Khảo sát tính chất quang và điện của màng A1N được chế tạo bằng phương pháp phún xạ phản ứng DC (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
––––––––––––––––––––––

NGUYỄN THỊ KHÁNH LINH

KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG VÀ ĐIỆN CỦA
MÀNG AlN ĐƢỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƢƠNG PHÁP
PHÚN XẠ PHẢN ỨNG DC

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Thái Nguyên - 2019


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
––––––––––––––––––––––

NGUYỄN THỊ KHÁNH LINH

KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG VÀ ĐIỆN CỦA
MÀNG AlN ĐƢỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƢƠNG PHÁP
PHÚN XẠ PHẢN ỨNG DC
Ngành: Quang học
Mã số: 8.44.01.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐẶNG VĂN SƠN

Thái Nguyên - 2019


ỜI CAM ĐOAN

T i i
h

g

h

h

Nh
h

h

N
n i

h

h hi
g

h ghi

TS Đ g V

g

a
gi

g

g

g

i
h

S

i

g h

h

h

h

h

i g

g ghi

g

i

h h

i

ghi

gi

i

g h

i i h

i i
h

h
h hi

h

Thái Nguyên ng
Họ vi

i

th ng n m

h


ỜI CẢM ƠN
T i

g

h h
g

ih
g

i
g
g N

h

ih

h h

i

i

h h

h

g g

i

TS Đ g V
g

h

g

ĐHKHTN - ĐHQG H N i

i

h
S

-

N
g Th

Th h T
T i
h
g

V
i

g i

i

h

g gh

i

i

V X

g ĐH Kh
h

h

h

ii

H

h
i

h

ĐH Th i Ng
g

h

g
h

g


MỤC LỤC

L I AM ĐOAN .............................................................................................. i
L I

M ƠN ................................................................................................... ii

ANH M

K HI U

ANH M

VI T T T ..................................... v

NG............................................................................... vi

ANH M
M

H

H NH H NH V

NH H P Đ TH ..................... vii

ĐẦU .......................................................................................................... 1

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................... 4
g

1.1. Hi u

i n ........................................................................................ 4

1.2. V t li

i n .......................................................................................... 6

1.3. V t li

i n không ch a chì................................................................. 8

1.4. Aluminium Nitride – Nhôm Nitride......................................................... 11
1.5. Ứng d ng c a hi u
1.6. Ph

g

i n ............................................................... 14

ng pháp phún x ............................................................................... 17

CHƢƠNG 2: QUY TRÌNH VÀ THỰC NGHIỆM .................................... 19
2.1. Ti n hành ch t o màng m ng AlN bằng ph

ng pháp phún x ph n

ng DC ............................................................................................................ 19
2.1.1. Quy trình làm s h
2.1.2. Lắ g

........................................................................... 19

ng màng m ng AlN bằng ph

g h

ng phún x ph n

ng DC ............................................................................................................ 19

2.2. Các ph

ng pháp kh o sát v t li u .......................................................... 20

2.2.1. Phổ truy n qua – h p th quang h c UV-Vis ....................................... 21
2 2 2 Phé
2 2 3 Phé

hiễu x tia X – XRD.............................................................. 25
R

2.2.4. Kính hi
2.2.5. Phổ tán x

..................................................................................... 27
i i n t quét (SEM) ........................................................... 28
g

ng tia X – EDX ..................................................... 29

iii


2.2.6. Hi u ng Hall ........................................................................................ 30
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 33
hổ nhiễu x tia X.................................................................. 33

3.1. K t qu
3.1.1. Kh o sát s

nh h

ng c a áp su t ....................................................... 33

3.1.2. Kh o sát s

nh h

ng c a công su t ................................................... 35

3.1.3. Kh o sát s

nh h

ng c a n g

khí N2 .......................................... 37

3.2. Tính ch t quang c a màng m ng AlN ..................................................... 38
3.2.1. Các k t qu

hổ h p th UV-Vis ..................................................... 38

3.2.2. Các k t qu

hổ truy n qua .............................................................. 41

3.2.3. K t qu
3.3. K t qu

hổ Raman .......................................................................... 43
S M

X

a màng m ng AlN ...................................... 44

3.3.1. nh SEM c a màng m ng AlN ............................................................ 44
3.3.2. K t qu phân tích EDX c a màng m ng AlN....................................... 45
3.4. Tính ch

i n c a màng m ng AlN ........................................................ 46

