Nghiên cứu chế tạo vật liệu bán dẫn pha tạp từ

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (31.26 MB, 66 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

DAI HOC QC GIÀ HA NĨI

TRl/ỊNG DAI HOC KHOA HOC Tl/NHIÈN

Détài

NGHIÈN c u t i CHE TAO VAT LIÈU BÀN DAN PHA TAP TÌT

MA-SO: QT.04-09

Chù tri de tài: PGS. TS. Nguyén Thi Thuc Hién

Càc càn bò tham già:

1. ThS. Tran Vlnh Thàng

2. CN. Ngò Xuàn Dai

3. CN. Nguyén Anh Tuàn

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

Bào cào tóm tat

a. Tén de tài: Nghién cùu che tao vat liéu bàn dùn pha tap tu

Ma so: QT. 04 - 09

b. Chù tri de tài: PGS. TS. Nguyén Thi Thuc Hién
e. Càc càn bò tham già:

l.Ths. Tran Vinh Thàng
2. CN. Ngò Xuàn Dai
3. CN. Nguyén Anh Tuàn

d. Miic tiéu va nói dung nghién cùu (theo dàng ki)

• Che tao càc màng mịng ZnO va ZnO pha kim loai chuyén tièp trén càc loai
de khàc nhau nhu Sì, thuy tinh.

• Che tao bót ZnO pha kim loai chun tièp.

• Nghién cùu càc qua trình tao màu cùng nhu càc ti'nh chat vai ly, dac bièt là
tinh chat tu cùa càc màng dà che tao.

e. Càc ké't qua dat dugc

De tài dà tap trung nghién cùu vat lieo ZnO pha tap Co, day là chat bàn dàn pha
tu lồng DMS ( diluted magnetic semiconductor) dang dugc thè giói tap trung nghién
cùu rat manh. Càc kèt qua dat dugc góm:

• Dà tao dugc càc màng va bót ZnO bang phuang phàp sol-gel .

• Dà tièn hành pha tap Co va Ga vào ZnO va nghién cùu càc tinh chat càu
trùc, quang va tu cùa càc màng co pha tap.

• Nàng càp dugc he do phó trun qua .
• Hng dàn sinh vièn nghién cùu khoa hoc:

- Dà va dang huóng dàn 4 sinh vièn làm khoà luàn tot nghiép
ngành Khoa hoc Vài liéu va chuyén ngành Vat ly Chat ràn.

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

• Càc bào cào tai càc hịi nghi Khoa hoc:

1 bào cào tai hòi nghi Vàt ly Chàu à. Ha Nói 11/2004
1 bài bào a tap chi Khoa hoc, DHQGHN,2004,57

1 bào cào tai hòi thào Viét Due, 5/2005

(1 bào cào dàng trong " Nhùng vàn de hién dai cùa Vat ly chat
ràn", 2004, 676)

f. Tinh hình kinh phì cùa de tài
Kinh phi dugc cà'p: 15 trièu

Dà co dù chùng tu qut tồn vói Phịng tài vu

HàNịi ngày 5 thàng 10 nàm 2005
KHOA QUÀN LY CHÙ TRI DE TÀI

PGS.TS.* Nguyén Thi Thuc Hién

CHÙ TRI DE TÀI

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

Resumé
a. Name of project:

Preparation of semiconductor materials doped with magnetic impurities.
Code: QT. 04 - 09

b. Leader of project: Assoc. Prof. Dr. Nguyén Thi Thuc Hien
e. Participant members:

1. MSc. Tran Vinh Thang
2. BSc. Ngo Xuan Dai
3. BSc. Nguyén Anh Tuan

d. Purpose and contents of investigation project

• Preparation of Co-doped ZnO films and powders by sol-gel method.
• Investigation of the technology as well as the physical properties of

produced films, especially magnetic and optical properties.

e. The main results

• Preparing ZnO films and powders by sol-gel method.
• Doping ZnO by Co, Ga

• Investigating structural, optical and magnetic properties.
• Adapting the build absorption apparatus.

• 4 publications bave been presented at scientific conferences as the
followings:

1 report in Proceedings of the 3'"^ National conferences on Solid state physics,
Thai Nguyén 11/2003

1 paper in Journal of Science, VNU Hanoi, November 2004
1 report in the Asian Conference on Physics, Hanoi 11/2004

1 report in Proceedings of the ninfth Vietnamese - German seminar on
Physics and Engineering, May 2005.

• Have been instructed several students in scientific reseachs:

4 (done and being done) university graduate theses on specialities of Materials

Science and Solid state Physics

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

Bào cào chuyén mòn

De tài: Nghién cufu che tao vàt liéu bàn dàn pha tap tir 
Muc lue

' • 5 
Ma dàu

6

Chucmg I: Tóng quan ve vat liéu ZnO 7

1.1 Mot so tinh chà't vat ly 7
1.1.1 Càu trùc tinh thè 7
L1.2 Tinh chat dién 8
1.1.3 Tfnh chat quang 8
1.1.4 Tinh chat tu, quang- tu 9

1.1.4.1 Càu trùc vùng nàng lugng cùa ZnO pha ion kim loai chuyén tièp . 9
1.1.4.2 Tmh chat quang va tu quang cùa ZnO pha ion kim loai chuyén tièp 9
1.1.4.3 Tinh chat tu cùa ZnO pha Co "

Chucmg II: Càc phucmg phàp che tao vat liéu 15

2.1. Giói thieu chung 15
2.2. Càc phuang phàp tao màng 15

2.2.1 Phuang phàp phun tinh dién 15

2.2.2 Phuang phàpphùn xa Katot (sputtering) 15

2.2.3 Phuang phàp sol-gel 16
2.3 Phuang phàp tao bịt 16
2.3.1 Tao bót bang phuang phàp sol-gel 16

2.3.2 Tao bót bang phucmg phàp dịng kèt tua

Chucmg III: Càc kèt qua va thào luan 18
3.1. Che tao màng ZnO pha Co va nghién cùu càc tinh chat vat ly 18

3.1.1 Che tao màng ZnO 18
3.1.2 Màng ZnO pha kim loai chuyén tièp Co 19

3.2 Càc tmh chat Vàt ly cùa bòt ZnO pha Co 28

3.3 Kèt luan T,
Kèt luan ^^ 
Tài liéu tham khào o^

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

M O D À U

Hien nay, trén thè giói, càc hgp chat bàn dàn pha tu loàng DMS (diluted
magnetic semiconductors) thc nhóm A"'B^ va A " B ^ ' dang dugc quan tàm nghién
cùu manh me. Do là càc vat liéu ma càc bàn dàn khóng co tu tinh dugc pha tap bang
càc kim loai chuyén tièp co nòng dò thàp de tao dugc tinh sàt tu nhàm su dung mot
càch kèt hgp giùa dién tich cùa dién tu va spin cùa chùng ( huóng spin tu hay
spintronics ) . Trong càc bàn dàn dò, ZnO dugc xem nhu mot "hot topics" do dugc du
doàn bang tinh toàn ly thuyèt là co tu tinh a nhièt dị phịng. Ngồi ra, nị co nhiéu tinh 
chat qui bau nhu dị róng vùng càm lón (ca 3,3 eV ị nhiét dị phịng), nàng lugng lién

ké't exciton tu do lón (60 meV), dị ben vùng, dị ón dinh, nhiét dị nóng chày cao... Vi
vay ZnO hùa hen nhiéu trién vong su dung khóng nhùng trong linh vuc spin tu
(spintronics) ma con làm càc linh kién quang dién tu nhu man hình hién thi, bó Ipc
song àm, laser, diode phàt quang, dién cuc trong st...

Tuy bàn dàn pha tu lồng hùa hen nhiéu trién vong cho nhùng linh kién hién dai
trong tucmg lai, dac biét là thè he mày tmh lucmg tu, nhung hién nay cóng nghé che tao
cùng nhu viéc hiéu rò ca che sàt tu cùa vat liéu DMS con càn phài thào luan va nghién
cùu nhiéu.Trén thè giói, nhùng cóng trình nghién cùu ve DMS con thu dugc nhùng kèt
qua con rat khàc nhau.

Ve màt còng nghé che tao vat liéu,do nhiét dò nóng chày cùa ZnO rat cao va là
vàt liéu thàng hoa rat de bi tàch pha nén nò thuòng dugc che tao di dang màng mịng
bang càc phuang phàp nhu phùn xa Katot [1], epitaxy bang chùm phàn tu [2], phun tinh
dién [3], sol-gel [4] ... hoàc di dang bịt nhu thuy phàn cng che, solgel, dóng kèt
tua.

Phuang phàp epitaxy chùm phàn tu cho càc màng co pham chat rat cao, co thè
tao càc màng mòng c5 vài nguyén tu su dung trong càc càu trùc nanomét nhtmg nò dòi
hòi thièt bi rat dàt tién khóng thè co dugc ị Viét Nam. Chinh vi vay chùng tói dà tièn
hành tao màng, bịt ZnO bang phuang phàp tucmg dói rè tién nhu Sol-gel.

Muc tiéu cùa de tài là che tao dugc màng va bót ZnO pha tap tu coban sao cho
chùng tao nèn DMS co nhiét dò Curie cao han nhiét dị phịng, co tu dị khà lón va góp
phàn tìm hiéu thém ve ca che tu tinh cùa càc màu che tao dugc.

Kèt qua cùa de tài là dà tao dugc càc màng va bòt ZnO pha tap Co va dóng pha
tap Ga va nghién cùu càc tinh chat vat ly, dac biét là tinh chat tu va quang cùa chùng.

Vói kinh phf de tài dugc ho trg chùng tói dà nàng càp dugc he do phó truyén qua

nhu : ghép nói mày tinh,vièt thém phàn mém xù ly kèt qua do .

Ngoài ra, de tài dà góp phàn dào tao cu nhàn Vàt ly Chat ràn va Khoa hoc Vat
liéu cùng nhu càc sinh vièn nghién cùu khoa hoc a càc nàm duói, càc hoc vién cao hoc.

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

Chucmg I

TÓNG QUAN VE VÀT LIÈU ZnO

1.1. Mot so tinh chat vat ly cùa ZnO 
1.1.1, Càu trùc tinh thè

Hgp chat bàn dàn ZnO co càu trùc tinh thè lue giàc wurtzite. Mói nguyén tu Zn lién
kèt vói 4 ngun tu oxy nàm ị 4 dinh làn can tu dién (hình 1.1).

Nguyén tu Zn Nguyén tu Zn
Hình 1.1. Càu trùc lue giàc witrzite cùa ZnO

» o o
Hàng so mang trong càu trùc này là a= 3,24265 A va c= 5,1948 A

Ngoài càu trùc wurzite, trong nhùng diéu kién dac biét, tinh thè ZnO con co thè tón
tai a trang thài càu trùc lue phuang già kém (ò nhiét dò rat cao) hồc càu trùc gióng
tinh thè Natri Clorua NaCl (a àp suàt rat cao).

Khi tao màng ZnO trén de, nèu truc e vng góc vói bé màt de thi màt trén va mat
duói cùa màng co the là màt (oOOl) hoac (OOOI) tue là mat cùa càc ion Zn hoàc oxy.

</div>
(8)<div class='page_container' data-page=8>

1.1.2. Tinh chat dién

Khi che tao, ZnO luòn co dò dàn loai n vói càc donor là càc sai hịng tu nhién
gay nèn bai nùt khuyèt oxy va nguyén tu kém dién kè. Tuy nhién, càc màng ZnO
khóng pha tap thng khóng ben vùng va co dị dàn khóng cao. VI vay, ZnO dugc làm
tàng dò dàn va dò ón dinh bang càch pha càc tap nhu Al, Ga, In. Nóng dị tap trong
ZnO co thè lén dé'n 10^" cm"^ vi vày vói dị rịng vùng càm lón (3,3 eV a nhiét dò 
phòng) nò rat thich hgp dùng làm càc dién cuc trong st cho man hình hién thi, pin
mat tròi va trong tucmg lai sé thay thè cho màng ITO (SnOjiIn) truyén thóng nhimg già
thành khà dàt.

Gàn day dà co mot so còng trình [5] cịng bó ve viee tao dị dàn loai p cho ZnO
bang càch dóng pha tap Ga va N. Tuy nhién viéc tao dugc bàn dàn ZnO loai p con là
mot vàn de càn dàu tu nghién cùu nhiéu hcm nùa.

1.1.3. Tinh chat quang

ZnO co dị rịng vìing càm lón, chun mùc -thàng va dac biét là co nàng lugng
lién kèt exciton lón (60 meV) han hàn GaN ( 20 meV) là mot vat liéu cùng dang dugc
quan tàm nhiéu. Chfnh vi thè, ZnO là mot vat liéu hùa hen su dung làm càc linh kién
quang dién tu, dac biét là càc linh kién phàt quang vùng buóc song ngàn.

Phó quang huynh quang cùa ZnO a nhiét dò phòng thuòng co nhùng dai sau:

Dai phàt xa a vùng tu ngoai gàn bị hàp thu, co dinh nàm a khồng 380nm ùng 
vói càc tài hgp exciton [61. Tùy theo phuang phàp che tao, chat lugng cùa màu, nò co
thè là exciton tu do hoàc exciton lién kèt, exciton trong trang thài plasma ... hồc
chóng chap nhiéu loai tài hgp.

Dai phó tu 390nm dé'n 410 nm ln tón tai vói mgi loai màu. Dai tài hgp tap chat
này bièn màt khi nhiét dị lón hcm 77 K va vi tri dinh phó khóng dói theo nhiét dị va
bàn chat cùa nò là tài hgp càp donor - acceptor [7].

Vùng xanh

Dinh phó huynh quang quanh buóc song 500nm co dac diém là rat róng, tu. Cho dé'n
nay, co nhiéu quan diém khàc nhau ve dinh tài hgp này. Co tàc già cho ràng tài hgp này
lién quan tói tap hydrị hoac sai hịng do Zn nàm dién kè, co tàc già lai cho ràng bàn
chat là do tài hgp gàn vói oxy dién kè [8,9,10] ... Tuy nhién, nhiéu cịng trình nghièng
ve già thuyèt dò là tài hgp lièn quan dé'n sai hòng tu nhién do nùt khuyèt oxy [11]. Cho 
dé'n nay, nguón góc cùa dinh này vàn con dugc thào luan.

Vùng da cam

Bàn chat cùa dai phó tai 620 nm này là do trong mang tinh thè ZnO tón tai càc
nùt khuyèt cùa Zn hay càc ion O a vi tri dién kè tao thành cap donor - acceptor
[12]. Né'u trong ZnO tón tai tap chat là càc kim loai kiém (Li, Na) thi dai này se
tàch thành vàng va cam.

Vùng dò

</div>
(9)<div class='page_container' data-page=9>

1.1.4. Tinh chat tir, quang-tur

1.1.4.1 Càu trùc vùng nàng lugng cùa ZnO pha ion kim loai chuyén tiép

Khi pha tap kim loai chuyén tièp, do co su thay thè càc ion này vào vi tri cùa ion
kim loai nén trong mang tinh thè nén trong vùng càm hình thành nhiéu mùc tap chat.

Dói vói ZnO co càu trùc lue giàc xép chat, khi pha tap, ion Co^"" sé thay thè vào
vi tri cùa Zn^"^ trong mang nén. Cac ion này dugc bao quanh bòi 4 ion oxy tao nén càu
trùc truòng tu dién. Nguyén tó Co là kim loai chuyén tièp co lóp 3d chua dién day.
Theo ly thut trng tinh thè lóp 3d sé bi rà suy bièn bịi 5 va tàch thành 2 mùc khàc

nhau: mot suy bié'n bòi 3 (ds) va mot suy bièn bòi 2 (dy). Mùc suy bièn bịi 3 co 3 dói
xùng là xy, yz, zx. Mùc suy bié'n bòi 2 co 2 dói xùng là 3z^- r^ va x^- y l Hàm song cùa
trang thài ds dugc tao bòi càc anion O^", co thè lai hồ vói trang thài p trong dai hoa tri
cùa vàt liéu nén tao nén trang thài lién kèt (t^) va phàn lién kèt (t^*). Hàm song cùa trang
thài suy bièn bòi 2(dy) nàm trong vùng càm do dị su lai hồ vói trang thài p là rat yèu,
tón tai duói dang khóng lién ké't (e) va vàn nàm trong vùng càm (hình 1.2).

