quét (SEM) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Tính chất huỳnh quang của dây
được nghiên cứu bằng phổ huỳnh quang trong vùng nhìn thấy được kích thích ở
bước sóng 325 và 442 nm bởi lage He-Cd. Từ kết quả đo cấu trúc hình thái bề mặt
nhận thấy khi tổng hợp ở nhiệt độ dưới 1300oC với các thời gian khác nhau dây
nano silic hầu như chưa xuất hiện trong cả ba trường hợp nguồn khác nhau. Từ ảnh
SEM cũng nhận thấy rằng dây nano silic chế tạo ở 1300oC trong 4 giờ và vị trí giữa
nguồn và đế từ 14 tới 15 cm cho kết quả tốt nhất, dây có đường kính từ 30 tới 50
nm có chiều dài lên tới vài micro mét gồm 2 lớp, lớp lõi là nano silic được bọc bởi
lớp SiO2 có độ dầy từ 5 tới 10 nm.
Khi so sánh kết quả thu được từ 3 loại nguồn khác nhau cũng đã xác định
dược dây nano silic chế tạo từ nguồn ban đầu là SiO cho kết quả tốt nhất. Đã quan

-1-


sát được phổ huỳnh quang của dây nano silic là một dải rộng có đỉnh ở 700 nm và
một đỉnh ở 530 nm, đỉnh ở 700 nm là do các sai hỏng ở bề mặt lõi silic và lớp vỏ
SiO2 (hiệu ứng lõi vỏ) và đỉnh ở 530 nm là do các nút khuyết oxi ở lớp vỏ tạo nên.
Chưa quan sát thấy các đỉnh đặc trưng của Er3+ trên các dây nano silic có pha tạp
Er3+ mà chúng tôi đã chế tao.

-2-


MỞ ĐẦU
Nhu cầu thông tin liên lạc đã trở thành phần không thể thiếu trong cuộc sống
của con người, và ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện
đại như ngày nay. Hiện nay hệ thống thông tin quang là loại tiên tiến nhất được các

nước trên thế giới sử dụng nhằm thu được chất lượng dịch vụ viễn thông tốt nhất.
Silíc là loại vật liệu được dùng phổ biến để chế tạo các linh kiện điện tử và các
cảm biến. Ngày này việc tích hợp các mạch điện tử, các cảm biến, các bộ phận chấp
hành trên cùng một linh kiện điện tử đang được quan tâm nghiên cứu theo hướng
phát triển ứng dụng.
Sợi nano silic pha tạp Er3+ là loại vật liệu có thể ứng dụng trong các mạch tích
hợp quang điện. Loại vật liệu này có khả năng truyền dẫn và khuếch đại quang ở
bước sóng 1530 nm và đồng thời có sự tương hợp tốt với các thành phần khác trong
linh kiện do đều có vật liệu nền là silic.
Có nhiều phương pháp khác nhau có thể chế tạo được dây nano silic như các
phương pháp tổng hợp hóa học, phương pháp quang khắc, phương pháp lắng đọng
hóa học ở pha hơi (CVD),…
Trong nghiên cứu này chúng tôi nghiên cứu chế tạo dây nano silic và dây nano
silic có pha tạp Er3+ bằng phương pháp bốc bay nhiệt với các mục tiêu cụ thể như
sau:
+ Nghiên cứu chế tạo dây nano silic, dây nano silic pha tạp Er3+
+ Nghiên cứu cấu trúc của dây nano silic.
+ Nghiên cứu tính chất huỳnh quang của vật liệu
Để thực hiện được các mục tiêu này luận văn được tiến hành theo các nội dung
như sau:
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ DÂY NANÔ Si VÀ DÂY NANÔ Si:Er3+
-

Nghiên cứu tổng quan về vật liệu silic,

-

Vật liệu nano silic,

-

Tổng quan về các ion Er3+

-3-


-

Các tính chất vật liệu silic, nano Si và ion Er3+ trong loại mạng nền khác
nhau.

Chương 2: CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU
-

Nghiên cứu chế tạo dây nano silic với các điều kiện công nghệ khác nhau.

-

Nghiên cứu cơ chế mọc dây.