KẾT LUẬN .................................................................................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 49
PHỤ ỤC ....................................................................................................... 52

iv


ANH MỤC CÁC

HIỆU CÁC CH

MEMS Microelectromechanical systems (H

VIẾT TẮT

i

i nt )

AlN

Aluminium nitride

Ar

Argon

DC

Direct current

PZT

Lead Zirconate Titanate (Chì Zeconi Titan Oxit _ PbZrTiO3)

DI

Deionized Water Ion – N

SEM

Scanning Electron Microscope (Kính hi

XRD

X-ray diffraction (Nhiễu x tia X)

MFC

Mass flow controller (B

EDS

Energy dispersive spectroscopy (Phổ tán sắ

g i n 1 chi u)

c kh ion

i u khi

i i n t quét)

ng)

FWHM Full Width at Half Maximum Đ bán r ng)

v

g

ng)


ANH MỤC CÁC ẢNG

B ng 1.1. Tính ch

B ng 1.2. Ư

i n c a m t s v t li

i m và nh

i n ................................ 11

i m c a m t s ph

ng pháp lắ g

ng

màng m ng .................................................................................... 17
B ng 3.1. D li u chuẩn JCPDS (s 08-0262) c a AlN ................................. 35

vi


DANH MỤC CÁC H NH H NH V
Hình 1. 1. S

g

mô t Hi u
g

Hình 1.2. Hi u

THỊ

i n .............................................................................. 5

i n trong tinh th th ch anh ............................................................. 6
i n không ch a chì có c u trúc peroveskite ....................... 8

Hình 1.3. Ô m ng c a g

Hình 1.4. Ô m ng c s ki u l p ph
c s ki u t ph

ng c a PZT

ng b bi n d ng

d

trên nhi
i nhi

Curie (1). Ô m ng
Curie (2) ........................... 9

i n c a ZnO. A) Mô hình nguyên t c a ZnO có c u trúc

Hình 1.5. C ch
W

ẢNH CHỤP Đ

zi e

Đi n th Piezo khác nhau trong các tr

là kéo dãn hay nén. C) Tính toán s l
dây nano ZnO d

ng phân b

i d ng bi n d ng tr c c. D) C

ng h p l c tác d ng
i n th
ú

i n trong
g

g

ng. ... 10

Hình 1.6. (a) C u trúc tinh th ; (b) Liên k t B1 và B2; (c) C u trúc tinh th v i liên k t
B1 và B2; và (d) Các m t phẳng khác nhau c a AlN....................................... 12
ú

Hình 1.7. C
H h 18 N g

g

g
h

ng có th

cl

ng c a AlN ..................................................................... 13
c t c th ng

g
ú

ng, nh ng con s

ng trung bình. ...................................................................................... 14

Hình 1.9. C u trúc thi t b chuy

Hình 1.8. C

i khi ho

ổi i

g

g

i n d ng cantilever

i n và b) s d ng m t l

d ng 2 l
h

g

ng cỡ mm g m 2 l

PZT

i n [26] ........... 16

c bẻ cong và c y vào

gót gi y. .......................................................................................................... 16
Hình 1.9. Nguyên lý c a quá trình phún x ......................................................................... 18
Hình 2.1. S

nguyên lý phún x ph n ng DC ............................................................... 20

Hình 2.2 a) Máy quang phổ h p th m t chùm tia, b) Máy quang phổ h p th hai
chùm tia ........................................................................................................... 22
hổ h p th ........................................................................................... 22

Hình 2.3. S

g h

Hình 2.4. Ph

T

P

h

r ng vùng c m ........................................... 24

c a v t li u bán d n ............................................................................................................. 24
Hình 2.5. M

g hổ h p th UV-Vis UV 2450 t i Trung tâm Khoa h c V t
li u – Đ i h c Khoa h c T nhiên Hà N i ..................................................... 25

Hình 2.6. Minh h

nh lu t Vulf-Bragg ........................................................................... 26

Hình 2.7. H XRD D8 Advance–Bruker t i Đ i h c Khoa h c T nhiên Hà N i .............. 26
Hình 2.8. Kính hi
tr

i i n t quét (SEM), vi n tiên ti n Khoa h c và Công ngh g Đ i h c Bách Khoa Hà N i ................................................................. 29

vii

hé

Hình 2.9. S

hi u ng Hall ............................................................................... 31