3de
d(xy),d(yz), d(z

3dY

d(3z^-r0,d(x^.y0

Vùng hoà tri

Hình 1,2. Sa do cà'u trùc vùng nàng lugng khi kim logi chuyén tiép

thay the vi tri kim logi nén trong tinh the

1.1.4.2. Tinh chóì quang va tu quang cùa ZnO pha ion kim logi chuyén tièp

</div>
(10)<div class='page_container' data-page=10>

sé chuyén tu trang thài ban dàu (kich thich) sang trang thài cuòi (ca bàn) kèm theo qua 
trình bue xa photon.

Ion Co "^, khi nàm trong mang tinh thè ZnO sé chiù tàc dung cùa truòng tinh thè tu 
dién. Do tucmg tàc Coulomb, tucmg tàc truòng tinh thè va tuang tàc spin - qui dao ma
càc mùc nàng lugng cùa ion Co^^(3d^) tàch thành càc mùc nhu sa do hình 1.3.

''Ti

'T,

^A,

^E

^ \ ^ A

^E

/ - ^

^X^i

^A,

2
2
2
/ 
/

/ f

\ • 
\ \ 
1 
/ 
/ 
/ 
^^-^

^/ 
' • ^
E,/2
El/2
El/2

E v 2
El/2
El/2
E1/2
E3/2
^1/2
E1/2
E.,,,

E , 2
A^I/2

HìnhL3. Cac mùc nàng lugng cùa Co^^ trong tritàng dó'i xùng tic dién

Trong vat liéu DMS, tinh chat tu (dién tu 3d) cùa càc ion tap nhu Mn, Fé, Co, ...
co thè dugc diéu khién bang tu truòng va vi chùng co tucmg tàc manh vói dién tu hồ tri
(dién tu sp) cùa bàn dàn chù, nén co the làm thay dói dị dàn cùa bàn dàn. Su sàp xèp
càc spin cùa ion kim loai chuyén tièp bang tu trng ngồi se ành huang tói càc chun
dịi dién tu hay khà nàng phàt quang cùa bàn dàn, co thè goi dò là hién tugng tu
-quang.

Nàng lugng cùa trang thài cùa nguyén tu co thè tàch thành nhiéu mùc khi co màt cùa tu
taròng, kèt qua phó phàt quang nhan dugc tra lèn rat phùc tap, nhu là su bue xa cùa chuyén
tièp luòng cuc giùa trang thài kich thich p va trang thài ban dàu s. Càc mùc nàng lugng cùa

càc trang thài p va s khi co ành huòng cùa tu truòng va su chuyén mùc giùa chùng dugc biéu
dién trèn hình 1.4.

</div>
(11)<div class='page_container' data-page=11>

Trang thài ca bàn ^^^(j =1/2) tàch thành 2 mùc Zeeman ùng vói Mj= ±1/2, 
trong khi dò trang thài p tàch thành 2 trang thài theo su kèt càp cùa spin trong quy dao 
dò là: %f2Q = 3/2) và^Pj^CJ =1/2). Trong tu truòng %^(j = 3/2) tàch thành 4 mùc khàc 
nhau vói Mj = ± 3/2, ± 1/2, con ^Pj^sCi =1/2) tàch thành 2 mùc khàc nhau ±1/2. Chuyén 
tièp giùa càc mùc nàng lugng này dugc phàn chia thành 2 dang. Chuyén mùc a tucmg 
ùng vói già tri AMj = ±1, phàt quang cùa chuyén tièp này là do su dào cùa mómen spin
theo ehiéu song song vói tu trng hoac truc giao vói tu trng. Chun mùc n ùng vói 
chuyén mùc AMj = 0, chùng co bue xa phàn cuc nguge song song vói tu trng. Chùng
ta thày ràng eà hai loai co 10 chuyén tièp: 6 chuyén tièp a va 4 chuyén tièp TI.

Nhu vày 2 ành huong cùa tu trng dé'n phàt xa: su tàch mùc cùa phó theo hiéu
ùng Zeeman va su dào theo chiéu tu truòng .

3/2

1/2

^S 1/2

<

\ \

o

M

^ r

' 1

^ r

' y

^ r y r^ ^

r ^ r

+3/2 
+1/2 
-1/2
-3/2

+1/2 
-1/2

u

a " • a

Hìnhl.4. Càc mùc nàng lucmg va càc chuyén mùc giùa trang thài p va s

1.1.4.3. Tinh chat tu ciìa ZnO pha Co

</div>
(12)<div class='page_container' data-page=12>

nguyén tu song song vói nhau. Tuang tàc trao dói quyèt dinh già tri cùa nhiét dị tràt tu tu.

Tuang tàc trao dói phu thc vào mói trng khóng gian giùa càc ngun tu, chi tón tai
trén mot khồng càch ngàn va giàm nhanh theo khoàng càch. Trong càc vat liéu sàt tu
co ba kièu tucmg tàc trao dói [13]:

*Tucmg tàc trao dói truc tièp (direct exchange interaction) xày ra khi càc hàm
song cùa càc dién tu cùa 2 nguyén tu làn can phù nhau (hình 1.5 a)

*Tucmg tàc trao dói gian tièp (indirect exchange interaction) giùa 2 ion tu khóng
eó su phù nhau cùa càc hàm song, dugc thuc hien thóng qua su phàn cuc cùa dién tu
dàn (hình L5b).

*Tucmg tàc siéu trao dói (Superexchange interaction) giùa 2 ion tu khóng eó su
phù nhau truc tièp cùa càc hàm song, dugc thuc hién thóng qua su phù nhau vói hàm
song dién tu cùa ion khóng tu trung gian (hình 1.5c).

(a)

•Q

prị 0

(b)

(e)

Hinhl.5. Càc kiéu tuang tàc trao doi trong vàt liéu sàt tu:

(a) - truc tiép, (b) - gian tiép, (e) - siéu trao doi.

Dói vói càc bàn dàn pha tu lồng (DMS) dugc tao nén bang càch pha vào vàt liéu
bàn dàn khóng tu càc tap chat là càc nguyén tó kim loai chuyén tièp dà co mot so già
thuyèt dua ra cho tinh sàt tu. Càc mó hình này già thièt mot càch don gian càc DMS là
càc hgp kim xuàt phàt tu bàn dàn khóng tu tinh góc va càc kim loai chuyén tièp dugc
pha vào nàm mot càch ngàu nhién khi thay thè cho mot trong càc thành phàn cùa mang.

</div>
(13)<div class='page_container' data-page=13>

Trong ly thuyèt này eó nhùng già thuyèt khàc nhau ve su tuang tàc cùa càc hat tài tu
do.

Dietl va Ohno [14] dua ra mó hình DMS vói tap tu là Mn. Dira vào ly thut
trng trung bình, càc tàc già trong [14] cho ràng tinh sàt tu xày ra qua càc tucmg tàc
giùa càc mó men tu dinh xù cùa càc nguyén tu tap kim loai chuyén tièp dugc trung gian
bịi càc lo tróng tu do trong vat liéu tue là eó lién kèt trao dói manh giùa càc hat tài
trong vùng p va càc dién tu trong lóp 3d cùa càc ion tu. Tucmg tàc giùa 2 he này se dàn
tói trang thài ca bàn vói tuang quan sàt tu tàm xa nèu su trao dói sàt tu dugc trung gian
bịi hat tài dù manh de thàng dugc tuang tàc phàn sàt tu tàm ngàn.

Trong truòng hgp dinh xù manh càc tàc già cho ràng mot trong nhùng nguyén
nhàn tao tinh sài tu là do càc polaron tu lién kèt (Round magnetic polaron BMP). De
tàng nàng lugng Coulomb càc BMP thuòng dugc tao ra xung quanh càc cap gàn nhau
cùa càc acceptor bi ion hồ. Khi mot lo tróng dinh xù giùa 2 ion tu thóng qua tuang tàc
kép Zener se gay ra mot hén kèt sàt tu manh làm thàng thè tuang tàc phàn sàt tu siéu
trao dói ben trong. Càc tàc già trén cho ràng trong bàn dàn loai II-VI, càc BMP khóng
dugc tao nèn xung quanh càc tap ion tu, vi du Mn, nén trong bàn dàn nhóm Il-VI co su
giàm tinh sàt tu do sièu trao dòi.

Tuy nhién chi khi nóng dị hat tài nhó ihì già tri trung bình cùa nhiét dị tràt tu tu
tinh tu mó hình Zener va mó hình RKKY (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida) là gióng
nhau, khóng phu thc vào su sàp xèp vi mó cùa spin. Né'u nóng dị hat tài lón thi mó
hình Zener khóng dùng nùa ma phài dùng mó hình RKKY. Mó hình RKKY cung càp
su phu thc cùa nàng lugng tucmg tàc cùa càc cap spin rièng le nhu là hàm cùa khoàng
càch cùa chùng. Chinh diéu này tao khà nàng dành già nàng lugng cùa he dói vói mot
phàn bó cho truóc cùa càc spin dinh xù. Su giàm dị lón cùa tuang tàc trao dói dugc
trung gian bịi hat lai vói khồng càch r giùa hai spin Mn dugc mó tà bịi hàm RKKY.

</div>
(14)<div class='page_container' data-page=14></div>
(15)<div class='page_container' data-page=15>

Chuong II

CÀC PHUONG PHÀP CHE TAO VÀT LIÈU

2.1. Giói thiéu chung

Hién nay trén thè' giói dang phàt trién rat nhiéu phucmg phàp che tao màng
mòng, tu nhùng ky thuat hién dai nhu epitaxy chùm phàn tu (MBE), làng dgng xung
laser (PLD), phùn xa Katot (sputtering), làng dong boi hóa hoc (CVD) dé'n càc ky thuat
tuong dói don giàn nhu phun dung dich trén de nóng, làng dong hóa hoc, Sol-gel ...De
che tao bòt bàn dàn va pha tap, cùng eó mot so phucmg phàp nhu sol-gel, dóng kèt tua...
Mói phuong phàp déu co càc uu diém va nhugc diém rièng tùy thuòc vào muc dfch
nghién cùu, ùng dung cùng nhu loai vat liéu. Trong chucmg này se trình bay chi tièt hon
ve phuang phàp sol-gel dà dugc de tài su dung de che tao màng va bót ZnO pha tap va
khóng pha tap dùng cho muc dich nghién cùu, ùng dung phù hgp vói hoàn cành va
diéu kién cùa Viét Nam.

2.2. Càc phuong phàp tao màng 
2.2.1 Phuong phàp phun tinh dién

Phuong phàp này dugc thuc hien duói tàc dung cùa dién trng. Dién trng tu
ngn cao thè (khồng 20 kV) làm cho dung dich eó chùa tién chat cùa vat liéu càn tao
bi bàn xuóng de nóng duói dang suong mù va ngay sau dò làng dgng trén de va tao
thành màng.

Phuong phàp này co im diém là don giàn, de thuc hien, chi phi rè, màng thu
dugc dị dóng déu cao, dién phù rịng.

Vói ZnO, khi su dung phucmg phàp này thè dùng mi kèm acetat hịa tan
trong dung mói là rugu isopropanol va nuóc càt. Màng dugc tao trèn de ki'nh vói nhiét

dị de nàm trong khồng 300 - 400^^C.

2.2.2 Phuang phàp phùn xa Katot (sputtering)

</div>
(16)<div class='page_container' data-page=16>

2.2.3 Phuang phàp Sol-gel

Phuong phàp Sol-gel dà co tu hcm 30 nàm nay, tuy nhién hién nay nò vàn dang
dugc chù y àp dung ròng rài vi nhùng uu thè rièng nhu cho phép tao dugc ề màu khói,
màu màng va bót vói quy trình khòng phùc tap va tièt kiém nàng lugng.

Bàri chat cùa phuong phàp Sol-gel là dira trén phàn ùng thùy phàn va ngimg tu
cùa càc tién chat (precursor) bang càch diéu chinh toc dò cùa hai phàn ùng trén de dat
dugc vàt liéu mong muón. Tu dung dich (sol) bao góm càc chat dua vào phàn ùng dugc
hịa tan vói nhau qua phàn ùng thùy phàn va ngung tu ta thu dugc gel. Sau dị gel xóp
này dugc dua xù ly de tao ra càc chat ràn.

Dua vào vàt liéu ban dàu de su dung cho qua trình tóng hgp ngi ta thè chia
phuong phàp Sol-gel thành 3 dang chinh:

+ Sol-gel di tu thùy phàn muói trong dung dich nuóc
+ Sol-gel di tu thùy phàn phùc chat

+ Sol-gel di tu thùy phàn alkoxide.

Trong ba càch trén, phucmg phàp thùy phàn alkoxide cho chat lugng san pham
tòt nhàt tuy nhién già thành cùa nguyén vat liéu rat cao.

Phucmg phàp thùy phàn mi cùng thng dugc chgn vi càc muói dugc su dung
là rat rè so vói càc phuang phàp khàc. Tuy nhién, phucmg phàp này khó diéu chinh de
hat tinh thè eó kich thuóc nano.

Khi tao màng bang phucmg phàp Sol-gel thuòng dùng 3 càch: nhùng de vào
dung dich sol (dip-coating) va kéo lèn vói càc toc dị kéo phù hgp hoac giị dung dich
trén de va quay li tàm (spin-coating) va thào (draining) hoac phun (spraying).

Phuang phàp Sol-gel co càc uu diém sau:

+ Dugc thuc hien ò nhiét ò nhiét dò thàp, giàm dugc su bay hai cùa càc thành phàn do
dị tièt kiém nàng lugng nhiét, giàm ó nhiém mói trng vi chat dóc.

+ Co thè trịn làn ị quy mị ngun tu. Khóng tón nàng lugng nghién tròn.

-H Cho san pham co dò tinh khièt, dóng nhàt cao, bé mat rièng lón, boat tinh cao, co thè
bao phù 2 mat cùa càc vàt co hình dang bat ky.

+ Diéu khién dugc hàu hèt càc giai doan tóng hgp san pham.
+ Hóa chat co thè su dung nhiéu làn, tao ra it chat thài.

Nhugc diém cùa phuong phàp này là già thành con tuang dói cao va khó tao dugc màng

day.

2.3 Phuong phàp tao bòt

2.3.1 Tao bòt bang phuong phàp sol-gel

Ve nguyén tàc, che tao vat liéu dang bịt bang phuang phàp sol-gel cùng gióng nhu càc
quy trình che tao màng trong phàn 2.2. Chi tièt cùa qua trình che tao dugc trình bay
trong [ 29 ].

</div>
(17)<div class='page_container' data-page=17>

2.3.2 Tao bòt bang phuong phàp dóng kèt tua

</div>
(18)<div class='page_container' data-page=18>

Chuong III

CÀC KÈT QUA VA THÀO LUAN

3.1. Che tao màng ZnO pha Co va nghién cùu càc tinh chat vàt ly

Bàn dàn pha loàng tu dang dugc quan tàm rat manh nhị thè kèt hgp giùa bàn
dàn khịng co tu tinh va tu tinh cùa càc ion kim loai chuyén tièp khi dugc pha vào bàn
dàn chù. Day là mot huóng manh trong linh vuc spintronics.

Trong phàn này sé trình bay càc kèt qua tao màng ZnO pha Cobàng phuang
phàp Sol-gel.

3.1.1 Che tao màng ZnO

Tai khoa Vat ly truòng Dai hoc Khoa hoc Tu nhién, phuong phàp Sol-gel dugc
su ddng làn dàu lién vào dàu nàm 2001 tai phòng thi nghiém Vàt ly bàn dàn cùa Khoa .
Cóng trình tao màng ZnO dàu tién dugc dua bào cào tai hòi nghi vàt ly chat ràn tồn
qc làn thù 3, 8-2001 tai Nha Trang.