-

Nghiên cứu các phương pháp kiểm tra cấu trúc và tính chất quang của vật
liệu

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.
-

Kết quả chụp ảnh hiển vi điện tử quét.

-

Phổ huỳnh quang

-

Kết quả chụp ảnh TEM.

-

Kết luận

-4-


CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO Si VÀ DÂY NANO Si:Er3+
1.1. Tổng quan về dây nano Si
1.1.1 . Cấu trúc tinh thể của Si.
Cấu trúc tinh thể dạng phổ biến của Si có dạng mạng kim cương (lập phương
tâm mặt), mỗi nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si khác tạo thành một tứ diện
đều với một nguyên tử Si nằm ở tâm của tứ diện.

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của Si
Sự sắp xếp các nguyên tử trong ô mạng cơ bản theo quy luật nếu mỗi nút
mạng có một nguyên tử thì tương ứng có một nguyên tử khác nằm cách nguyên tử
đó một khoảng bằng 1/4 đường chéo chính của ô mạng cơ bản. Như vậy có thể xem
như cấu trúc của tinh thể Si gồm hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào nhau. [3]
1.1.2. Cấu trúc vùng năng lượng của Si:
Cấu trúc vùng năng lượng của silíc 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.
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 1.2 thể hiện cấu trúc vùng
năng lượng của Si với các vùng còn theo hai phương <111> và <100>.

-5-


Hình 1.2. Sơ đồ vùng năng lượng của Si
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.
Bảng 1.1. Thông số vật lý của silic ở 300K.
Thông số cơ bản

Si

Nguyên tử số

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

-6-

Đơn vị

eV


Hằng số mạng

5,43102

Å

Nhiệt độ nóng chảy

1412

o

Độ linh động của điện tử

1450

cm2/ v.s

Độ linh động của lỗ trống

505

cm2/ v.s

C

1.1.3. Tính chất cơ học của dây nano silic
Việc 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 hiển vi lực nguyên
tử (AFM) sử dụng để xác định tương mối hệ lực – dịch chuyển của dây nano Si đơn.
Dây nano Si được gắn lên đầu dò sau đó dây nano Si được bẻ cong bằng cách đẩy
đầu dò ấn xuống cantilever. Từ sự dịch chuyển của Cantilever và lực tác dụng có thể
tính toán và đưa ra trạng thái cơ học của cantilever. Sự dịch chuyển này biểu thị bởi
khoảng cách giữa 2 điểm cuối của dây. Hình 1.3 mô tả chi tiết quá trình này
Hai đầu dây được gắn vào đầu tip và cantilever. Chiều dài dây là Lo, khoảng
cách thẳng giữa 2 điểm cuối dây (L) được sử dụng để đặc trưng cho tác động làm
cong dây

Hình 1.3. Quá trình uốn cong dây
Một điều quan trọng để chắc chắn rằng dây nano Si được định hướng vuông
góc với hướng của chùm điện tử để đảm bảo không có sự dịch chuyển ngầm nào
khác dọc theo hướng chùm điện tử. Đây là yếu tố quan trọng để có thể đo đạc một
cách chính xác.

-7-


Kết quả ta thu được là đồ thị biểu diễn lực tác dụng (được đo thông qua độ lệch của
cantilever) so với giá trị tuyệt đối |Lo – L| Lực tới hạn Pcr là lực tác dụng mà khi tác
dụng một lực lớn hơn thì biến dạng cong xảy ra và đường đặc trưng trở thành phi
tuyến. Khi đạt giá trị tới hạn, một lực rất nhỏ cũng làm cho dây bị cong. Dây sẽ trở
lại hình dạng ban đầu khi lực tác dụng không còn.

Hình 1.4. Đồ thị lực tác dụng theo giá trị độ lệch

Cũng có thể tính toán đường cong ứng suất và sức căng trên cơ sở những tính
toán từ trên. Có thể coi sức căng là xấp xỉ đồng nhất và dây nano sẽ trở thành nửa
hình tròn tại điểm biến dạng lớn nhất.