Hình 3.1. Phổ nhiễu x tia X c a màng m ng AlN v i áp su t t 6.10-3

n 1,5.10-3

Torr.................................................................................................................. 33
Hình 3.2. (a) FWHM c
màng m

nh AlN (002) và (b) kích th

gAN

c lắ g

c tinh th AlN c a các

ng v i các áp su t phún x khác nhau ............ 34

Hình 3.3. Phổ XRD c a màng m ng AlN v i i u ki n công su
Hình 3.4. (a) FWHM c
m

gAN

nh AlN (002) và (b) kích th
c lắ g

h

ổi ....................... 36

c tinh th AlN c a các màng

ng v i các công su t phún x khác nhau .................. 37

Hình 3.5. Phổ XRD c a màng m ng AlN v i i u ki n n

g

khí N2 23% và 33% ...... 38

Hình 3.6. Phổ h p th c a màng m ng AlN v i công su

h

ổi t 60W

Hình 3.7. Phổ h p th c a màng m ng AlN v i i u ki n áp su
Hình 3.8. Phổ h p th c a màng m ng AlN v i n

g

N2 h

h

ổi ........................ 40

ổi ................................ 40

Hình 3.8 . Phổ truy n qua c a màng m ng AlN v i công su t ngu
60W

n 120W ..... 38

h

ổi t

n 120W ............................................................................................... 41
h

Hình 3.9. Phổ truy n qua c a màng m ng AlN có áp su

Hình 3.10. Phổ truy n qua c a màng m ng AlN có n

ổi t 6
g

n 7,510-3 Torr ......... 42

khí N2 h

ổi t

23% và 33% ................................................................................................... 42
Hình 3.11. Phổ Raman c a màng m ng AlN lắ g

g

silicon .............................. 43

Hình 3.12. nh SEM b m t c a màng m ng AlN ............................................................. 44
H h 3 13 Đ dày c a màng m ng AlN phún x

công su t khác nhau. (a) 60W, (b)

80W, (c) 100W và (d) 120W .......................................................................... 44
Hình 3.14. S ph thu c c

dày màng m ng AlN v i công su t phún x .................... 45

Hình 3.15. Phổ EDS c a màng m ng AlN

i u ki n phún v i công su t 100W, th i

gian phún x 60 phút và áp su t phún x 6.10-3 Torr ...................................... 46

viii


M

ĐẦU

Lý do chọ đề tài
Th i gian g

i

t li

c quan tâm nghiên c u r t nhi u

trên th gi i và t i Vi t Nam [1] b i nh ng tính ch

c bi t c a nó có th áp
ổi

d ng trong vi c ch t o sensor siêu âm, ch t o thi t b chuy
- i n [1]. Tuy nhiên, các v t li

i

phù h p cho v t li u kh i h PZT

TO…

màng m g

h g h

g h

h

ph c v cho các ng d ng d g

g

ng

ng

d ng g m

ch t o thành d ng

g h

e

h

hi t b

h Z Oh

AN h

micro MEMS.
i nm i

Trong s các v t li
AN

hú ý h

c th nghi

i nv

b ih s

c bi t vi c ch t o màng

AlN không quá khó, ngoài ra màng m ng AlN còn th hi n tính bán d n vùng
i n [1].

c m r ng r t phù h p cho các ng d ng quang h
Mụ đí h
- Ch t
ki n t i

ge i

: Nhi

,n

g

AN

Si

h y tinh v i

i u

khí N2, công su t ngu n 1 chi u

- Kh o sát s ph thu c c a các tính ch

g

i n c a màng AlN

i u ki n ch t o .
Đối tƣợng
Các

g

i n không chì d ng AlN
gAN

d ng c
Phƣơ g pháp
Các l
i u ki

h

tinh th
ki

i n sẽ
h

Si. Ti
ct i

h

d ng epitaxy ho c

th y tinh.
c phún x v i

h

Si

t, công su
he

g
c trên.

Kh o sát sau khi ch t o m u
+ C u trúc:

1

dày cỡ t 1 µ
t
p sẽ

ge i

n 2 µm v i các
h

c ch t o v i

g
g i u


•

X-ray: Kh o sát c u trúc tinh th c a màng

•

SEM: Kh o sát b m t c a màng
g: Đ

+ Tính ch

i n:

+ Tính ch
•

Đ d

i n [2]: Đ

su t ngu n 1 chi u l
•

Đ

•

Phé

hổ truy n qua, phổ h p th , phổ tán x Raman
i

d

i n tr su t c a màng khi công

t là 60W, 80W, 100W và 120W

i n tr su t c a màng m ng [2]: Ph
H

g

g h

g h

i

h t t i và lo i bán d n.