Trén hình 3.1 là giàn dị nhiéu xa tia X cùa càc màng ZnO che tao dugc [16].
Nhìn giàn dị, de thày ràng chi xt hién dinh nhiéu xa (002). Diéu dò chùng tò
càc hat tinh the co dinh hng sao cho truc e vng góc vói bé mat

1800

1200

-U

</div>
(19)<div class='page_container' data-page=19>

3.1.2 Màng ZnO pha kim loai chuyén tièp Co

Chùng tói che tao màng ZnO pha tap Co bang phuang phàp Sol-Gel theo huóng
thuy phàn muói va tao màng bang phuang phàp nhùng phù trén de thuy tinh, Silic.

Màng ZnO khịng pha tap dugc che tao vói tién chat ban dàu là muói
Zn(CH3COOH)2.2H20 cùng càc dung mói ethylenglicol, isopropanol, xùc tàc
triethylamine [17,18]. De tao màng ZnO pha Co, chùng tói cho thém mi
Co(NO-3).6H20. Nóng dị Co trong ZnO dugc tinh theo ti le so nguyén tu Zn:Co. Khi dị sol tao
ra trong st va co màu hóng dac trung cùa Co. So dị che tao màng ZnO pha tap dugc
mó tà ohình 3.2.

Trong qua trình thuc nghiém tàt cà càc hồ chat su dung cùa hàng Prolabo cùa
Phàp co dò tinh khièt 99,9%. Mày khuày tu dùng trong thuc nghiém là san phàm cùa
Anh co dàu so sành nhiét dùng de dàt nhiét dị cùa dung dich khy nhu y mn. Sol
dugc pha mot ngày truóc khi tao màng. De thuy tinh va Si dugc rùa sach bang nuóc càt,
sày khó, sau dị de dugc nhùng vào lo sol va dugc rùt ra bang thièt bi nhùng do bó món
Vàt Ly Dai Cuong tu che tao vói toc dò co the thay dòi dugc. Dò day màng phu thc
vào toc dị rùt de'. Trong càc thi nghiém ò day, toc dò rùt de dugc chon là 3cm /phùt.

De tao màng co dị day lón chùng tói su dung phuong phàp chóng lap nhiéu lóp.
Càc màng tao dugc de ón dinh trong thịi gian 24h sau dị sày khó ị lOO'^C trong 30
phùt trc khi chóng lóp tièp theo. Sau khi chóng dù so lóp càn thièt màng dugc dem di
ù hoàn thién.

Chùng tói tao càc màng ZnO khóng pha tap va ZnO pha Co vói nóng dị tu lat%
dé'n 25at% [17,18]

Càc màng trén de thuy tinh dugc ù nhiét 500"C thòi gian 3h trong khòng khi.
Càc màng trén de Si dugc ù nhiét 650"C thòi gian 3h cùng trong mói trng khóng khi.

Màu dugc ù nhiét trong lo hình óng ho 2 dàu, nhàn hiéu Carbolite, co tai bó món
Vàt Ly Dai Cuong. Day là lo ù nhiét hién dai co ti'nh nàng lap trình nhu y mn, co thè
khóng che nhiét dị ù ón dinh hoac tàng nhiét trong tùng giai doan.

</div>
(20)<div class='page_container' data-page=20>

Q(N03)2.6H20 Zn(CH3COOH)2.2H20

XÙC tàc

triethylamine ^ w

Cho vào eoe hòa tan
khuày déu ò nhiét dò
70° dén 80° trong 120

phùt

Ethylenglicol
Isopropanol

4

r

Làm già 24h

^ r

Sol trong suót, dóng
nhàt

^ 
^

Nhùng phù

ì r

Sày khó a 100 °c

ì r

Ù nhiét 500 °c vói de thùy
tinh,'650°cvóideSi3h

trong khóng khi

1 r

MàngZnO:Co

Làp lai so làn
= so lóp càn

che' tao

Hinh3.2. Sa do chétgo màng ZnO.Co bang phuang phàp nhùng phù sol- gel

</div>
(21)<div class='page_container' data-page=21>

• Ket qua phàn tich càu trùc

Càu truc cùa màng ZnO pha tap Co vói càc nóng dị khàc nhau dugc khào sàt qua
giàn dị nhiéu xa tia X .Trén hình 3.3 va hình 3.4 là ké't qua thu dugc theo [17]

Q.

U^

•a
e
ãĐ

O

160-
140-
120-
1008 0
6 0
4 0
2 0
0
-1

a

' b

1 1 1 1 , . , 1 1 1

0 20 30 40 50 60 7(
20 (dị)

Hình3.3. Pho nhiéu xg tia Xcùa màng ZnO.Co de'thuy tinh ù à nhiét dò 500"C vài càc 
nong dò khàc nhau: a-2%, b-5%, C'10%.[17]

C/5

Cu

O

e 
U

250
200

150

100

20 30 40

26 (dị)

</div>
(22)<div class='page_container' data-page=22>

càc chi sĨ Miller (h,k,l) là (100), (002), (101). Qua giàn dó cùng khòng thà'y pha la nào,
chùng tò Co dà thay thè Zn trong càu trùc lue giàc Wurtzite.

Dói vói màng ZnO pha tap Co vói nóng dị 5% va 10% cng dị tuong dói cùa
dinh 002 lón hon so vói càc dinh khàc chùng tị màng co dinh hng uu tién theo truc e
theo hng vng góc vói de. Ta cùng thày nóng dị Co pha tap càng cao thi cuòng dò
dinh nhiéu xa càng yèu. Su giàm cuòng dò dinh nhiéu xa tia X khi nóng dị Co tàng là
do khi pha càc kim loai chuyén tièp vào ZnO thi su ké't tinh cùa ZnO bi giàm do giói
han cùa dị hồ tan va càc hoà tri khàc nhau co thè cùa càc kim loai 3d. Ngoài ra chat
lugng màng con phti thc vào tinh chat de va nhiét dị nung ù màng. Trén hình 3.4
chùng ta thày dói vói màng ZnO:Co 5% hai lóp phù trén de Si dugc nung ù o nhiét dò
cao hon thi màng kèt tinh tịt hon, càc tinh thè dinh hng uu tièn theo truc C rò rét.
Tuy nhién viéc nàng cao nhiét dị nung ù dói vói càc màng phù trén de thùy tinh là khó
khan vi nèu nhiét dị ù cao hon sé làm bièn dang de.

Theo càc tàc già ò [19] thi khi pha tap Co co thè vào mang ZnO vói ion Co^"*" hồc Co-^"^.
Nèu ion Co^^"^ vào ZnO thi su ké't tinh cùa ZnO sé bi ành huòng do su tao nén sai hòng vi
trang thài hóa tri cao hcm. Nèu chi co Co^"*" dugc pha vào ZnO va nò thay thè Zn^"^, su
sàp xèp nguyén tu bé màt ben trong tinh thè ị mot chị nào dó se bi co lai do duòng
kinh ion Co^"" (0.58 A") nhò hon duòng kinh ion Zn^"" (0.60 A"). Vi truc a cùa mang tinh
thè song song vói màt trong tinh thè nén trong truòng hgp này hàng so mang a sé bi nhò
di kéo theo su tàng lèn cùa hàng so mang e va e tàng tun tinh vói nịng dị Co. Nèu co
cà Co^"" va Co^"" vào ZnO ò vi tri dién kè hoac thay thè Zn^"" thi hàng so mang a sé lón
hon va hàng so mang e sé nhò di do co càc thay dòi trong mang tinh thè [19]. Tuy
nhién cùng co nhùng cóng trình cho thày khi nóng dị Co tàng, hàng so mang e hàu nhu
khóng thay dói.

Càc kèt qua tinh hàng so mang a va e [17, 20] cho thày vói càc màng phù trén de thùy
tinh a cùng diéu kién che tao, khi pha Co vào ZnO hàng so mang e giàm di dóng thịi
hàng so mang a cùng giàm di. Con càc màng trèn de Si thi hàng so mang e tàng lèn con
hàng so mang a lai giàm di. Màt khàc càc màng trén de Si co dị kèt tinh va dinh hng
tòt han. Nhu vay co thè kèt luàn ràng ion Co dà vào mang cùa ZnO GJ Si chù yèu là

</div>
(23)<div class='page_container' data-page=23>

Co^"*" va 0 vi tri thay thè Zn^"^ trong mang nén. Con dói vói càc màng Zn:Co phù trén de
thùy tinh thi ion Co dà vào mang ZnO ngồi ion Co^"*" con cà ion Co^"".

Qua viéc phàn tich phó nhiéu xa tia X co thè kèt luàn ràng càc màng tao ra déu co
càu trùc lue giàc Wurtzite, viéc pha tap Co vào mang tinh thè ZnO khóng làm thay dói càu
trùc lue giàc ma chi làm hàng so mang thay dói chùt it.

• Ket qua phàn tich phó hàp thu va truyén qua

Khi ion Cô"*" thay thè Zn^"*^ trong tinh thè ZnO, nò dugc dàt trong truòng tinh thè
tu dién. Nhu dà trình bay ị chucmg II, càc mùc nàng lugng cùa Cố'(3d^) trong ZnO do
tuong tàc Coulomb, tuong tàc truòng tinh thè va tucmg tàc spin- quy dao ma eó su tàch
mùc. Co thè quan sàt thày càc chuyén mùc này khi do phó truyén qua cùa càc màu pha
tap Co, dó chinh là càc chun mùc d-d* cùa ion Cơ"" trong trng tu dién. Phó truyén
qua cùa càc màng ZnO pha Co dugc dua ra trèn càc hình 3.5 [18,21].

Quan sàt phó truyén qua cùa càc màng ZnO pha Co trèn de thuy tinh ị hình 3.5
ta thày co 3 dinh hàp thu trong vùng nhìn thày tai càc buóc song:

570 nm (2,18 eV), 620 nm ( 2,0 eV), 660 nm (1,88 eV).
Càc dinh hàp thu này tuong ùng vói càc chuyén mùc d-d* cùa Cố'[22]:

% ( F ) -> ^E(G) ^ 1,88 eV
X ( F ) - ^ T i( P ) ^ 2,02 eV
% ( F ) ^ 'Ai(G) ^ 2,18 eV

400 500 600

biròc song (luii)

</div>
(24)<div class='page_container' data-page=24>

Kèt qua này cùng dà dugc càc tàc già trong [23, 24] thóng bào. De khàng dinh 
su hàp thu do chuyén mùc d-d* trong ion Co^"*", dó thi phó trun qua cùa ZnO khịng 
pha Co cùng dugc dua ra trén hình 3.5, Co thè thày rat rị là phó trun qua cùa màng 
ZnO khịng pha tap khịng thày xt hién dinh hàp thu nào.

Ngồi ra trèn dó thi hình 3.5 co thè thày su dich bò hàp thu ve phia song dai, cuòng dò
càc dinh hàp thu tàng khi nóng dị Co tàng lén dó'i vói càc màng co cùng dị day
[18,19,20]. Chun mùc d-d* cùng co thè nhan bièt bang màt thuòng qua màu xanh
Coban cùa màng.

Theo tinh toàn ly thuyèt su dich bò hàp thu ve phia song dai là do tucmg

tàc trao dói s - d va p - d giùa càc dién tu ò vùng dàn va càc dién tu d dinh xù cùa ion
Co^^ thay chị Zn^^[23].

• Ké't qua phàn tich phó quang huynh quang

Do co nàng lugng lién kèt lón (60 meV) nèn tài hgp huynh quang exciton trong
ZnO luón nhàn dugc khi do phó huynh quang ị nhiét dị phòng. Tuy nhién khi pha tap
Co vào ZnO, cuòng dò dinh tài hgp exciton giàm di va su giàm này tàng khi nóng dị
Co tàng. Vói càc màu dà che tao, khi do phó huynh quang cùa màng ZnO:Co tai nhiét
dò phòng, cuòng dò càc dinh tài hgp exciton giàm manh tói mùc chùng tói khịng phàt
hien thày trén dó thi. Su giàm này cùa cng dò dinh exciton co thè dugc giài thich trén
co so su tàng tan xa hat tài khi tàng su màt tràt tu do pha tap. Su tàng mat dò sai hịng
lién quan dé'n Co^"*" khi nóng dị Co tàng cùng co thè dóng góp vào viéc giàm cng dị
exciton. Phó quang huynh quang cùa màng ị nhiét dò thàp va su phu thuòc cuòng dò
dinh vào nhiét dị dugc thuc hien trong [17,20].

Phó huynh quang cùa màng ZnO pha Co 10% vói buóc song kich thich 335 nm do
tai nhiét dị 150 K (hình 3.6) cho thày 6 dinh ùng vói càc buóc song 371 nm, 377 nm,

382 nm, 388 nm, 392 nm, 414 nm. Tu càc phó do dugc co the thày vi tri càc dinh a càc
màng pha tap Co co su dich chùt it ve phia buóc song dai so vói càc màng khóng pha
tap. Diéu này co thè giài thich do trén phó huynh quang co su dich bò hàp thu ve phia
song dai cùa càc màng pha tap Co nèn dị róng vìing càm cùa càc màng này giàm so vói
càc màng khịng pha tap.

</div>
(25)<div class='page_container' data-page=25>

50000

40000

30000

«o-'^, 20000

I

10000

— l —

350 400 450 500

BLTĨC .song (nm)

550 600

Hình 3.6. Pho huynh quang cùa màng ZnO pha Co 10% tai nhiét dó

a-14K, b-50K,c-150K.[17]

Phó huynh quang cùa màu ZnO:Co 10% tai càc nhiét dò khàc nhau dugc chi ra
trong [20]. Qua dó thi chùng ta thày su phu thc cng dò dinh vào nhiét dò cùa màng
ZnO pha tap Co cùng khàc vói màng ZnO khóng pha tap. Dói vói ZnO khóng pha tap
cng dị càc dinh huynh quang déu giàm khi nhièt dò tàng. Trong truòng hgp ZnO:Co
khi nhiét dò tàng tu 14 K dé'n 70 K cuòng dò càc dinh déu tàng, tu 70 K dé'n nhiét dò
phòng cuòng dò càc dinh lai giàm nhanh. Tu 200 K dé'n nhiét dò phòng cuòng dò dinh
giàm chàm. Ngồi ra trén dó thi ta cùng thày co su dich dinh ve phia buóc song dai khi
nhiét dị tàng. Diéu dó co thè ly giài là do dò ròng vùng càm giàm khi nhiét dò tàng.

</div>
(26)<div class='page_container' data-page=26>

• Ket qua do tir

De nghién cùu tinh chat tu cùa màng, chùng tói dà tièn hành do su phu thuòc cùa
tu dò M vào tu trng H[21]. Trén hình 3.7 là dng cong tu tré M-H cùa màng ZnO
pha Co nóng dị 5% trén de Si dà dugc do b nhièt dò phịng. Ké't qua thu dugc trén hình 
3.7 cho thày duòng cong tu tré thè hién khà rò.

Hinh 3.7. Duòng cong tu tré cùa màng ZnO pha Co 5% trén déSi[21]

Tinh sàt tu con dugc khàng dinh thém qua viéc nghién cùu su phu thc tu dị bào hòa
M^ cùa màng vào nhiét dò T[21]. Kèt qua do tu dị phu thc nhiét dị cùa màu màng 
ZnO:Co de Si dugc chi ra trén hình 3.8.