Hình 1.5. Đồ thị ứng suất theo sức căng.
Ứng suất được biết đến như một hàm của lực tác dụng (F) và diện tích mặt cắt
của dây nano (A): ứng suất = F/A; sức căng được xem như là hàm của đường kính
(d) và bán kính cong (R): sức căng = d/2R. Tại điểm đàn hồi lớn nhất, với sức căng
của dây là 1.5% lớn hơn nhiều so với 0.2% của các loại vật liệu kim loại điển hình.
Modul đàn hồi của dây được xác định bằng cách tác dụng lực dọc theo các
hướng khác nhau, nguyên lý giống như AFM. Đầu tiên, dây nano Si được gắn lên
mũi dò và đầu cantilever của AFM, sau đó Si bị làm cong bằng cách di chuyển mũi

-8-


dò song song với cantilever làm cho cantilever bị uốn cong do lực tác động nằm
ngang tạo ra bởi dây nano. Modul đàn hồi được tính bởi:
E = kLo3/3Io
với k : hằng số đàn hồi
Lo : chiều dài dây
Io : momen quán tính [20]
1.1.4. Tính dẫn nhiệt của dây nano silic
Những nghiên cứu lý thuyết cho rằng, với những dây nano Si có đường kính
nhỏ hơn 20nm, sự phân tán của các phonon có sự thay đổi là do sự giam giữ
phonon, điều làm cho vận tốc của nhóm phonon giảm đáng kể so với vật liệu ở dạng
khối. Kết quả tiến hành thực tế chỉ ra rằng, độ dẫn nhiệt của dây nano Si thấp hơn
nhiều so với giá trị tương đương dạng khối, cái được cho là do sự tăng lên của tán xạ
phonon vùng biên.

Hình 1.6. Sự phụ thuộc độ dẫn vào nhiệt độ của dây nano với đường kính
khác nhau.
Từ hình 1.6 ta thấy khi đường kính của dây giảm thì độ dẫn nhiệt cũng giảm
theo một cách tương ứng. Điều đó chứng tỏ rằng tán xạ tăng cường vùng biên có
ảnh ưởng mạnh mẽ tới sự vận chuyển các phonon trong dây nano Si. Với các dây có
đường kính 37 nm, 56 nm, 115 nm thì độ dẫn nhiệt đạt giá trị lớn nhất tại 210K,
160K và 130K. Sự dịch của các đỉnh gợi ý rằng, tán xạ phonon vùng biên (yếu tố
làm giảm độ dẫn nhiệt khi tăng nhiệt độ) là chiếm ưu thế hơn so với tán xạ phononphonon.

-9-


Ở vùng nhiệt độ thấp (20K- 60K) đường biểu thị độ dẫn nhiệt của dây nano
đường kính 115 nm 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 ngoài cơ chế tán xạ phonon
vùng biên thì còn nhiều hiệu ứng khác cũng đóng vai trò quan trọng.[9]
1.1.5. Tính chất điện của dây nano silic
Vật liệu khối silíc có cấu trúc vùng năng lượng dạng vùng cấm xiên. Còn vật
liệu nano silíc do hiệu ứng giam giữ lượng tử nên các trạng thái điện tử bị lượng tử
hóa dẫn đến dây Si có cấu trúc vùng năng lượng dạng vùng cấm thẳng.

Hình 1.7. Cấu trúc vùng năng lượng của dây nano Si [6]
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 [6].
Kích thước của dây silíc giảm xuống cỡ nano làm các mức năng lượng lượng
tử hóa tăng, do đó năng lượng tổng cộng của vùng cấm tăng. Bề rộng vùng cấm của
dây nano Si tăng khi đường kính dây giảm và bề rộng vùng cấm theo các hướng
tinh thể khác nhau là khác nhau [6, 22].

Các nhà khoa học đã nghiên cứu và nhận thấy rằng khác với Si ở kích thước thông
thường, cấu trúc vùng năng lượng của dây nano Si có dạng vùng cấm thẳng.