Nội dung
Đ tài này sẽ t p trung vào vi c kh o sát và ch t
h

4

c màng AlN bằng

t lý s d ng phún x DC có ph n ng t bia Al nguyên ch t

g i u ki n thí nghi m t i Phòng thí nghi m trung tâm N

N g

ng

(NEC) Đ i h c Khoa h c T nhiên Hà N i.
S d

g h

A

h

g h
g h

h

ng phún x

hú

g h

trong bu ng phún x
(Ar) và khí ph n

hú
ắ g

i A

v i v t li

1 chi u DC. Trong ch t o màng AlN, ph n
gh i

t lí v i vi c bổ sung ph n ng khí

tổng h p các màng ghép. M t s k t h p c

g

im tt l

c ki m soát b i b

ng (MFC). K t qu là màng m g

khi

h h

h
i u

c t o ra thông qua m t hóa

ch t ph n ng. Al ph n ng v i khí N2 t o thành các c m Nhôm nitrit và bám
dính trên b m

[3].

- Kh o sát c u trúc màng AlN ph thu c n g

N2 t 23 - 33%, công

su t ngu n 1 chi u t 60 - 120 W
- Kh o sát tính ch

i n.

- Kh o sát tính ch t quang.
Ý ghĩa đề tài
Khi h
g
i

ẽ

h

h

g

gAN

i

i

he
2

h

h h
h

h

ghi


M gAN ẽ
h

g

ổi M MS M g A N
i

gi

c công b

hi h
h

g

h

g

ge i

g

h

i công su
a trên các v t li u không chì.

3

i
ẽ

g

g

hi
g

ghi

h


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
g

Trong nh

g

hi t b
g

theo dõi s c kh e có th c
i n t l n nghiên c

i n t có th

h

g h S
g

c r t nhi u hãng

g A

g i

hi

h

g

h h

ii e h

i

g

g

h

g h hi u

trên các hi u

g i

c nghiên c u nhi

g

ổi

h

g

g

g

ng t
g

g

g

u
ghi

u

[5,6], d a

i n [8].
g

ng d a trên hi u

gi n trong c

b is

ổi

i ug n

hú ý h

g i n t [7] hay hi u

Tuy nhiên, các thi t b chuy

i

e

[4,5]. T

c bi t trong các th p kỷ g

ổi t

chuy

i

e Mi fi … Đ i

h

i thì vi

h g h , vì th các nghiên c u v thi t b chuy
g

c, hay thi t b

i là nh ng thi t b

v i các thi t b theo s c kh e có th c
h

e

ú

g h

i n
ễ ng

d ng trong s n xu t công nghi p.
Các v t li
h

g

c s

c nghiên c u là PZT (PbZrTiO3) b i hi u

gi n. Tuy nhiên trong PZT có kim lo i h
g

g

g

Hi u

g

m t ng su

ng gây lo ng i cho
g

ng d a vào c u

c phát tri n.

i h h , có kh
h

Curies phát hi n l
Hi
âm ho

g
u tiên vào nh

i n th

g

i n th khi ch

c l i. Hi u
g

h

m t s lo i v t li
g

ng

ng c a

c Jacques và Pierre

1880 [9].

c tỷ l thu n v i l c tác d ng và có th nh n giá tr

g h thu c vào l
g

Hi u ng này g i là hi u

h

h

ổi

i n là hi u ng quan sát th y

d ng g m ho

li

i n l n và v t li u

Hiệu ứ g áp điện

1.1.