5.25

5.20

5.15

E

^ 5.10

E

S 5.05

5.00

4.95

. 4.90

0 50 100 150

Temperature (K)

Hình 3. 8. Dó thi nido phu thc nhièt dị cùa màu màng ZnO pha Co 5% trén de Si [21]

</div>
(27)<div class='page_container' data-page=27>

Tu dó thi hình 3. 7 va hình 3.8 co thè tinh dugc :
- Lue khàng tu H, = 45 Oe

- Nhiét dò Curie T, ~ 350 K

- Dị tu hồ bào hồ M, = 5.0 (emu/cm^) (khồng 0.15 |.IB/CO) O nhiét dị phịng.
Hién nay, càc kèt qua nghién cùu ve tinh sàt tu cùa màng mịng ZnO: Co dugc

thóng bào trén càc tap chi chuyén ngành là rat khàc nhau. Kèt qua thu dugc cùa càc tàc
già ị cịng trình [24] vói màng ZnO:Co 5% che tao bang phucmg phàp làng dgng xung
laser trèn de a - AI2O3 là: H, =50 Oe, T, = 280K, M^ = 1.8 I^B/CO. SO sành vói càc kèt
qua trén chùng tói thày ràng vói cùng nóng dị Co pha tap thi già tri lue khàng tu va
nhièt dò Curie cùa hai màu là gàn gióng nhau. Con dị tu hóa bào hịa màu chùng tói do
dugc co già tri thàp hcm. Theo ly thut, nèu tồn bị Co pha tap déu co dóng góp vào tu

tinh cùa màu thi dị tu hóa bào hịa phài là M, = 3|ÌB/CO. Tuy nhién khóng phài tàt cà

càc ion déu dóng góp vào tràt tu tu va thuc nghiém cho thày càc kèt qua M, do dugc
déu nhò hon già tri dó. Dói vói màu cùa chùng tói già tri M, nhò hcm nhiéu. Nguyén
nhàn co thè do càc ion Co-^"*" vào mang va Co"^"^ khịng dóng góp vào tu tinh hoac Co^"" ó
vi tri thay thè Zn^"^ trong mang ZnO khòng nhiéu, hoac do co su xuàt hién pha mói.

Theo càc tàc già ị [26] thi nguón góc tinh sàt tu cùa màng co thè do 3 nguyén nhàn:
• Tu tinh gay ra do càc hat tài RKKY hoac co che tuong tàc kép.
• Do tinh sàt tu yèu cùa CoO hoàc càc pha khàc dugc tàch ra.
• Do càc dàm nhị Co tu lai.

Qua ké't qua phàn tich càu trùc cùa màu cho thày khóng co pha la nào xuàt hién,
khóng co tu dàm Co. Màt khàc CoO lai co tinh phàn sàt tu ị di nhiét dị phịng (T^. =
29IK). Né'u co su dóng góp cùa CoO thi cùng khóng dàng ké vi tinh sàt tu do CoO thi

chi co O.OIJÌB/CO. Nèu chi dira trèn hình ành nhiéu xa tia X, chùng tói co the loai

</div>
(28)<div class='page_container' data-page=28>

(co thè là do cuòng dò càc dinh phó u di ngng dị nhay cùa mày do). Nèu co
Spinel ZnCo204 thi nò co thè co tinh sàt tu hoac phàn sàt tu va dóng góp vào tinh sàt tu
cùa màu vi vày cùng khòng loai trù truòng hgp tinh sàt tu là do su tàch pha mói.

3.2 Càc tinh chat Vàt ly cùa bịt ZnO pha Co

Bòt ZnO pha coban (Zni.^COxO) dugc che tao tu kèm acetate
Zn(CH3COO)2.H20, coban acetate Co(CH3COO).6H20 va PVAGL. Qua trình thuc hién
dugc trình bay chi tièt trong [27, 28, 29]. Phép phàn tich TGA/DTA trén hình3.9 cho
thày ZnO:Co tao nèn ị khồng 400"C nhung dé'n 425"C thi tàt cà càc chat hùu co mói

chày hèt [ 27]. •

DO
^

<T>-x: 
e 
DO
C
Q 

12n-10
8

b-4
2 

0--2
-4

-6--8

-10--12^

425

200

150 ^
DO 
C 
100 g^

o-50

J

Co.Oa

0 100 200 300 400 500 600
Nhiét dị "C

Hình 3.9. Gian do DSC-TGA [27]

30 32 34 36
2 theta dị

38
-1

Hình 3.10. Gian dó nhiéu xg lia Xcùa màu 
ZnO pha 5 al% Co (a) va 15 ai%Co (b) 127]

Giàn dó nhiéu xa tia X trén hình 3.10 [27] cho thày càc màu che tao vói x< 0,07 là don
pha co càu trùc ZnO kiéu lue giàc wurtzite, khòng co pha la va vói x> 0,07 thi bài dàu
co su tàch pha mói dang C03O4 hay ZnCo204.

Tu càc giàn dó nhiéu xa tia X càc hàng so mang e, a va the tich ó co so dà dugc
tinh. Kèt qua cho thày, vói x< 0.07 hàng so mang e va thè tich ó co so tàng vói su tàng
nóng dó coban. Diéu này chùng tị càc ion Co^^ dà thay thè càc ion Zn^"' trong mang
ZnO. Khi nóng dó coban cao hon 7% thi hàng so mang e giàm va bàt dàu xuàt hién pha
la gióng nhu càc màng dà che tao va trình bay ò phàn trén. Tinh chat tu dà dugc khào
sàt thóng qua càc phép do dng cong tu tré va su phii thc tu dó vào nhiét dó. Hai dị
thi này dugc trình bay trèn hình 3.11 va 3.12.

</div>
(29)<div class='page_container' data-page=29>

4E-2-2E-2H

1 OE+0

•2E-2

-4E-2

•10000

I

H(0e)

I

10000

Hinh 3.11. Duòng cong tu tre a nhiét dò phòng cùa meni ZnO pha 5% coban [27j 
5E-2

100 200 300 400 500 600
Nhièt dò (K)

Hinh 3.12. Su phu thc nhiét dị cùa tu dò cùa màu 5% Co ( H = 1 KOe) [27]

Hình 3.11 cho thày rị dng cong tu tré a nhiét dò phòng nhung tu dò chua dat dé'n
trang thài bào hồ va già tri tu dị khà nhò. Sir phu thuòc duòng cong tu dò vào nhiét dò
cho thày su giàm tu dò rò rét a khồng 700K. Theo nhàn xét cùa chùng tói, càc hình
ành trén cho thày tuong tàc phàn sàt tu trong màu hcm là sàt tu [27].

</div>
(30)<div class='page_container' data-page=30>

Dai 380nm chi xuàt hién khi màu ù a càc nhiét dò tu 350oC dé'n 450oC va bièn màt khi
ù ò 600 "C. Cuòng dò dinh này giàm khi nóng dị coban tàng. Dinh này ùng vói tài hgp
exciton nhu rat nhiéu tài liéu dà cịng bó. Trén hình 3.13 là phó PL ùng vói dinh
380nm.
2.0E+4
LTỊn
g d
ò
a.
u
U

6000-
5000-4000 H

3000-

2000-
1000-3;

i a

1

30 400 450 500 550 6C
Buóc song (nm)

3
ed

-O-DO
C
'§ 
u 
)0
1.6E+4
1.2E+4
8.0E+3
4.0E+3
O.OE+0

350 400 450 500 550

Buac song nm

600

Hình3.13. Phó PL vùng tu ngogi cùa 
càc mail co nóng dị Co lat%(a), 
4at%(b) va 10at%(c) [28]

Hinh 3.14. Pho PL cùa dai 400-500nm 
dugc kich thich 335nm ùng vài càc nóng dị 
Co lal%(a), 7at%(b) va 15 at% (c)l28J

Su giàm cuòng dò dinh huynh quang này co thè giài thich dua trén su tàng tàn xa
cùa càc hat tài do tàng su màt tràt tu khi tàng nóng dị tap Co va tàng nhiét dị ù màu.

Su xt hién va su thay dói cùa dai 400-500nm khà phùc tap khi dugc kich thich bang

buóc song 335nm. Phó PL cùa dai này dugc trình bay trèn hình 3.14.

Chùng tói cho ràng dai này ùng vói chuyén mùc ' ^ 2 ( F ) ^ '*A2(F) trong càc ion
Co^"^ [30]. Su phàn tich chi tièt dai này dà dugc trình bay trong [ 28] .

Dai 580nm co cuòng dò rat u xt hién vói màu khịng pha va co pha Co chi khi kich
thich vói buóc song 425nm. Chùng tói cho ràng bàn chat cùa dai khóng kiém sồt dugc
này eó thè do càc tap chat co san trong hoà chat ban dàu.

Dai 690nm xuàt hién khi kich thich bang bc sang 425nm va 600nm (hình 3.15).
Dai này dugc gàn vói chuyén mùc'*Tl-> ''A2 trong càc ion Co^"*". Phó kich thich cùa dai
này khóng co dinh nhon ma góm nhùng dàm nhoè róng [28] gióng vói càc chuyén mùc
truyén nàng lugng. Co thè day ùng vói càc chuyén mùc truyén nàng lugng tu càc sai
hòng trong ZnO cho càc ion Co^"".

</div>
(31)<div class='page_container' data-page=31>

3
ni

O-DO

E 
5 E + 3

4 E + 3

3 E + 3

2E-(-3-1 P-tT 
1 C + j

j J l a .

// e. ^\

W ^ ^ ^ ^ y i ^ ^

• 1 • 1 • 1 • 1 ' 1 ' 1 ' 1

640 660 680 700 720 740 760 780
Bc song nm

Hình 3.15. PhoPL cùa càc màu ZnO.Co (mg vói 2at%Co(a), 3at% (b), 
7at%(c) va 15at%(d) [28].

3.3 Ké't luan

Càc ké't qua thu dugc khi pha Co vào ZnO dang bót va dang màng cho thày su rat
khàc nhau trong càc tinh chat quang va tu. Dói vói bót ZnO:Co , tàt cà càc màu déu co
tu tinh ( déu do dugc duòng cong tu tré ) va thu dugc càc dinh rò rét trong phó huynh
quang. Tuy nhién, dng cong tu tré cùa càc màu bót khóng phu thc nhiéu vào càc
qua trình ù màu nhu nhiét dị ù, thịi gian ù con phó huynh quang lai phu thc manh
vào càc diéu kién này va tucmg tàc tu ò day co dang phàn sàt tu hcm là sàt tu. Dói vói
càc màng ZnO: Co, ké't qua khịng gióng nhu dói vói càc màu bịt. Tinh sàt tu vói nhiét
dò Te cao hcm nhiét dò phòng dà thu dugc. Tuy nhién, ty le càc màu co thè ghi nhan
dugc duòng cong tu tré khòng cao ( chi khồng 15-20 %), cng dị huynh quang rat
nhị vi vay hàu nhu khòng thè ghi nhàn dugc a nhiét dò phòng. Nguyén nhàn co thè do
màng mòng do dó cng dị huynh quang qua u.

Dac biét, là dói vói màu màng ZnO:Co phù trén de thùy tinh, mot so màu khóng
phàt hién thày tinh sàt tu mac dù phó hàp thu thày rat rị càc dinh hàp thu cùa Co^"".
Trong nhùng nghién cùu tièp theo chùng tói hy vong se tìm dugc quy trình che tao màu
tot hon sao cho càc màng tao dugc déu co tinh sàt tu va tìm hiéu thém nhùng co che
chua giài thich dugc.

</div>
(32)<div class='page_container' data-page=32>

nghién cùu tinh chat tu cùa màu ZnO:Co bang càc phuong phàp che tao khàc nhau hoàc
cùng mot phuang phàp che tao nhung a càc diéu kién khàc nhau con rat khàc nhau. Co
tàc già khòng thày tinh sàt tu trong ZnO:Co [31,32], co tàc già thu dugc tinh phàn sàt tu
... va co cịng trình cho thày ké't qua sàt tu chi dat dugc duói 10% so màu che tao dugc
[24]. Nhiéu cịng trình gàn day déu co kèt luan ràng tinh sàt tu cùa DMS phu thc rat
manh vào cịng nghé che tao, dac biét là sai hòng trong tinh thè.

De làm sàng tị tinh sàt tu trong ZnO:Co nói riéng va càc DMS II- VI nói chung,
theo chùng tói càn phài co nhùng phuang phàp do ho trg khàc nhu:

- TEM phàn giài cao (HRTEM)

-'Do nóng dị hat tài (vi nèu co che sàt tu trong màu dugc gay ra bòi càc hat tài làm
trung gian thi T, va M, cùa vàt heu con phu thc vào nóng dò hat tài).

- EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) - Phàn tich theo càu trùc
tinh tè cùa phàn kéo dai cùa phó hàp thu tia X.

Ve nguón góc tinh sàt tu cùa màu ZnOiCo nói rièng va càc DMS nói chung

con co nhiéu y kièn khàc nhau. Co nhóm tàc già lai cho ràng khi pha tap, càc ion kim
loai chuyén tièp nàm ò nhùng vi tri ngàu nhién trong mang nén va nhùng sai hịng càu
trùc hồc nùt khut Oxy co ành hng rat lón dèn tu tinh cùa vat liéu DMS [31].

</div>
(33)<div class='page_container' data-page=33>

KÈT LUÀN

Sau thòi gian mot nàm thuc hién, de tài dà thu dugc nhùng kèt qua sau

• Dà tao dugc càc màng ZnO, ZnO pha tap Co va dóng pha tap Ga [18,21] bang
phuong phàp Sol-gel.

• Dà tao dugc bịt ZnO, ZnO pha tap Co.

Trén càc màu màng va bòt che tao dugc, dà nghién cùu càc tinh chat càu trùc, tu,
quang cùa chùng. Ké't qua cho thày, dà tao dugc màng DMS co nhiét dò Curie trèn
nhiét dò phòng.

• Dà nàng càp he do phó hàp thu, phó hàp thu dugc dua ra trong [20].

Trong tuong, lai nèu dugc su ùng ho cùa lành dao chùng tói hy vong ràng viéc nghién
cùu tièp tue huóng vat liéu bàn dàn pha tu lồng nhóm II-VI se dat dugc nhùng kèt qua

tòt hon.

</div>
(34)<div class='page_container' data-page=34>

TAI LIÈU THAM KHÀO

[I] K. Wasa, S. Hayakawa - Hand hook on sputter deposition technology, 1996.
[2] D.M. Bagnali et.al, Appi. Phys. Lett. 70 (1997), 2230

[3] S.A. Studenikin, N. Golego and M. Cociceva, J. Appi. Phys. 84, 2287 (1998)
[4] Werner Kern, John L.Vossen, Thin film Process 2, 501, 1994.

[5] D. Bao, H.Gu, A. Kuang, Thin Solid Films 312 (2002) 37
[6] J. F. Muth et.al J. Appi. Phys. 85 (1999), 7884

[7] T.V. Butkhuzi et.al. J. Lumines. 90 (2000), 223
[8] D. Haln et.al Phys. Cond. Matter 3 (1995) 311
[9] C.M Mo et.al J. Appi. Phys. 85 (1998) 4389

[10] Y.R. Ruy, S. Zhu et.al, J. Appi. Phys 88 (2000), 201
[II] K. Vanheusden et.al. J. Appi. Phys. 79 (1996), 7983
[12] Y.K. Park et.al, Appi. Phys. Lett. 72 (1998), 668
[13] K. Mermin, Physics of Solids State, 1989

[14] T. Dietl, H. Ohno, F. Masukura, J. Libert, and D. Ferrand, Science 287(2001)1019
[15] H. Katayama-Yoshida, K.Sato, Appi. Phys. Lett. 72 (1998), 668

[16] N.T.T. Hien et.al, Proceeding of the Fifth Vietnamese-German on Physics and
Egineering, Hue, (2002), 232-235.

[17] Luan vàn cao hoc cùa Pham Thi Mai, Khoa Vàt ly,Truòng Dai hoc Khoa hoc Tu
nhién, DHQG Ha Nói, 2005.

[18] Khồ luan tot nghiép Dai hoc he chinh quy cùa Nguyén Anh Tuàn, Khoa Vàt
ly,Truòng Dai hoc Khoa hoc Tu nhién, DHQG Ha Nói, 2004.