- 10 -


Trong vùng hóa trị có sự xáo trộn đáng kể và chia nhỏ của vùng lỗ trống.
Trong vùng dẫn, độ uốn giảm trung bình theo khối lượng vận động dọc trục
của dây nhưng sự giam giữ lượng tử làm tăng khối lượng truyền qua của bờ vùng
dẫn. Sự giam giữ lượng tử có ảnh hưởng lớn nhất lên khối lượng hiệu dụng vùng
hóa trị. So với Si dạng khối, khối lượng hiệu dụng bờ vùng hóa trị lớn hơn ít nhất là
6 lần. Sự chia cắt năng lượng nhỏ cũng xảy ra tại đáy vùng dẫn.

Hình 1.8. Sự thay đổi bề rộng vùng cấm theo đường kính dây nano Si theo
các phương (111), (100) và (110). [3, 22]
Vùng cấm của dây mở rộng do hiệu ứng giam giữ lượng tử. Có thể thấy rõ sự
thay đổi năng lượng vùng cấm vào chiều dày (đường kính) của dây. [23]
Sự chuyển dịch điện tử trong dây nano Si:
Sự dịch chuyển các điện tử trong dây nano Si được xem xét thông qua việc
tính toán các cơ chế tán xạ chủ yếu như tán xạ phonon âm, tán xạ phonon quang
không phân cực, tán xạ độ nhám bề mặt. Hiệu ứng giam giữ phonon không được xét
đến.
Để thu được các kết quả vĩ mô, người ta tiến hành theo 2 bước: (1) giải
phương trình Poatxong và phương trình tự hợp Schrodinger và (2) giải phương trình
vận chuyển Boltzman sử dụng phương pháp mô phỏng Monte–Carlo.
Kết quả mô phỏng được kiểm tra thông qua việc vẽ đồ thị sự chuyển động của
điện tử với dây nano bề rộng 30 nm và so sánh với chuyển động của khí điện tử 2d.
Có thể xem các điện tử trong dây nano 30 nm như các khí điện tử 2d vì sự giam hãm

- 11 -

theo chiều rộng là rất yếu. Kết quả này khá phù hợp với dữ liệu thực nghiệm mặc dù
dữ liệu mô phỏng được cho là cao hơn của sự di chuyển tại giữa vùng điện trường
ngang. Sự sai khác này là do thực tế có sự giam giữ phonon (điều mà ta xem như là
không đáng kể) và làm cho giá trị sự dịch chuyển thấp hơn tại nơi mà phonon được
ưu tiên vận chuyển (vùng trường hiệu dụng giữa).
Tán xạ độ nhám bề mặt giảm cùng với sự giảm bề rộng, giới hạn độ linh động
phonon cũng giảm với sự giảm bề rộng được cho là sự tăng lên của sự chồng chập
hàm sóng điện tử. [18]

(a)

(b)

Hình1.9. Sự dịch chuyển của khí điện tử 2d (a) và điện tử trong dây nano Si (b)
Nano silíc có cấu trúc vùng cấm thẳng nên tính chất quang rất khác so với silíc
ở dạng khối. Kết quả phân tích phổ Raman của mẫu dây nano Si có đường kính
khoảng 10 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). Silíc đơn tinh thể có đỉnh phổ ở 520,2
cm-1, còn dây nano Si có đỉnh phổ Raman ở 516,2 cm-1 ở hình 1.5 [17]. Sự dịch phổ
này được giải thích do sai hỏng và hiệu ứng giam giữ lượng tử của các phonon
quang bởi các biên dây nano Si khi giảm kích thước của dây [7, 12, 13].

- 12 -


Hình 1.10. Phổ Raman của SiNWs và C-Si đo ở nhiệt độ phòng
với công suất nguồn laser Ar có bước song ánh sáng kích thích 514 nm [7].
Sự dịch đỉnh phổ của dây nano Si còn phụ thuộc vào bước sóng kích thích và

công suất nguồn laser. Với bước sóng kích thích 514 nm và công suất nguồn laser
từ 0,02 mW đến 2,50 mW, đỉnh phổ dịch về phía tần số thấp khi công suất nguồn
laser tăng (hình 1.6a). Khi thay đổi bước sóng kích thích 514, 633 và 785 nm và giữ
công suất nguồn laser khoảng 3 MW thì bước sóng kích giảm thì đỉnh phổ cũng
dịch về phía tần số thấp (hình 1.6b) [12].