g

ng

i c nghiên c u các v t li u

m i không chì ng d ng vào các thi t b chuy
ú M M

g

g

P

an toàn khi s d g

i dùng v m

ổi

d ng trong các thi t b chuy

ng lên nó là l c kéo dãn hay l c nén.
i n thu n. M

hi u
hi

i Gabriel Lippmann, ông phát hi
i n vào trong m

i

g

t

i n th h

h h

ổi, có th kéo dài ra ho c co ngắn l i tùy thu c vào chi u c
4

g

i n

tm tv t

c c a v t li u
i

ng

[10] h h h 1 1

Đ n nh

g

a th kỷ 20

rằng trong 32 l p tinh th thì có t i 20 l p tinh th
t o ra hi u

g

i n. Các tinh th

g

i

g

i ta nh n th y

nh là có kh

u là h tinh th

g

h g

i

e

ỡng c c

x ng [11].
Hi u

i

n s xu t hi n c

bên trong v t li u. Ở i u ki
i

trong tinh th c a v t li
l n bằ g h
g

k m t tinh th
hh
h
m

h

ng ng

hi

g g i
Khi

m t ph

i

gh

g

h

i

g

i t, m t h h i i n tích

c g i là m
ỡng c

u ch

h

i x ng và tri t tiêu l n nhau

Nh

i

ỡng c

i n. B t

i n song song v i nhau và

Đ t o ra s phân c c trong m t tinh th c
h

ng các domen bằng cách phân c
i

g

c sắp x

tr g h i

làm cho v t li u luôn
i

h h

hh

hú g Đ

g

e

nh

i

he h

n

g i

g

ng l c lên tinh th thì tính

i x ng c a tinh th sẽ b m

i n tích không còn tri

h

t o thành s phân c

i n tích âm –

i
g

h

c
i

cn

các m t tinh th

i di n nhau.

i n v i thu c tính tenx c a v t li u ph thu c

Có th th y, tính ch

vào thành ph n, c u trúc và vi c u trúc c a v t li u nghiên c u, Nói cách khác,
vi c tổng h p v t li

i n có

hh

ng l

n phẩm ch t áp i n c a v t

li u [10].

Hình 1. 1 S

mô t Hi u
5

g

i n


Trong m t s v t li u không d

g i n phân c c có th

x ng tâm, m
h c–

su

P=

e

h g

i

c t o ra b i tác d ng c a m t ng

i n:

σ – Hi u ng tr c ti p

ɛ = d. E – Hi u
T

i n (tinh th , g

g

g g

c

phân c c (pC/m2)

P:

σ: ng su t (N/m2)
g

ɛ: s

i n (pC/N ho c m/V)

d: h s
1.2.

Vật liệu áp điện

g

Hi
h

h h

i nl

h

i

h

i

c phát hi n trong các tinh th t nhiên

g h

n ngày nay, càng ngày càng có nhi u
i n.

tinh th và g m nhân t o có tính ch
g

Hi u
các tinh th t

i
hi

c s d ng l

u tiên trong các thi t b siêu âm, v i
i n, c th là các tinh th

c s d ng làm v t li

th ch anh m g h h 1 2

cs d

g

làm b bi

ổi

g i n

trong các máy phát hi n tàu ng m trong chi n tranh th gi i th nh t. Chính
thành t
kh

húc ẩy quá trình nghiên c u v t li

i n và g i m nhi u

g ng d ng c a chúng.

Hình 1.2. Hi u

g

i n trong tinh th th ch anh [12]
6


i

Trong chi n tranh th gi i th II, v t li u sắ
i

ng sắ

Fe

ee

i i

i n khi mà l

v t li

g

có th b

g h
i

cb im

g

i

h

g h

g

e

h

phân c c theo m

hh

i

ỡng c

nh thông qua

ỡng c c trong m i

th tích ho c giá tr

b m t vuông góc v i tr c phân c c t phát

hh
g

bi n m t hoàn toàn khi nhi
lo i v t li u - nhi

i n t phát ph thu c vào nhi
g hi n các momen

ng nhi

ng. S phân c

i n t phát gi m d n và

n m t giá tr

h thu c vào t ng

này g i là nhi

Đi

i n t phát thì

i

n các chuy

i nb m td ns

Curie [13].
i n. Và không

r ng ph m vi phát tri n c a v t li
g

i

perovskit d

i t d n d n thay

c tổng h p v i các tính ch
hi

th cho các tinh th t

i

T

c s d ng r ng rãi. Các g

th con có c u trúc tinh th

g

i g m có c u trúc
i h h này có nhi

hai tr ng thái tinh th : Ở trên nhi

d ng c u trúc l
nhi

g

gi

h g

ỡng c c t
i

hi

e

e

e

i n. Ở tr ng thái t

i

ghĩ

h

ỡng c c. Ở
h

g

i

hi

g h g m có tính

c sắp x p song song.