[19] Y-Z Yoo, T. Fukumura et al. J. Appl.Phys. Vol.90 (2001),4240

[20] N.T.Thuc Hien, Ngo Xuan Dai, Nguyén Anh Tuàn, Nhùng vàn de hién dai cùa Vàt
ly Chat ràn, TàpIII-B, 5(2004), 676

[21] Nguyén Thi Thuc Hien, Ngo Xuan Dai, Nguyén Anh Tuan, Vu Nguyén Thuc, Vo
Thach Son and Pham Thi Mai, Proceeding of the Eigth German-Vietnamese Seminar on
Physics and Engineering, Erlangen,03-08, Aprii 2005

[22] W. Kern, J. L. Vossen, Thin Film Process 2, 2000,50i
[23] R.Dingle et al. Phys. Rev. Lett. 23,579(1969)

[24] K. Ueda et al. J.Appl. Phys.LeU.79,(2001),988

[25] R.A. Wolff, R.N. Bhatt and A.C.Dursst, J. Appl.Phys.79, 5196 ( 1996)
[26] D.Haln. et al., Phys. Cond. Matter, 311 ( 1995)

[27] N.T.Thuc Hien, I^lguyen Hanh, Huynh Dang Chinh, Le Thi Quy, Le Van Vu, and
Ngo Xuan Dai, The Ninth Asia Pacific Conference (9th APPC),HaNoi 10/2004

[28] Nguyén Thi Thuc Hien, Le Thi Quy, Ngo Xuan Dai, Nguyén Hanh, Huynh Dang
Chinh, Dao Viet Linh, VNU. JOURNAL OF SCIENCE, Mathematics-Physics,
TXX,No3AP,2004,57

[29] Khoà luàn tot nghiép Dai hoc he chinh quy cùa Le Thi Quy, Khoa Vat ly,Truòng
Dai hoc Khoa hoc Tu nhién, DHQG Ha Nói, 2004.

[30] R Koidl, Phys. Rev. B 15 (1977), 5

[31] S. Kolesnik, B.Dabrowski, and J. Mais, J. Appi. Phys. 95, 1582 (2004)

[32] K. Ando, H. Saito, Z. Jin, T. Fucumura, M. Kawasaki, Y. Matsumoto, H.
Koinuma, Appi. Phys. Leu., 78 ( 2001), 2700.

</div>
(35)<div class='page_container' data-page=35>

The Ninth Asia Pacinc Physics Conference (9th APPC)

INVESTIGATION OF MAGNETIC AND OPTICAL PROPERTIES OF

ZPIXCOXG POWDERS PREPARED BY SOL-GEL PROCESS 
Nguyén Thi Thuc Hien % Nguyén Hanh ^ Huynh Dang Chinh ^

Le Thi Quy ", Le Van Vu •, and Ngo Xuan Dai " '

a. Faculty of Physics - Hanoi University of Science 
334 - Nguyén Trai - Hanoi - Vietnam

b. Department oflnorganic Chemistry - Hanoi University of Technology 
No. 1 Dai Co Viet - Hanoi - Vietnam

Abstract- Zn/.jCO;tO '(x< 0.15 ) powders were prepared by sol-gel process The powders .show wurtzite cry.sial

structure with c-axìs and a-axis lattice constants changing with x. The photolumincscence speclra were 
measured. Three emission bands located at around 400. 590 and 690 nm were observed. Clear magnetic 
hysteresis toops were obtainedat room temperature with magnelization in the range of IO' emiig

\. Introduction

Diluted magnetic semiconductor (DMS) Zni.xCOxO, one of the most promisìng materials, has
drawn much attention in research area of spin electronics as theoretical studies predicted possibility of
room temperature ferromagnetism (RTFM) [1]. Although theoretical calculation has shown that the
ferromagnetic state is easily stabilized by electron doping in Fé-, Co-, and Ni- doped cases and by
hole doping in the Mn-doped case [2], the magnetic properties of, in particular, Zni.^TM^O fihn
appear lo be quite sensitive to conditions of preparation. Some ferromagnetic features were in
Co-doped ZnO films but the reproducibihty with Te of about 300K was less than 10% [3]. Kim et al [4]
pointed to the presence of Co clusters in theirthin film as a reason for RTFM. Very recently, Kolesnik
[5] have shown that no high-temperature FM ordering is present in single-phase samples. FM in these
materials can be induced by second phases that may appear after non-optimal synlhesis conditions.

In this study we investigate the optical and magnetic properties of Zn^^Co^O powder prepared
by sol-gel method. We propose the origin of the magnetism in the samples.

2. Experimental

Polycrystailine Zn^^Co^O powder was prepared though sol-gei transition of homogeneous
pink-color beginning solution of zinc acetate dihydrate Zn(CH3COO)2.2H20, cobalt acetate
hexahydrate Co(CH3COO)2.6H20 (as precursors) and PVAGL (as complex agent). The sol-gel
process was carried out at temperature range of 50-^100 °C. The

wet resulted gel of the process was in turn dried (at 100 °C), 
pre-heated (at 450 °C\ solft-miiied and fmally post-annealed at 600 
°C for 15 mins with heating rate of 20 °C/min to form the desired
Zni.xCOxO powder materials. Cobalt doping concentrations were
varied from 2 at% to 15 at%.

The quality of the samples was characterized by X-ray
diffraction (XRD). The magnetic properties were investigated by

using a vibrating sampie magnetometer (VSM). The
photolumincscence (PL) spectra were obtained by a FL3-22
Jobin-Yvon spectrofluorometer. Differential thermal anaiysis
(DTA) and thermogravimetric anaiysis (TGA) were used to
verify the processes carried out during annealing of the powder.
3. Results and discussion

The TGA/DTA anaiysis results show the ZnOCo is
formed at about 400 °C but ali organic substances are removed at 
about 425 °C(fig.l).

The XRD patterns (fig.2) indicated that the samples with
x<0.07 are single-phase of ZnO hexagonal wurzite crystai and the
presence of the second phase, spinel-like Co^Oj (orZnCo20j)can

be observed for x>0.07. /-Vi.' 2 XRD patterns affa) 5 ai%

and (fv 15 al% Co doped sanìplc

425

150

100 200 300 400 500 600

1 emperature T

</div>
(36)<div class='page_container' data-page=36>

The Ninth Asia Pacific Physics Conference (9th APPC)

From XRD patterns the lattice parameters a, e and the unit-ceil volume were calculaied. The

results indicated that c-parameter slightiy increased with cobalt concentration up to x<0.07 and then 
linearly decreases. It is also valid for the unit-cell volumẹ In contras! to e, the a-parameter decreased 
with Co contents. We expect that for x<0.07 ion Cố were substituted to ions Zn^* so the e increased 
and a decreased. The increasing of the unit-cell volume was the reason of more slowly decreasing of a 
than the increasing of ẹ With x>0.07 the second phase C03O4 (or ZnCo204) appeared. The ion radius

« f o « ii.,_*u !._, - r ^ - ^ so the decreasing can beexplainedby the presence ofCo^*.

ofCo'

4E-2

OE+0-5E-2

-10000 0 10000

H(Oe)
Fìg. 3. Hysteresis toops at 
room temperature of5 at% Co 
doped samples

100 200 300 400 SOO 600 700 800

Temperature (K)
Fig. 4. Temperature dependence 
of magnelization of5 at% Co 
doped sample (H=lKOe)

5E+4

^ 3E+4 i

OE+0

is smaller than that of Co^
For investigating the 
magnetic properties of
Zni.xCOxO, the magnelization M
versus magnetic fieid H and the
temperature dependence of M
were measured. The M(H) and
M(T) curves are shown in fìg.3
and fig.4. The hysteresis cycles
at RT are obtained for almost
samples. From fig.4 we see no
evidence of a ferromagnetic
transition. The temperature
dependence of the
magnelization is expected the
disorder model of Bhatt and
co-worker [6]. The model indicated
the effects of positional disorder
of the magnetic impurities, in
which the carriers are allowed to
hop only between the transition
metal dopants. The interaction

between the carriers and the
magnetic ions is an
antiferromagnetic Heisenberg
exchange type. However the
origin of the FM is stili a source
of active research.

Photolumincscence spectra obtained at 300 K from the Zni.^COxO are complicated. There are
three bands: broad band around 400^500 nm, 588 nm and 690 nm (fig.5, fig.6). The inlensity and the
peak position of the bands depend on the Co content, the optical excitation and annealing conditions.
Among them the only band at 588 nm show no dependence on the doping. This band also appears at
non-doped samples. The peak at 690 nm was attributed to electronic transition in Co^* ions. As the
limit of the content we will discuss the PL spectra in a next report.

4. Conclusìon

Zni.xCo^O powder have been synthesized by sol-gel method. There was the separation of Co
compound phase when x> 0.07. The magnelization was expected the disorder model of Bhatt, in
which the magnetic exchange is antiferromagnetic Heisenberg type. The photolumincscence at room
temperature included three bands located at around 400 nm, 590 nm and 690 nm.

5. Acknowiedgement

The authors would like to thank Msc. Cao Xuan Huu. Bsc. Nguyén Quang Hoa, BSc. Ngo Due 
The for VSM and XRD measurements. This work M-as fìnancially supported by project No. QT 04-09.

References

[11 K. Sato and H. Katayama-Yoshida, Jpn. J. Appi. Phys., Voi. 34, L555-[,558 (2000)
[2] K. Ueda. H. Tabata and T. Kawai, Appi. Phys. Lett.. 79. 3824 (2001 )

(3| K.Sato and H. Katayama-Yoshida. Jpn. J. Appi. Phys. Part2. 40. 1,334(2001)

[41 .lac Hyiin Kim. Jae Bung l.ec. Hyojin Kim. Young T-on Ihm. and Woong Kil Chw. U-l:!: Trans, Mag 35. (5). 2002
|5| S. Koicsnik. IT Dabrowski. and J. Mais, J. Appi Ph>s. 95. 1582 {20(J4)

[6] IkTcui M. Bhatt RN, Physica B 2002. 312/313. 8L5
Corresponding aulhor: Tel: 84-4-8587S44

E-mail: dainxdTvnu.edu.vn

350 400 450 500 5S0 600

Wavelength nm

Fig. 5. PL spectrum of 
latVo Co doped sample

^ 2EO

640 660 680 700 720 740 760 780

</div>
(37)<div class='page_container' data-page=37>

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI

ISSN D866-8612

B^.

h

tè

.. i f

:^v>iv-^*tf!-iSa^i^v.^-# !

JOURNALO F#5C le

; • -

•J^'i-'^Wfi

i;

T O A N - V A T L Y

MATHEMATICS - P H Y S I G ẫ t ỡ

ããiằô*TV'

Aif.1

I

>T"*i.''^r->(

: -S/^:

• . r . \ ? i , - . • ^ - !

</div>
(38)<div class='page_container' data-page=38>

J O U K M ^ ^ 1 %f\^.^f.^*^. •ematics - Physics. T.XX. KMP. 2004

Pf^REPAEATION AND INVESTIGATION OF OPTICAL PROPERTIES
' ~" OF ZnO: Co POWDERS

N g u y é n Thi T h u c H i e n , Le Thi Qui, Ngo Xuan Dai

Department of Physics, College af Science, VNU

N g u y é n Hanh, H u y n h D a n g Chinh, Dao Viet Linh

Department of Organic Chemistry, Hanoi University of Technology

r^f^^jy>^-7?f£-'::^' j

\

Abstract: ZnO; Co powders with Co concentrations ranging from 1at% to 15at%
were prepared by sol-gel method. The powders show wurtzite crystal structure
with the lattice constants changing with the cobalt content. The photoluminescence
spectra (PL) consist of four bands : a exciton emission band of 380 nm, a band
around 400-500 nm. and two bands at 588 nm and 690 nm. The existence and
the intensity of the bands depend on the Co content, the optical excitation and
the annealing condition. Origins of the emissions were proposed.

1. I n t r o d u c t i o n

Diluted magnetic semiconductors (DMSs) have attracted much attention because of
the possibility of a spin source or spin mjector in spintronic devices. Although
ferromagnetism was observed in some of Co-doped ZnO, the origin of the ferromagnetism

has not been clarified yet. Moreover,'the growth condition also much influent on the
physical properties especially on the optical properties [1].

In this study we investigate the optical properties of Co-doped ZnO powders prepared
by sol-gel method, in which the cobalt contents were from 1 at % to 15 at %. We propose the
formation of the phases a t the different synthesis condition. We also study the influence of
the annealing, the cobalt content on the PL spectra.

2. E x p e r i m e n t a l

Co-doped ZnO powders were prepared by
sol-ge^ method. T h e main preparing procedure was
dcscribed in [2]. The annealing temperatures were

òO^C. 450°C, and 600°C. The crystal structure of
he powder was characterized by X-ray diffiraction

RD) with a Bruker D5005 X-ray diffractometer.
Ile Jobin-Yvon FL 3-22 spectrofluorometer was
tiscd for the optical characterization.

\.

35 36 37

2lhc[a dciircc

Fig.l. XRD pattei-ns of (a) 7% at%,
(b) 10 at%. (e) 15 at% Co-doped samples

i^csults a n d d i s c u s s i o n

The XRD p a t t e r n s were exhibited in F i g i . It 
p =^^^n that for low cobalt concentrations (< 7 at %) 
i nionophase of zinc oxide was formed and no extra

</div>
(39)<div class='page_container' data-page=39>

58 Nguyén Thi Thuc Hien, Le Thi Q

c o r r o s p o n d to zinc oxicle a n d a new p h a s e which
!nay o i t h o r h a v e bcon C o , 0 , nr t h e zinc spinol
Znf"ọ,0, It w a s noi possihlc u, idcntify which 
p h a s e w a s p r c s c n l a s t h e diffraction p a t t e r n s for
CojỌ, a n d ZnCọ^O, a r e very siiiular. T h e i n t e n s i t y
of t h e p e a k s of t h e new p h a s e i n c r e a s e d a s t h e
p e r c e n t a g e of c o b a l t i n c r e a s e d . T h i s s u g g e s t e d t h a t
t h i s p h a s e i n c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g cobalt c o n t e n t .
M o r e o v e r , for t h e s a m p l e s a n n e a l e d in lower
t e m p e r a t u r e s 350-450'^C, t h e a-axis i n c r e a s e d a n d
t h e c-axis d e c r e a s e d w h e n t h e cobalt c o n t e n t s
i n c r e a s e d . B e s i d e s , t h e p e a k s of Co-doped ZnO w e r e
b r o a d e n e d m o r e t h a n t h a t of Z n O . T h i s m e a n s t h e
s m a l l e r s i z e s of ZnO:Co t h a n Z n O itself. W h e n t h e
a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e w a s 600°C, t h e a-axis a n d
c-axis a l m o s t d e c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s e of t h e Co
c o n t e n t s . T h i s i n d i c a t c s t h e c o n t e n t of Cốions w a s
h i g h e r in t h i s c a s e b e c a u s e t h e r a d i u s of Cô* ions is
s m a l l e r . If Co"** ions coexist with Cô* ion in
Znị^CôO t h e alloy is e x p e c t e d to h a v e lattice
defects. W h e n s u b s t i t u t e Zn s i t e s , such Có* ions
a r e e x p e c t e d to act a s d o n o r s a s well a s to d i s t o r t

t h e l a t t i c e s t r u c t u r e for h o l d i n g c h a r g e n e u t r a l i t y .
It is a l s o t h e r e a s o n for a p p e a r i n g new spinel
p h a s e s .