Hình 1.11. Phổ Raman của dây nano Si (A) với bước sóng kích thích 514 nm và
thay đổi công suất nguồn laser, (B) công suất nguồn 3 mW và bước sóng kích thích
khác nhau [22]

- 13 -


Phổ huỳnh quang PL (Photoluminescence) của dây nano Si được đo ở các
nhiệt độ thấp khác nhau. Kết quả phân tích phổ huỳnh quang cho thấy xuất hiện hai
đỉnh ở 455 nm và 525 nm thuộc vùng ánh sáng màu xanh.

Hình 1.12. Phổ huỳnh quang của dây nano silic đo ở các nhiệt độ khác nhau [17]
Sự xuất hiện các đỉnh phổ này liên quan đến sự phát xạ tái hợp của các tâm sai
hỏng ở lớp ôxít của dây nano Si, sự phát quang này giảm nhanh khi nhiệt độ tăng
[17]. Phổ huỳnh quang PL (Photoluminescence) của dây nano Si được đo ở nhiệt độ
phòng là thuộc vùng ánh sáng đỏ trong khoảng 500 nm đến 900 nm (tương ứng 3,1
eV đến 1,38 eV) với đỉnh phổ tại vị trí ứng với bước sóng 700 nm (tương ứng 1,77
eV).
(dB/Km)
1440

950
1240
T¸n x¹

Rayleigh
1300

1550

Bước sóng nm

Hình 1.13. Đặc trưng suy hao của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng truyền.[11]

- 14 -


Hình 1.13 biểu diễn đường đặc trưng độ suy hao của sợi quang. Trên đường
này có ba cực tiểu ứng với ba cửa sổ thông tin quang (cửa sổ thông tin quang là
vùng sợi quang hoạt động tốt, vùng có độ suy hao nhỏ nhất) có độ suy hao khác
nhau:
+ Cửa sổ 850 nm có độ suy hao cỡ 2→3 dB/Km ở những sợi quang chế tạo
trong giai đoạn đầu, nhưng với kỹ thuật hiện nay suy hao quang này chưa phải là
thấp nhất.
+ Cửa sổ 1300 nm có độ suy hao 0,4→0,5 dB/Km, đặc biệt khi đó độ tán sắc
là rất thấp nên bước sóng này được sử dụng khá rộng rãi.
+ Cửa sổ 1550 nm là vùng mất mát thấp nhất có độ suy hao cỡ 0,2 dB/Km,
thấp hơn cửa sổ 1300 nm nhưng độ tán sắc lại cao hơn. Người ta cố gắng giảm suy
hao quang thấp nhất trong vùng này để áp dụng rộng rãi trong tuyến cáp quang. Đặc
biệt vùng này bao trùm dải phổ huỳnh quang cơ bản của iôn Er3+. Đây là lý do tại
sao nguyên tố đất hiếm Erbium lại được dùng phổ biến để pha tạp vào trong sợi
quang.
1.2. Tổng quan về ion đất hiếm
1.2.1. Đặc trưng của các ion đất hiếm
Các nguyên tố đất hiếm được chia làm 2 nhóm: họ Lantanit có số nguyên tử

từ 57→71 và họ Actinit có số nguyên tử từ 89→103 trong bảng hệ thống tuần
hoàn. Trên thực tế chỉ có họ Lantanit được pha tạp vào làm tăng đặc tính quang
của các bộ truyền dẫn.
Cấu hình electron chung của các Lantanit.
1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 3d10 4S2 4P6 4d10 4fn 5S2 5P6 5dm 6S2
Trong đó: n thay đổi từ 0 đến 14
m chỉ nhận các giá trị là 0 hoặc 1
Lớp 4f nằm gần lõi hạt nhân nguyên tử nên có những đặc tính quan trọng
như: phát xạ và hấp thụ ở dải sóng hẹp, thời gian sống ở các trạng thái giả bền
cao, các chuyển mức phát xạ ra photon có bước sóng thích hợp trong truyền dẫn
quang. Lý thuyết giải thích cho hiện tượng này được đưa ra lần đầu tiên bởi
M.Mayer và cộng sự vào năm 1941. Ông đã tính toán cấu trúc nguyên tử của các

- 15 -