7

ằng

Curie, chúng t n t i

Curie sẽ x y ra s chuy n d ng thành c u trúc t
e

ch

h

i h

ng hình v i c u trúc tinh th c a canxi titanat (hay

c g i là ki u c u trúc perovskite – h h 1 3 Đi
chúng t n t i

ng,

i h h .

ng bên ngoài. Tính phân c
g d

g h
hi

ng ng

ng phân c

t li

di n tích

do khi nhi

i n

ng song song và trong m u g m sẽ có s

g

e

c

Th

h h

i n t phát c a v t li u sắ

i n tích trên m i
hi

e

g h

Tính phân c
giá tr m

i h h

ng l

i n. N u t n t i hi

c sắp x

i h h .

g i Đi u này cho phép tổng h p

c g

không có các tính ch

i

cg

i n t phát mà chi u c a phân c

i h h bao g m m

g

c ti n l n cho ngành tổng h p

u tiên có th t

i n có kh

V t li u sắ

t

c phát hi n và hi n


i n không ch a chì có c u trúc peroveskite [14]

Hình 1.3. Ô m ng c a g

Vật liệu áp điện không chứa chì

1.3.

i

V t li u PZT là v t li
g

h it i

i

ng và s c kh e

i

các thi t b

c s d ng phổ bi n. Tuy nhiên, nguy
g

i c a kim lo i chì và chì trong

c c nh báo và ki m ch ng. PZT ch a t i 60% kh i

ng là chì - nguyên t kim lo i n g

c h i [15]. Vi c s d ng PZT ngày

càng nhi u do s phát tri n c a khoa h c và kỹ thu t d
i

oxit và chì ziriconi titanat b rò r

nm

i

trong h n h

lý các thi t b có v t li u ch
hú g

hi

h i Q

ub
h

he

ng ngày càng nhi

Đi u này x y ra trong quá trình nung, thiêu k

c a v t li

h gi

g

thành m i

ng l n chì

hi
h

g
h

i

i

i h và x

c bi t l n khi mà

c s d ng nhi u trong khắp các s n phẩm y t và tiêu dùng.

Hi n nay, liên minh châu Â

h “h n ch ch

c h i ”

(Restriction of Hazardous Substances Directive - RoHS) có hi u l

2006

g

[16]

h n ch nghiêm ng t vi c s d ng chì trong m t lo t các thi t b

i n t . Đi
hú

hh

gây

g h ĩ hu

ng l

ẩy các nghiên c u v g

ng. Bên c h
h

g

g i h
h h

h

i

ng

nhi

ng và s c kh e, các nghiên c u
i ns d g

g

c bi t b i t m quan tr ng trong vi c theo dõi, chẩ
hú g

ĩ hi

làm

i

ng

cao và s d ng trong y sinh h c.

Vi c c y các c m bi n và b d ch chuy n tinh vi bên trong các mô s

c

ng l c

i n không ch a chì thân thi n v i môi

n yêu c u c a các thi t b

riêng bi t chẳng h

i n, t

g

c

h a tr

i u này, các nhà khoa h c ph i gi i quy t
8


cv

i n không ch

c v t li
i

phẩm ch

g

gh ct

h

h

h g

c h i và có

PZT H h 1 4

c u trúc

phổ bi n c a v t li u PZT.

Hình 1.4. Ô m g
m g

ki u t

ki u l

h

h

bi n d ng

g

g

a PZT

i nhi

i n không ch

Trong s các v t li
i n

nhi u v t li u có tính ch
c yêu c u tr thành v t li

g

ú

ng viên ti

ng
i n

i n có c u trúc perovskit do có
i n khá ph c t p và khó làm

d ng

g

i n

tìm ra các lo i v t li u có hi u

ễ ch t o là m t vi c h t s c c n thi
g

Z O

g

c coi là m t

i ZnO có giá thành rẻ và dễ ch t o v i nhi u công ngh

khác nhau. Trong các thi t b chuy

ổi

g

ng, ZnO

c nghiên c u và ng d ng thành công tuy nhiên hi u su
Hình 1.5 mô t

c nghiên c u thì có

gi n v i công th c chung là ABO3.

màng m ng. Nên vi c nghiên c
g h

Curie (2) [17]

i n t t) [16]. Các nghiên c u v g

Tuy nhiên vi c ch t o các g

l

h

Curie (1). Ô

i y u (ví d LiNbO3- h g

không ch a chì ch y u t p trung vào g
nó có c

trên nhi

h

i n c a v t li u ZnO.

9

d ng c
h

[18].


c

Hình 1.5

h

ú W

Đi n th Piez

zi e

i n c a ZnO. A) Mô hình nguyên t c a ZnO có
h

h

d ng là kéo dãn hay nén. C) Tính toán s
dây nano Z O

g

ng phân b

i d ng bi n d ng tr c c. D) C

AlN và GaN là nh ng v t li u bắ
kh

g
h

g

ổi

i

i nt

i n c a màng m ng. V t li

AN

g

ch

i nt tc

a là kh

g

ngh
i

i i n t khác. B ng 1.1 so sánh tính ch
g

c nghiên c u hi n nay.