T h e P L s p e c t r a m e a s u r e d at room
t e m p e r a t u r e i n c l u d e s four b a n d s : SBOnm, 400-500nm,
5 8 0 n m a n d 6 9 0 n m . T h e r e a r e :

-The UV emission near a band edge ofSSOnm:

e x i s t s o n l y for t h e s a m p l e s a n n e a l e d at 350-450"C
a n d d i s a p p e a r c d w h e n t h e a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e
w a s 600"C For ali s a t n p l e s t h e i n t e n s i t y of thi-.
peak d e c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g t h e cobalt content.-,
T h e TL si)eelra of UV e m i s s i o n for t h e s a m p l e s
a n n e a l e d at 4 5 0 " r for Ih a r e s h o w n in Fig 2 T h e
r c d u c t i o n of t h e excilonu; s t r e n g t h with increa-^mt^
cobalt d o p i n g can be explainccl m t e r i n ? of the
i n c r e a s e d c a r r i e r s c a t t e r i n g d u e to i n c r e a . e d
d i s o r d e r m t h e c r y s t a l l a t t i c e w i t h i n c r e a s i n g cobalt
d o p i n g . T h i s also ex pia in why the ^aniph
a n n e a l e d a t 60U"C dui not e x h i b i t UV . • m ' ^ - > n ,i
room t e m p e r a t u r e

- The band around 400-500nni: At a n n e a h n g 
t e m p e r a t u r e of 450"C t h e c x a m p l e s h o w e d onlv one

= S -ãô ã 3

4oct3 ;

350 400 450 500 550 60<

Wavelength nm
Fig.3. PL spectra ofCo-doped Z

(a) 1 at%, (b) 7 at%, (e) 15 at%

640 660 680 700 720 740 760 7F
Wavelength nm
Fig.4. PL spectra of (a) 2 at% (b) 3 r

(ci 7 a t % (d) 15 a t % d o p e d s a n i p

6000
5000
^4000
t 3 0 0 0

I 2003

1000

1\

>..

:i50 400 450 500 500 f//j

I ' ' i g . 2 . U V P L s p ' j e i i a of i . u l ,i;

'111 1 nt '•;,. (r) 10 al . f'-.-rlnp...! >

p. .
: 
.-.>. 
'iDOO 
'l'j-y. 
'-•• 
/

J

</div>
(40)<div class='page_container' data-page=40>

r^cver, at annealing temperature of 600"C this band separated into three peaks. There 
418,'440 and 467nm. Fig.3 shnv.-s the PL spectra of these bands. After Koild [5] the

J5 bclong to the transitions ^T, (F) -^ ^As (F) for Co"*. However the behavior of these

P ^ j j . (lepends on the annealing regime, such as rapid or not. J.H.Kim (3] measured PL 
l^ectra for ZnO:Co. They found that the PL spectra consists of 415nm and 540nm peaks

P 7 h that the intensity decreased monotonously with increasing cobalt content. Up to 25 at
^1- Co the band of 415nm disappeared and the band of 540nm shift to longer wavelength. In
r case, when the annealing time and the cobalt content increased, the peak 418 nm
.- ppeared while the peaks of 440 and 467 nm shifted to longer wavelength. The decrease
f the intensity of 418 nm band with the increase of the cobalt content may be explain as
the contnbution of some absorbtion transition of the spinel oxides C o / ) , or Zn^Co;j,,0, m
this range of the wavelength. The higher cobalt concentration the higher possibility to form
Co 0 aiid Zn.Co;, ,0., makes the decrease of the absorption transition m ZnO.

- The band at 580 nm: The spectrum around 580 nm existed also in ZnO itself. The 
peak is possibly formed by some impurity from the chemical precursor such as zinc acetate

as the film ZnO:Co prepared from such zinc acetate also reveaìed this peak.

- The band at 690 nm: This band appeared when the sample was excited by 425 nm 
and 600 nm wavelength. The spectra of the peak were shown in fig. 4.

The intensity of the peak decrease with the increasing of cobalt content and the peak
position shifted to longer wavelength. The photoluminescence excitation (PLE) spectrum of
the 690 nm band was recorded. Fig. 5 is the PLE spectrum of the sample with 5 at% doping
and annealed at 450^0. After Koild |4] the peak of 690 nm is attributed to the transition
<X, -> ^A;, for Co^\ From the PLE spectrum for this peak we can see the broad line
spectrum. It is the feature of the absorption by the charge-transfer transition.

4. Conclusion

Co-doped ZnO powders powder have been synthesized by sol-gel method. The
structure and photoluminescence of the samples were investigated. At higher cobalt-doping
concentration there was the segregation of new cobalt oxide phase. The origin of the PL
bands was proposed.

Refe rences

1. K, Ueda. H. Tabata and T. Kawai, App/. Phys. Lett. 79(2001), 988.

2. N.T.T Hien. N. Hanh, H.D. Chinh. L.T. Qui. L.V. Vu, and N.X. Dai, The Ninth Asza Pacific 
Physics Conference, Hanoi 2004 (m press).

^ M Oku and Y. Sato, Appi. Surf Sci. 55(1992). 37.

•1 Li. flvun Kim. Jae Bong Lee, IEEE Transactions on Magnetic. 3S. (2002), 1, 
5 P Koidl, Phys. Rev B 15(1997), 5.

</div>
(41)<div class='page_container' data-page=41>

15. T r a n T r u n g D u n g , N g u y é n V a n H u n g , Calculation of meltmg

temperature applied to fcc alloys 44
16. H o a n g V a n H a i , N g u y é n Van Du, D a n g Le M i n h . The electric

property of the perovskite compound Ca,.xNdv;MnO.-i 48
17. D u o n g Thi Hanh, N g u y é n D u e T h e , N g u y é n C h a u , N g u y é n H o a n g

L u o n g , The large magnetocaloric effect above room temperature in

manganites (La, ^PrJ„c-Pb„ ,;,MnO:( 51
18. N g u y é n T h i H o n g H a n h , N g u y é n Vu C a m B i n h , Do T r u n g Kien,

Vu A n h P h i , About one experimental modulus having excited the

parametric phenomena by low pumping frequency 51
19. N g u y é n T h i T h u c H i e n , Le T h i Q u i , Ngo X u a n D a i , N g u y é n

H a n h , H u y n h D a n g C h i n h , D a o Viet L i n h , Preparation and

investigation of optical properties of ZnO: Co powders 57
20. H o a n g C h i H i e u , T r i n h D i n h C h i e n , Influence of soliton interaction

on optical communication systems 60
21. N.T. M i n h H o n g , N.H. D u e , N.H. S i n h , V. N. T h u c , Orientation of the

magnetic moments in perpendicular anisotropie thin films by hall

effect 63

22. Phung Thi Thuy Hong, Bach Huong Gìang, Bach Thanh Cong,

Magnetic polaron in magnetic Perovskites 66
23. N g u y é n V a n H u n g , N g u y é n T h i Van, Le Hai H u n g , Interatomu

potential and cumulants of BCC crystals under Influence of anharmonic

and Impurity Effects in EXAFS theory 69
24. N g u y é n V a n H u n g , N g u y é n Ba H u n g , Anharmonic correlated einstein

model for XAFS cumulant of orthorhombic crystals with impurity "3
25. Ngo T h u H u o n g , G. N a k a m o t o , M. K u r i s u , Spatial distribution on

thermoelectric properties for Bi, sSbooTe-if, compound ' '
26. Ngo T h u H u o n g , T a D i n h C a n h , N g u y é n D u y P h u o n g , N g u y é n

N g o c L o n g , Studying the structure and some properties of r.f,

magnetron sputtered ZnO: Al films ' ^
27. G i a n g M a n h K h o i , T r i n h D i n h C h i e n , Influence of gain medium in

the dye ring laser

28 Do T r u n g K i e n , N g u y é n A n h T u a n , T r a n V i n h T h a n g , D a n g H u n g
Antenna design for passive rfld tags

29. T r i n h T h i L o a n , Le H o n g Ha, N g u y é n Ngoc L o n g , N g a c An B a n g ,
N g u y é n H a n h , Optical properties of Co"^ in synthetic ZnALO, spinel
30. Vu T h a n h M a i , N g u y é n H u y S i n h , N g u y é n A n h T u a n , Do H o n g

M i n h , Magnetic properties and existence of charge-ordering state in ^^
Lai..Ca^MnOa system

31. N. D. M i n h , T. D. H i e n , N. K. M a n , C. K. O n g , Effect of substrate ^^
t e m p e r a t u r e s on the properties of YBa.Cu.O:.^ thin films

</div>
(42)<div class='page_container' data-page=42>

Proceedings ofthe Eighth German-Vietnamese Seminar on Physics and Engineering, 
Erlangen, 03-08, Aprii, 2005

Preparation and characterization of cobalt doped ZnO fiims

Nguyén Thi Thuc Hien', Ngo Xuan Dai'*, Nguyén Anh Tuan',
Vu Nguyén Thuc', Vo Thach Son*** and Pham Thi Mai'

" Faculty of Physics ~ Hanoi University of Science - VNUH-Vietnam, 
hìstitute of Engineering Pliysics - HUT- Vietnam. sonvt@mail.ìnit.edu.vn

Diluted magnetic semiconductor Zni.,COxO with Curie temperature of 350 K has been prepared
by sol-gel method. The crystalline structure ofthe films depends on the annealing time, gallium
(Ga) co-doping. The transparence ofthe films in the visible region has been examined by
UV-visible absorption. The influence ofthe impurities on PL was also investigated. The existence of
the ferromagnetism was discussed.

1. Introduction

Recently ZnO has drawn much attention in the field of spintronics since it was
expected that ZnO-based diluted magnetic semiconductor (DMS) is a possible candidate
for realizing the ferromagnetism with both a high Te above room temperature (RT) and
large magnetization [1]. Up to now the ferromagnetism of DMS has been being an open

topics. Theoretical work has predicted hole-mediated room temperature ferromagnetism in
ZnO doped either with Mn [2] or Co [3]. But ferromagnetism has been confirmed
experimentally in both p- and n-type materials. RT ferromagnetism has been reported for
some Co"*"^, Fe"*^^ and V"^^-doped ZnO thin films [4,5] but several studies also report the
absence of ferromagnetism in films with the similar method of preparation [6,7]. There
were conflicting results among different authors. Besides the experimental reproducibility
in the preparation was rather poor [4]. Up to now the exact nature ofthe fen-omagnetism
also remains unclear.

In this report we investigate the structural, optical and magnetic properties of
Zni-xCoxO and Zni.xCOxO:Ga films prepared by sol-gel method and discuss on the origin
of ferromagnetism ofthe samples.

2. Experimental

ZnO, Co-doped ZnO and Co, Ga-codoped ZnO films were prepared by sol-gel method.
Zinc acetate Zn(CH3COO)2.2H20, Co(N03)2.6H20 and Ga(N03)2-9H20 were used as
precursors. The cobalt concentrations were ranging from lat% to 25 at%. For the 5 at%
cobalt doped film the 1 at% Ga impurity was co-doped. The sol-gel coating was prepared
by the dipping procedure. The substrates were glass or Si. The thickness ofthe films was
about 400 nm. The annealing temperatures ofthe films were 500 °C and 650 ''C for 3h. The
procedure ofthe sample preparation was described elsewhere in [8,9].

</div>
(43)<div class='page_container' data-page=43>

Results and discussion

The XRD patterns in Fig.l show that
the films have wurzite structure of the
ZnO material. The intensity of the
diffraction peak (002) being much higher
than that of the other peaks means the

orientation of the films was rather
preferential [9].

The XRD patterns also indicated that
for the samples annealed at 500 "^C,
c-parameter (c-axis) increases and
a-parameter (a-axis) decreased when cobalt
concentration increased up to 7 at% [9].
This means ions Co^"*" were substituted to
Zn^"^ in ZnO for lower cobalt
concentrations and contribute to the
ferromagnetism of DMS. For higher
annealed temperature (650 °C) or longer
time duration of armealing (>3h) or
higher cobalt concentrations, there were
shown new phase in XRD patterns such
as spinel C03O4 or ZnCo204.

The figure 2 shows the optical
transmittance spectra of the films
annealed at 500 "C. There were three
absorption bands at 570 nm (2.18 eV),
620 nm (2.0 eV) and 660 nm (1.88 eV)
for Co-doped and Co-Ga co-doped films.
The absorption bands are attributed to
d-d intraionic transitions of tetrahedrally
coordinated Co^"*". They are assigned as

% ( F ) -> ' A , ( G ) , % ( F ) ^ ' T , ( P ) and

'*A2(F) -> ^Ti(G) transitions in high spin
state Co^"" (d^), respectively [10]. As also
seen in Fig.2 there is a red shifì of the
band gap when ZnO is doped by Co and
Co-Ga. This ìndicates the sp-d exchange
interaction in the samples. Moreover the
absorption of the Co-doped sample was
higher than that of Co, Ga co-doped.
Besides the absorption of the bands of
the sample with higher annealed
temperattire (650 °C) is also lower (not
shown bere). The reason may be concem
the possibility of cobalt with higher
degrec of ionization (Co^"") entered the
lattice when the films were annealed at
higher temperature and longer time [9].

220-,

200-
180-
160-
140-
120-
100-
80-
60-
40-
2
0-c

b
a
•<*M

t

y

.spine!

Ci.

K> L^^^

20 30 40 50 60 70

Fig. 1: XRD patterns of (a) ZnO (b) ZnO:Co
(e) ZnO;Co-Ga on glass substrates

V X

-•^
o oc
U
O ^ 
c
E
^
«-n
k-i .
H

2 0

-0-,
300

660nm ^^^^^^ 
620nm f ^ "^ 
570nni L "^

y i

' "^ Jt

1 - ' ' / " j '

y-^^\'^'-~' 
f/ 
/
fi 
/jl

;J

• " y - . - , . , , , . 1 .
400 500 eco 7ro «e

Wavelength nm

Fig.2: Transmittance spectra ofthe films measured at
RT (a) Zno.95Coo.05O (b) Zno.94Coo,o5Gao.oiO (e) ZnO

200000-
150000-
100000-
50000-0-1
l 
350

i:

'•A

d ^ - - ^

400

^ —

450 500

^ ^ • " 1 ^

550

</div>
(44)<div class='page_container' data-page=44>

Por investigation ofthe optical properties the photoluminescent (PL) spectra were also 
measured and were given in Fig.3. As seen in fig. 3 the impurities have much influence on 
the behaviors ofthe PL spectra.

-15000 -10000

E 6]

4-^ 24-^

-5000 j

-6

5000 10000 15000

H(Oe)

520

E 5.00

50 100 150 200 250 300 350 400 450
temperature K

Fig. 4 Hysteresis cycle performed at RT

of Zno.gsCoo.osO film annealed at 500 "C Fig. 5 Magnetization vs temperature data measured in field of 10.000 Oe 
Fig.3 Ìndicates that the PL intensity ofthe exciton emission (around 380 nm) and the
emission regarding the defect of oxygen vacancies ( around 500 nm) decreased with
doping. With increasing impurities the scattering of carriers with the impurities increases
and it makes lowering the exciton emission intensity. For the green emission (around 500
nm), a transition from the oxygen vacancy defect centers to a Zn vacancy defect center has
been proposed [11]. So when Ga and Co were doped, the Ga"*"^, Co^"'and Co^^ could
substitute the Zn^"*" vacancy sites. This is the reason for decrease of PL band of the green
emission.

The field dependence ofthe magnetization (the M-H curves) ofthe film ZnO:Co (5%)
annealed at 500^*0 measured at room temperature was shown in Fig.4. There was
well-defined hysteresis loop with the coercive field (He) of 45 Oe and the saturation
magnetization (Ms) of nearly 5 emu/cm^ (about 0.12 |IB/CO).

The saturation magnetization Ms and the coercive field He of ali films annealed at
500°C are given in the table 1.

Tablel: He and Ms ofthe samples with different cobalt doping concentrations.

%Co 
He Oe
Ms (emu/cm"')
1
32
3.5
2
62
4.7
5
45
5.0
15
250
5.3
25
94
4.5

It is seen that Ms o f t h e samples were small (max. 0.15 |ÌU/CO) in comparison with

3|IB/CO expected from ionie Co^^ moment in a tetrahedral crystal field though it is usually

</div>
(45)<div class='page_container' data-page=45>

increase of the cobaU concentrations [13]. After M. Oku [14] under common ambient 
conditions, the thermodynamically-favored form of the oxide is oflen the spinel M3O4
(M=Ni,Fe,Co). Even when mass transport limits the bulk of the oxide to a metastable 
monooxide form, the surface can and often does contain significant amounts of spinel
phase. We mie out the presence of antiferromagnetism of CoO in the samples. It is also
seen in table 1, the decrease of Ms at 25% was not in the mie with other concentrations.
This is because ofthe decrease of Co^^'ions by the increase ofthe spinel stmcture. In our
case the spinel ZnCo204 may be n-type or isolator and has antiferromagnetic interaction
because p-type ZnCo204 has ferromagnetism [15].