10

i n trong
ng. [18]
h

h y

ng. Tuy hi u su t còn
i công ngh Si hi n t i.
g

ng c

ch

h

g

c bi t là các b c g h

hi u su t c a chúng ph thu c vào ch
hú g

g
g

g h h

t li u hoàn toàn

Trong các thi t b

ú

i n th

c th nghi

a chúng trong các thi t b chuy

h

ng h p l c tác

i

ng MEMs thì
c bi t là tính

c yêu c u này do tính
g h h

i các công

i n c a m t s v t li u áp


i n c a m t s v t li

B ng 1.1. Tính ch
i n ( C/m2)

Hằng s

i n (pm/V)

H s

i n [19]

PZT

LiNbO3

AlN

ZnO

e31= -6.5

e31= 0.23

e31= - 0.58

e31= - 0.57

e33= 23.3

e33= 1.33

e33= 1.55

e33= 1.32

d31= -120

d31= -7.4

d31= -2.0

d31= -5.0

d33=3.9

d33= 5.9

d31= -170
d33= 60 - 130
i n κ2

H s
M

0.57 - 0.69

5.5

0.24

0.33

68

203

308

201

17

5.0

h i (GPa)

Đ c ng (GPa)

8.0

-

Ω

1 x 10 9

2 x 10 10

1 x 10 11

1 x 10 7

S giãn n nhi t ( /oC)

2 x 10 -6

1.5 x 10 -5

4.3 x 10 -6

6.5 x 10 -6

3900

3980

10127

5700

Đi n tr

V n t c âm thanh ( m/s)

1.4.

Aluminium Nitride – Nhôm Nitride
Aluminium Nitride là h p ch t bán d n nhóm III-V i

nghiên c u cho nhi u ng d g i
h

s

g

AN
li

ý

g

i n t (MEMs), chẳ g h

u dò siêu âm và b công h

r ng vùng c m l

ng cho các ng d g

~ 6 2 eV

s g

thành m t v t li

i n tuy t v i cho các vi thi t b

>5500

Ngoài ra, các tính ch t v t lý v n có c
ổ

l ct n

ng.

g i n trong vùng phổ t ngo i sâu (UV).

1014 Ω

W/ K

h

c

hi n nó tr thành m t v t

i n cao ( d33 = 5.3- theo chi u d

AlN có h s

h h

/

h h i
AN h

nh hóa h c t t cho phép nó có kh

g i u ki n xâm th c.

11

i n tr su t cao (1011i n nó tr

i n t [20]
d n nhi t cao (320
g ng d ng r ng rãi

Hình 1.6. (a) C u trúc tinh th ; (b) Liên k t B1 và B2; (c) C u trúc tinh th v i
liên k t B1 và B2; và (d) Các m t phẳng khác nhau c a AlN [21]
Alumium Nitride có ba c u trúc tinh th : Đ
Blende và Wurtzite [22,23] h h h 1 6
nh t và t n t i

nhi

h g

bằng cách s d ng các quy

h

g hi

i (Rock salt), Zinc-

u trúc Wurtzite là c u trúc ổ

nh

u Zinc-blence có th

c t o ra

c bi t và c u trúc Rocksalt m i

c

quan sát th y trong các màng AlN pha t p Scandi v i m

cao. Ngoài ra các

c u trúc Rocksalt và Zinc-blende không th hi n tính ch

i n.

C u trúc Wurtzitr c a AlN là m t h tinh th hình l c giác v i h
là 6mm, nhóm không gian là P63mc và nó có tính ch
h

i x ng cao nh

g h h

i m

i n. D ng c u trúc

i s t n t i c a quá trình phân c c

t phát. Trong c u trúc Wurzite m i nguyên t A N

c bao quanh b i b n

nguyên t N (Al) t o thành c u trúc t di n. Ba nguyên t N (Al) liên k t ngắn
12

(liên k t B1) nằm trong m t phẳng c và m t nguyên t liên k t dài (liên k t B2)
he h

nằm d

Đ dài c a liên k t ngắn và liên k t dài l

ng tr

t là

1.885Å và 1.917Å, v i hằng s m ng a=3.110 Å và c= 4.980Å [24]. Góc c a
liên k t B1-B1 trên m t phẳng là 110.5 o và liên k t B1-B2 theo tr c d c là 107.7 o
T t c các nguyên t Al(N) v i b n nguyên t N(Al) xung quanh t o
thành quỹ

o lai hóa sp 3. M i nguyên t Al có ba orbital b l
i n t ) và m t orbital không b l