Fig.5 shows the temperature dependence of the magnetization of the sample which
M-H curve has already shown in Fig.4.

The SQUID results show that the ferromagnetics of Co-doped ZnO films was above
room temperature (Te is around 350K). However the origin ofthe ferromagnetism ofthe
samples stays unclearly whether the ferromagnetism was exist by cobalt clusters or not.

Up to now we stili have a problem with the reproducibilitỵ For ZnO:Co annealed at
SOỐC the reproducibility was only 15%. For ZnO: Co,Ga or the films annealed at 650''C
and for longer time ( > 3h) we have reveaìed no ferromagnetism yet. May be the number
of the samples was not enough for the low reproducibilitỵ Moreover for the ZnO:Co,Ga
we could not investigate the electric properties.

4. Summary

The diluted magnetic semiconductor Zni.xCoxO (x = 0.01-0.25) with Curie temperature

of 350 K has been prepared by sol-gel method. The structure, optical and magnetic
properties were investigated. Some phenomena have been not clear yet and need to
perform further experiments to confinn the magnetic properties.

Acknowiedgement

The authors would like to thank Msc. Cao Xuan Huu, Bsc. Nguyén Quang Hoa, BSc.
Ngo Due The for VSM and XRD measurements. This work was supported by VNUH
project No. QT 04-09.

References

[I] K.Sato and H. Katayama-Yoshyda, Jpn.J.Appl.Phys., Part 2 39, (2000) L555 .
[2] T. Dietl, H.Ohno, F. Matsukura, J.Libert, and D.Ferrand, Science 287, (2001) 1019 .
[3] H.Katayama-Yoshida and K.Sato, Physica B 327, (2003) 337.

[4] K.Ueda, H.Tabata,T.Kawai, Appl.Phys.Lett.79, (2001) 988.

[5] D.P.Norton, S.J.Pearton,A.F.Hebard, N. Theeeodoroponlow, L.A. Boatner, R.G. Wilson, Appi. Phys.
Leu., 82 (2003), 239.

[6] K.Ando, H.Saito, Z.Jin, T.Fucumura, M.Kaawasaki, Y.Maatsumoto, H.Koinuma, Appi. Phys.
Lett.,78(2001), 2700.

[7] S.Kolcsmk, B.Dabrowski, and J. Mais, J.Appl.Phys. 95 (2004) 2582.

[8] N.T.T.Hien, N.X.Dai, P.N.Hai and N.C.Thanh., VNU J. Sci., Mathematics-Physics XIX,25 (2003) 25.
[9] N.T.T.Hien, N.X Dai, N.A.Tuan, Proc. ofthe 4"^ conf on Sol. Sta. Phys, Thai Nguyen5-7/l 1/2003,676.
[IO] Y.Z.Yoo, T.Fukumura Z.Jin, K.Hasegawa, M.Kawasaki,P.Ahmet, T.Chikyow, H.Koinuma, J.Appl.
Phys., 90 (2001) 4246.

[II] K.N.Yoon aand J.Y.Cho, Mater.Res.Bull 35,(2000) 39.
[12] H. Ohno, J. Magn.Mater.200,(1999) 110.

</div>
(46)<div class='page_container' data-page=46>

HÒI DONG KHOA HOC TL/ NHIEN LIEN HIÉP CÀC NĨI KHOA HOC 
HỊI DĨNG KHOA HOC VA KY THUÀT VIÉT NAM

NGÀNH VÀT LY HÒI VÀT LY VIÈT NAM

NHUNG VAN DE HIEN DAI

• •

CÙA VÀT LY CHAT RAN

Tap lll-B

TUYÉN TÀP CÀC BÀO CÀO TAI

• •

HỊI NGHj VÀT LY CHAT RAN TỒN QUÓC

LAN

T H Q

IV

NÙI e ò e , NGÀY 5 - 7 THÀNG 11 NÀM 2003

V L C R ' ^

</div>
(47)<div class='page_container' data-page=47>

N G H I È N CÙtJ T I N H C H A T Q U A N G , TÌT CÙA M À N G ZnO PHA Co

C H E T A O B A N G P H U O N G P H À P S O L - G E L

Nguyén Thuc Hién, Ngò Xuàn Dai *, Nguyén Anh Tuàn 
Khoa Vat ly, Dai hoc Khoa Hoc Tu Nhién, Dai hoc Quò'c Già Ha Nói

334 - Nguyén Trai - Thanh Xuàn - Ha Noi

Màng nióng Zn^.^Cofl dugc phù trén de thuy tinh va Si, x nani trong khoàng 0 -^ 0.45. 
Dà nghién cùu tuang tàc trao doi s-d, p-d va chuyén mùc d-d cùa càc ion Co trong 
ZnO hàng pho truyén qua va quang huynh quang. Pho nhiéu \q tia X cho thà'y khi 
x<0,15 khịng co pha la ngồi tinh the ZnO. Dà khào sàt su phu thuóc cùa fin hiéu 
huynh quang vào nhiét dò. Tàt cà càc man ZnO pha Co che tao dugc déu co tinh sat 
tu tai nhiét dị phịng.

I. MỊ DÀU

ZnO:Co là mot vat liéu hiJa hen trong viéc ùng dung spintronics vi tinh toan If thuyé'i
cho thay ZnO:Co co nhiét dò Curie T^ cao hon nhiét dò phòng 11 ]. Ngoài ra lap Co pha
vào ZnO cho phép nóng dị cao dé'n 40%. Tuy nhién càc cịng trình còng bò' gàn day nhàt
cho thày càc ket qua pha Co vào ZnO con rat khàc nhau. Co the nói ràng tfnh ịn dinh
chua cao. Su dồn nhan bang thuc nghiém co che cùa tinh sàt tir trong bàn dàn iit lồng co 
khó khan do phu thc rat nhiéu vào kl thuat tao vàt liéu. Càc màu tao ra co the" trai rịng
mot khồng ti!r hgp kim don pha dén tao dàm nano cùa càc nguyén tu tilr, dén su ké't tua, su
tao thém pha thiJ hai... Vi vay chi co thè doàn nhan co che cho tilrng truòng hgp cu the va
viéc xàc dinh nguón góc cùa tfnh sàt ti^ là khó.

Bào cào này trình bay càc ké't qua nghién cùu tfnh chat quang va tir cùa màng ZnO
pha Co che tao bang phuang phàp sol-gel.

II. THUC NGHIÉM

Sol trong suót va dóng nhàt vói màu hóng dac trung cùa ion Co dugc tao ra bang
càch hòa tan hòn hgp góm càc mi Zn(CH3COOH)2.2H20, Co(N03)2.6H20, càc dung
mịi ethylenglicol, isopropanol, xùc tàc triethylamine.

Ti le phàn tram cùa coban trong ZnO dugc tfnh bang ti le ve so mol giùa muói coban
nitrat va kèm acetat trong dung dich ban dàu. Tàt cà càc hoà chat su dung déu co dị tinh
khié't 99,9%.

Càc mane vói nịn^ dị coban khàc nhau tu 0 dén 45% duac tao trén de thuy tinh va 
silic bang phuang phàp nhùng vói cùng so lóp lap lai (4 lóp) va dugc ù nhiét trong khòng
khi a 500 °C trong 3 h.

Tàt cà càc màng tao ra déu trong suót, dóng nhàt va co màu xanh coban. Nóng dị
coban càng cao màu càng sàm.

Càc giàn dó nhiéu xa tia X cùa màng dtrgc ghi nhàn trén he nhiéu xa ké tia X
Brucker D-5005 vói vach phàt xa CuK„. Duóng cong tu tré (M-H) cùa màng dugc thu trén
he tu ké màu rung (VSM) DMS 880 a che dị do dng sue cùa tu trirịng ngồi song song
vói bé mat màng. Phị huynh quang va kfch thi'ch huynh quang dugc do bang he FL3-22
JobinYvon vói nguón kich là dèn Xenon 450 W. Phó truyén qua dugc do trén he tu tao va
dugc so sành vói he do UV-VIS-NIR 3101 Shimadzu, Nhat Bàn. Càc két qua so sành lù 2
he cho thày co su trùng hgp tòt.

</div>
(48)<div class='page_container' data-page=48>

III. KET QUA VA THÀO LUÀN

Su két tinh cùa tinh the ZnO:Co dugc khào sàt qua giàn dó nhiéu xa tia X. Trén hình
1 là giàn dó nhiéu xa tia X cùa Zni.^Co^O. Càc giàn dó cho thày màng co dị két tinh cùa
tinh thè tot, khà djnh hng va khịng phàt hién thày pha la nào ngồi ZnO vói x< 0,15.
De dành già xem càc ion coban trong ZnO là Co^^ hay Co''"" chùng tịi dà tfnh tồn càc

hàng so mang e va a ùng vói càc trng hgp khàc nhau tu giàn dó nhiéu xa tia X. Càc két
qua cho thày khi pha Co vào ZnO, hàng so mang e lón han so vói ZnO khịng pha tap va e
tàng tun tfnh vói nóng dị coban, trong khi dó hàng so mang a lai giàm di. Diéu dó
chùng tị ion coban nàm trong mang ZnO là Co^"*" [2].

De khào sàt càc chuyén mùc hàp thu trong Zui.^Co^^O, phó truyén qua ùng vói càc x
khàc nhau dà dugc do a nhiét dị phịng (hình 2). Co thè thày ràng bó hàp thu co bàn cùa
Zni.^Co^O dà dich ve phia song dò va xuàt hién nhùng dai hàp thu xung quanh mién 2,0
eV. Day là càc chuyén mùc d-d trong càc ion coban trong trng tinh thè" tu dién. Dó là
càc chun mùc % ( F ) ^ ^E (G) (570nm = 2,18 eV), -T,(ì^) ^ -A,(G) (620nm = 2,0 cV)
va '*A2(F) "^ •^A,(G) (660nm = 1,88 eV) [3]. Phị truyén qua cho thày cuòng dò càc dai
hàp thu trén tàng lén khi nóng dị coban Co^^ tàng. Diéu dó chùng tị càng nhiéu ion Co^"^
thi càc chun mùc cùa càc ion Co*^"^ vói càc trang thài spin cao càng manh lén. Chuyén
mùc d-d cùng co the nhàn biét bang màt thuòng qua màu xanh coban cùa màng. Ngồi su
thay dói cng dị dai hàp thu Co"*"" trén, càc dai này va bó hàp thu ca bàn déu dich ve
phfa nàng Urgng thàp khi nóng dò pha Co tàng. Theo càc tài liéu dugc còng bó, su dich
chuyén cùa bó hàp thu ve phfa song dai là do tuang tàc trao dói s-d va p-d [4).

De dành già tfnh sàt tu cùa màng, duòng cong tu tré M-H dà dugc do a nhiét dị
phịng. Trén hình 3 là dng cong tu tré cùa màng Zno.95Coou30 phù trén de Si vói tu
trng ngồi dàt song song vói bé màt màng. Tu dó thi co thè thày phàn sau cùa dng tu
hồ dat dén bào hồ hai bi chùc xng là do ành huàng cùa tfnh nghich tu cùa de Si.

Nguón góc cùa tinh sàt tu cùa ZnO:Co khịng thè giài thfch là do ịxit coban vi trén
giàn dó nhiéu xa tia X khịng thà'y co dinh la ngồi ZnO vói càc màu co nóng dị pha Co
dtrói 15%. Ké't qua cùa su tu dàm Co cùng khòng quan sàt thày vi vày tfnh sàt tu khòng
phài do su tu dàm Co nhu mot so cịng trình dà cịng bó [5]. Tfnh sàt tu cùng co thè tao
nén qua tuang tàc trao dòi giùa càc ion sàt tu va càc hat tài [6].

::0

100

80

CO3O4
•

40 
20

' I ' I ' I

:o : s 30 35
2 tlictii dò

Hinh 1. Giàn dó nhiéu .ui lia Xcùa niàfìg

ZnO pha Co, (a) 5% Co (h) 159cCo

400 SCO l ' . i 7'.o eoo 
hLA')c sówj. n m

Hình 2. Phó trun qua cùu niàn^j ZnO.Co

(a) ì'Tc (h)27c (cjS'^/c (dil5'/cCo

</div>
(49)<div class='page_container' data-page=49>

run man quuc lan inu iv, i\ui Cac :>-7l 1112003 
5000 10000
C

U
t o 
2E*4 
1E+4 
8E+3 
4E+3

350 500 550
Hinh 3. Dualig cong tu tré cùa màng

ZnO:Co5%tréndeSi

400 450

bc song nm

Hình 4. Pho huynh quang màu ZnO Co 5%,

kich 335nni, do tai càc nhiét dò khàc nhau: 
^ (a) 13,5K (h) 50K (e) lOOK (d) 200K (e) 300K

Két qua do dac cùa chùng tòi cùng cho thày sau khi pha Co dién tra cùa màng giàm
xng so vói khi khịng pha tap. Vi vay co thè cho ràng Co vùa là tàm tu vùa tao nén mot
tàm tap trong ZnO va nò cung càp càc hat tài.

De xem xét kl luòng thém ve càc chuyén dòi trong ZnOiCo chùng tòi dà tién hành
do phị huynh quang trong khồng nhiét dị 13,5 K dén 300 K. Tai nhiét dò 13,5 K phò
huynh quang co hai dai rat rò rét. Mot dai a mién gàn bò hàp thu ca bàn gàn vói tài hgp 
exciton va mot dai a vùng song dai quanh 700 nm. Hinh 4 va 5 trinh bay hai dai phị 
huynh quang nói trén va su thay dói cùa chùng theo nhiét dị.

5E-5
Q.
U

«O-"O 
co
e
'g 
4E+4 
3E+4 
2E+4 
1E+4

6 5 0 6 7 5 700 725 750 775 800 450 550 600 650

biróc song nm

Hinh 5. Pho huynh quang màu ZnO.Co

5%, kich 532 nm, à càc nhiét dò khàc 
nhau (a)13,5 K, (h) 50 K, '(e) 100 K, 
(d)200K, (e)300K.

500

bc song nm

Hình 6. Phị kich thich huynh quang

cùa màng ZnO:Co 57c là'y lai càc vi 
tri dinh (a) 703 nm, (h) 728 nm. (e) 
736 nm, (d) 744 nni.

</div>
(50)<div class='page_container' data-page=50>

isao cào api ngni vai ly L.nai ràn tồn qc làn thù IV, Niìi Cóc 5-711112003

va vi tri dinh hàu nhu khịng thay dói. Vói ZnO:Co sir phu thc nhiét dị hàu nhu khàc 
hàn. Phó huynh quang exciton trén hinh 4 vói nóng dị Co 5% cho thày khi nhiét dò tàng 
tu 13,5 K dén 100 K thi cuòng dò dinh tàng theo nhiét dò, tu 100 K cho dén nhiét dò 
phòng càc dinh déu giàm nhanh cuòng dò. Theo hiéu biét cùa chùng tòi cho dén thòi 
diém này, chua co cóng trình nào de càp dén su phii thuòc nhièt dò cùa dinh huynh quang 
exciton trong vat liéu ZnO:Co.

Co thè co nhiéu ca che khàc nhau lién quan dén huynh quang exciton cùa ZnO:Co. 
De co the xàc dinh dugc ca che nào phù hgp vói két qua thirc nghiém càn bị sung càc 
phép do khàc nhu do phó huynh quang khi co tu truòng, do huynh quang phàn giài thòi 
gian, kich thfch bang ành sàng phàn circ... Tuy nhién, buóc dàu chùng tòi cho ràng co thè 
ca che tài hgp huynh quang exciton này lién quan tói hiéu ùng tuang tàc spin tap thè vói 
spin cùa exciton tue là polaron tu exciton lién két (excitonic magnetic polaron EMP) [7]. 
Trong ca che này exciton dugc tao ra khi kich thich quang tuang tàc vói spin cùa càc ion 
tu Co qua hieu ùng tuang tàc sàt tu.