(b chi m b i m
ba orbital b l
ngắn B1

y m t n a và m t orbital b l

c hình thành b i orbital b l
g
g

y hoàn toàn. Ba liên k t
A

yc

y hoàn toàn c a nguyên t N
ng c a liên k t B1

y. Nguyên t N có

y m t n a và các liên k t B2

c hình thành b i orbital không b l
g

ym tn a

g h

i

l p

ng c a liên k t B2 nh h

n b m t c a m t (002) th

h

t

chút so v i các m t khác.
Trong quá trình lắng
khi các nguyên t t
ng b m t có th t

i

ng màng AlN, ví d bằ g h
n b m t ch t n n v i

g

g h
ng nh h

i u ki n cho s di chuy n c a các nguyên t

trí phù h p trong c u trúc Wurtzite.
Năng lượng

Véc tơ sóng

Hình 1.7. C

ú

g
13

g

ng c a AlN [25]

hú

,
g

n các v


Ứng dụng của hiệu ứ g áp điện

1.5.

i n ch y

V t li
chuy n tinh vi. V

i

ch

g

Ngoài ra, m
i

v t li
g

g

g

ng ng d ng m i

g

hú ý h

ng d ng trong y sinh – Các thi t b

e

c a
c trên

h .
i

ng có công su t nh

g

ng) d a vào các dao

h và ng d ng cho các thi t b c m bi n không dây hay các thi t

g

i

i nhằm thay th cho ngu

nghiên c u r t nhi u, tuy nhiên, k t qu
h

h

c s d ng trong micro.

c c y tr c ti

Các ngu
e

g
h

ng nghiên c u và cho ra tín

ng. Ngoài các b c m bi n trong kỹ thu

h h

i ho

ng c

i

ng hay ng l c c

i n ph n h i v l

hi

i n thu n

n thì các b c m bi n t n d ng hi u ng

nh n bi

b

c s d ng trong các c m bi n và các b d ch

g

d g

g

c còn r t khiêm t n và h

c
h

ng d ng th c t nào.

Hình 1.8. N g

ng có th h
s

ct

h

g

i khi ho

ng trung bình.[26]
14

ng, nh ng con


h

Khi các b ph
g

g

ng nh nh
i

bi n ngu
g

g

g

h h g

g

h

g i nt

m

g

ng

n nuôi các thi t b

h hay các thi t b

m bi n gắ

ng (hình 1.8 h h

A h…

hi t b h

ú

ng sẽ có c
i

h

hi

g

e

h i

g

i …

h

ng t chuy

:

g

i

g

ổi i

g
g

Theo nghiên c u gót chân c a m
i n khi di chuy n, và kho ng 2 %

d a vào hi u

hi u

g

g

i n,

g

g

gi

c bẻ cong và gắ

h :

i n ng 68 kg có th t o ra 60W
ổi h h i n

ng có th chuy

cc
1990 T

.
ng c

i n. Nh ng thi t b chuy

i n cỡ

c ch t o t nh
W i

c n i v i h khung và các

i n ra ngoài và k t n i v i thi t b

M t s c u t o c a h chuy

g h g

h thông

ng c

u dò có th tr c ti p hay gián ti p t o ra tín hi

h th ng khu ch tán sẽ

84

i

ng, m t ngu

c nghiên c u r t nhi u trên th gi i h các nhóm t i MIT (Mỹ), Hàn

Qu c, Nh

c

g

g

i d a vào các hi u

h

i chuy

lãng phí, bi n các ngu

tiêu t
g

g

ổi i

g

u tiên
g

n giày c a các c u th
g

i

i u là c u trúc 2 l

i n

c mô t trong hình 1.10. V i c u trúc này,

c sinh ra khi n i v i i n tr 500 Ω

it ns

ng là

0.9Hz [26].
ú

Tuy nhiên, các c
hình hóa các c

ú

h

u là d ng l n và t n nhi u v t li
g

ng t
i

cantilever v i m t, ho c hai l p ch

h

ng c

n c a c u trúc dùng cantilever gi

1.9a là c u trúc 2 l
t o ra l p áp i

i, c u trúc

c ch t o b i nhi u nhóm

nghiên c u và cho th y, c u trúc này phù h p v i thi t b
ý

g

ti u

g h

i n và 1.9b là c u trúc 1 l

d ng micro. Nguyên

g h h 19

g

i n, trong th c t

i h h , các l p v t li u ph có th c n dùng t i.

15

h h