Dó thi phó huynh quang mién song dai trèn hinh 5 cho thà'y dai phó góm mot dinh
nhon, sàc net co cng dị lón nhàt nàm a giùa vói bc song 703 nm. Ben canh nò, ve
phia song dai là mot dinh nhị co bc song 709 nm. Tiép theo là càc dinh "sideband" vói
buóc song 727 nm, 736 nm va 744 nm. Khi thay dịi bc song kich thfch vi trf cùa càc
dinh khịng thay dói con cng dị dinh thay dói khàc nhau, Day là hinh ành rat dac trung
cùa chuyén mùc ben trong kim loai chuyén tiép khi co sir tham già cùa phonon. Dinh 688
nm va 666 nm co dị róng phó lón han so vói càc dinh khàc. Khi nhièt dị tàng tu 13,5 K
lén 300 K, cuòng dò cùa tàt cà càc dinh déu giàm xuóng nhung dinh 688 nm tàt rat nhanh

so vói càc dinh khàc. Dén nhiét dò 50K dà hàu nhu khòng quan sàt thày dinh này.

De khàng dinh cum ba dinh 727 nm, 736 nm va 744 nm co phài là "sideband" cùa
dinh 703 nm khịng, chùng tịi dà do phó kich thfch huynh quang cùa chùng. Hình 6 là
phó kich thfch huynh quang cùa càc dinh 703 nm, 728 nm, 736 nm va 744 nm. Co thè
thày ràng dang phó hồn tồn gióng nhau gióng nhau ve vi trf dinh.

Càc két qua cùa màng ZnO:Co phù trén de Si cùng gióng nhu càc ké't qua trén tuy
nhién cuòng dò huynh quang cùng nhu lue khàng tu H^, tu hồ bào hồ M^ déu lón han.
IV. KET LN

Màng ZnO vói càc nóng dị tap coban khàc nhau tu 0,5 dé'n 45 at% dà dugc che tao
thành còng bang phuang phàp sol-gel. Két qua cho thà'y càc ion Co""" dugc thay thè càc
cation Zn^"*". Càc màng déu thè hién tfnh sàt tu a nhiét dò phịng va tfnh sàt tu tàng Idii
nóng dị Co tàng dén 15%. Phó hàp thu cho thày rị càc chuyén mùc d-d ben trong ion
Co^"". Phó huynh quang a nhiét dò phòng va nhiét dò thàp cho thà'y vai trò cùa Co^"" trong
tinh thè ZnO. Tuy nhién, ca che tài hgp exciton duói ành huàng cùa tap tu coban chua
dugc sàng tò. Càn phài co nhùng ngén cùu rat can than tiép theo.

Lèi càm an: Càc tàc già xin chàn thành cani an TS. Le Vàn Vù, CN. Nguyén Quang Hoà 
-TTKHVL D Khoa Vài ly ve càc phép do giàn dó nhiéu xq tia X Xin chàn thành tàm an CN. Cao 
Xiàn Hùu, CN. Vuang Vàn Hiép U TTKHVL • Khoa Val ly vi su giùp dà de hoàn thành càc 
phép do dng cong tu tré. Bao cào này dugc hồn thành vài sU tài trg cùa de tài nghién cùu ca 
bàn 421301 càp nhà nuói.

TÀI LIÉU THAM KHÀO
1. S.J. Pearton et ai, Mater. Sci. Eng. R 40, 137( 2003).

2. L.P. Martin, D. Daton and M. Rosen, J. Ani. Ceram. Soc. 79,1281 (1996). 
3. P. Koidl, Phys. Rev. B15, 2493 (1977).

4. J- Diouri, J.P. Lascaray, M. El Amrani, Phys. Rev. B31, 7915 (1985).

</div>
(51)<div class='page_container' data-page=51>

ràn tồn qc lan thiclV, Nùi Cóc 5-7/11/2003

5. E A . Pasktskii and S.M. Ryabchcnko, Fiz. Tverd.Tela 21,545 (1979).

6. Nguyén thi Thuc Hien et al.., Proceeding of the Fifth Vietnaniese-Gernutn on Phys. and

Engineering, Hue, 232 ( 2002).

7. R.A. Wolff, R.N. Bhau and A.C. Durst, / . Appi Phys. 79, 5196 (1996).

STUDYING OPTICAL AND MAGNETIC PROPERTIES

OF Co DOPED ZnO FILMS PREPARED BY SOL-GEL METHOD

Z///.,C<9^0 thin films were deposited on glass and silicon substrates by sol-gel

</div>
(52)<div class='page_container' data-page=52>

^ Bào cào Hòi nghi Vàt ly Chat ràn tồn qc làn thù TV, Nùi Coc 5-711 112003

Nan chàm Nd-Fe-B thiéu ket che tao trén ca so hgp kim thu dirac bang phuong 647 
phàp hoàn nguyén nhiét canxi

IT. Tu, N.V. Vumg, T.L. Hung, N C. Trang, N.C. Kién, N.Q. Trung

Che tao màng mòng TiO^ bang phùn xa ca tòt trong chàn khóng 651

Nguyén Chi Thuàn, Nguyén Dàng Thành, Pham Thi Trang, Nguyén Xuàn Phùc, 
Nguyén Xuàn Nghia va Le Vàn Hong

Càu truc tinh the màng mòng Pb(Zr,Ti)03 che tao bang phuong phàp phùn xa su 656 
dung bia góm càc phién kim loai thành phàn

Nguyén Thành Huy, Vu Ngoc Hùng, Nguyén Phù Thuy

Ành huòng cùa pha tap Co va nhiét dò ù lén su tao thành pha TiOj anatase ^^^

Ngò Thi Hong Le, Nguyén Xuàn Nghia, Nguyén Xuàn Phùc, Le Quóc Minh, Le Vàn Hóng

Nghién cùu che tao màng mòng ZnO pha tap Co bang phuang phàp nhùng phù 666

HI. Giang, N.T. Hién, B.T.P. Uyén, D.N. Bà, N.N. Toàn

Khào sàt càc iinh chat cùa màng mòng Zn,.^Co^O dugc che tao bang phuang phàp 671 
phàn huy nhiét

N.N. Toàn, D.N. Bà, H.T. Giang, D.T.A. Thu, N.T. Hién

Nghién cùu tinh chat quang, tir cùa màng ZnO pha Co che' tao bang phuang phàp 676 
sol-gel

Nguyén Thuc Hién, Ngò Xuàn Dai, Nguyén Anh Tuàn

Che tao va nghién cùfu tinh chat quang cùa ZnO:Co 681

D.H. Làp, T.T.K. Chi, N.Q. Liém, N.N. Toàn, D.T.A. Thu, D.TX Thào

Anh huòng cùa che dò xù ly nhiét dén càc tinh chat sàt dién, àp dién cùa góm ^^^ 
PZT53/47

Truìg Vàn Chucrng, Ngun Thi Thanh Huang, Nguyén Truòng Thg

Mot so tfnh chat dién mòi, àp dién cùa góm PZT pha tap Nb 690

Plian Dinh Già, Nguyén Thi Khành Trang, VoDuy Dàn

Nghién curu che tao màng mòng PZT trén ca sa phuong phàp sol-ge! 695

VùThu Hién, Vù Ngoc Hùng, Trinh Quang Thóng, Nguyén Phùc Hai, Nguyén Phii Thuy

Hiéu ùng tu tra khóng Io trong vàt liéu manganite pha tap Ti 700

Phun Manh Huóng, Phun The Long, Seong-Cho Yu, Nguyén Chàu, Ngun Due Thg

•Ighién cùu hiéu umg tir tóng tra trén càc bang nanocomposite Fe73^Nb3CuiSii5^B7.^P^

Phan Manh Huàng, Nguyén Chàu, Ngun Xn Chien, Seong-Cho-Yu, Ngun Hồng 
Luig, Phùng Qc Thanh

Bàn ve nguón góc thay dói entropy tir Ion trong manganite pha tap 7*^5

Nguyén Chàu, Phan Manh Huàng, Nguyén Due Thg, Phan The Long, Seong-Cho Yu, 
Nguyén Hoàng Lixang, Tran Due Hiép

Tinh chat truyén dàn trong vàt liéu manganites '^"

</div>
(53)<div class='page_container' data-page=53>

DAI HOC QUÒC GIÀ HA NĨI

TRl/ỊNG DAI HOC KHOA HOC TlTNHIÈN

KHOA VÀT LY

Pham Thi Mai

\ •

NGHIÈN CUU CHE TAO VA TINH CHAT

CÙA VAT LIÈU ZnO

Chuyén ngành: Vàt Ly chat ràn

Mdso : 1.02.07

LUAN VÀN THAC SY KHOA HOC

NGl/ÒI HirÒNG DÀN KHOA HOC

PGS.TS. Nguyén Thj Thuc Hién

</div>
(54)<div class='page_container' data-page=54>

Muc lue

Trang

Lèi càm an l 
Mịdàu 4 
Chuang I - Tóng quan ly thut ve vàt liéu ZnO va ZnO pha tap Co 6

1.1. Mot so tfnh chat chung cùa vàt liéu ZnO 6

1.2. Càu trùc tinh thè cùa ZnO 6
1.2.1. Càu trùc mang luói kiéu lue giàc Wurtzite 6

1.2.2. Càu trùc mang luói kiéu làp phuang già kèm (Zinc - Blend) 8

1.2.3. Cà'u trùc mang luói kiéu NaCl 8
1.3. Cà'u trùc vùng nàng lirgng 9
1.3.1. Càu trùc vùng nàng lugng cùa ZnO 9

1.3.2. Cà'u trùc vùng nàng lugng cùa ZnO pha ion kim loai chuyén tiép 11

1.4. Mot so tfnh chat quang va tir 12
1.4.1. Tfnh chat hàp thu cùa bàn dàn 12
1.4.2. Cache phàt huynh quang trong bàn dàn 13

1.4.2.1. Khài niém chung 13
1.4.2.2. Tài hgp bue xa qua càc trang thài exciton 14

1.4.2.3. Tfnh chat huynh quang cùa ZnO 17
1.4.3. Tinh chat quang va tir quang cùa ZnO pha ion kim loai chuyén tiép 18

1.4.4.Tfnh chat tu cùa ZnO pha Co 22
1.4.4.1.Tfnh sàt lù cùa Coban 22
1.4.4.2. Tfnh chat tiìcùa ZnO pha Co 24 ,

Chuang 2 - Ky thuat thuc nghiém 28 
2.1. Mot so phuang phàp che tao màng bàn dàn 28

2.1.1. Phuang phàp bó'c bay trong chàn khóng 28
2.1.2. Phuang phàp phun dung djch trén de nóng 28

</div>
(55)<div class='page_container' data-page=55>

2.1.5. Phuang phàp Sol-Gel 29 
2.1.5.1. Giói thiéu chung 29

2.1.5.2. Càc khài niém ca bàn 29
2.1.5.3. Phucmg phàp nhùng phù 31
2.1.5.4. Lfu diém va nhugc diém cùa phuang phàp Sol-Gel ^^

2.2. Càc phuang phàp nghién cùu vat liéu va he do 32
2.2.1. Do bé day màng bang kfnh hién vi dién tu quél ( SEM ) 32

2.2.2. Phuang phàp nhicu xa tia X 33
2.2.3 Phuong phàp nghién cùu ifnh chat quang 35

2.2 3.1. Phuang phàp phó hàp thu va truyén qua 35
2 2.3.2. Phuong phàp phó quang huynh quang 35
2.2.4. Phuang phàp nghién cuu tfnh chat tu 37
Chuang 3: Ket qua thuc nghiém va thào luàn 40

3.1. Che tao màu 40
3.2. Ké't qua do bé day màng 43

3.3. Két qua phàn tfch càu trùc 45
3.4. Két qua phàn tfch phó hàp thu va truyén qua 48

3.5. Két qua phàn tfch phó huynh quang 51

3.6. Ké't qua do tu 54

</div>
(56)<div class='page_container' data-page=56>

DAI HOC QC GIÀ, HA NĨI

TRl/ỊNG DAI HOC KHOA HOC TU NHIÈN

KHOA VAT L^

<J3£o £y oaso

Nguyén Anh Tuàn

^*

NGHIÈN CUtJ MOT SO TINH CHAT CUA MANG

ZnO:Ga,Co CHE TAO BANG PHUONG PHÀP

SOL-GEL

KHỒ LN TỊT NGHIÉP HE DAI HOC CHINH QUY

CHUN NGÀNH: VÀT LY CHAT RÀN

Ciin bó hng dàn: PCÌS. TS. Nguyén Thi Thuc Hien

</div>
(57)<div class='page_container' data-page=57>

MUC LUC

Mòdàu 3 
Chuang I: Tdng quan ve vàt liéu ZnO va vàt liéu ZnO pha tap Co 4

1.1 Cà'u trùc linh thè 4
1.1.1 Càu trùc tinh the cùa ZnO 4

1.1.1.1 Càu trùc mang luói kiéu lue giàc Wurl/ilc 4
1.1.1.2 Càu trùc mang luói kicu lap phuang già kèm (Blend) 5

1.1.1.3 Càu trùc mang luói kiéu NaCl 6
1.1.2 Càu trùc linh thè cùa ZnO pha lap Co 7

1.1.3 Càu irùc spinel ZnCo^Oj 7
1.2 Càu irùc vùng nàng lugng 8

1.2.1 Càu trùc vùng nàng lugng cùa ZnO mang lue giàc Wurtzite 8

1.2.2 Càu irùc cùa ZnO pha lap ion kim loai chuyén liép 9

1.3 Tinh chat hàp thii cùa bàn dàn 10
1.4 Cache phàt huynh quang 12

1.4.1 Khài niém chung 12
1.4.2 Tài hgp vùng vùng 13
1.4.3 Tài hgp exciton 14

1.4.3.1 Tài hgp exciton tu do 14
1.4.3.2 Tài hgp exciton lién két 15
1.4.4 Tài hgp bue xa giùa chuyén mùc vùng va mùc lap chat 16

1.4.5 Tài hgp bitc xa vói chuyén dói dono-axepto 16

1.5 Bàn dàn tir loàng va spintionics 16

Chuang II: Ky thual thuc nghiém 21 
2.1 Tao màng bang phuang phàp nhùng phù Sol-Gel 21

2.1.1 Hóa hoc sol-gel 21
2.1.2 Qua liinh nhùng phù 22
2.2 Càc phuang phàp nghién cùu vàt liéu 23

</div>
(58)<div class='page_container' data-page=58>

3.1 Che tao màu 30

3.2 Phó nhiéu xa lia X 31

3.3 Tfnh chat quang 35
3.4 Tfnh chat tir :40

</div>
(59)<div class='page_container' data-page=59>

DAI HOC QUÒC GIÀ HA NOI

TRUÒNG DAI HOC KHOA HOC TU NHIÈN

KHOA VÀT LY

Le Thj Quy

NGHIÈN CÙtJ TINH CHAT QUANG - TÌT CUA

BÒT ZnO PHA Co TONG HOP BANG

PHUONG PHÀP SOL - GEL

KHÓA LUÀN TOT NGHIÉP HE DAI HOC CHINH QUY

Ngành: Khoa hoc vàt liéu

Càn bó huóng dàn: PGS.TS. NguyénThj Thuc Hién

</div>
(60)<div class='page_container' data-page=60>

MUC LUC

Lịicàmcm

Mịdàu

CHU3NG 1. CAC TINH CHAT QUANG VA TÌTCÙA BAN DAN 2

1.1. Tinh chà't quang bàn dàn 2

1.2. Bàn din tir pha loàng 8
CHUONG 2. VAT LIÉU ZnO VA ZnO PHA Co 10

2.1. Vàt liéu ZnO 10
2.1.1. Tinh the ZnO 10
2.1.2. Càu truc vùng nàng lugng 11

2.1.3. Tinh chat quang 11
2.2. Vat lieu ZnO pha Co 12

2.2.1. Tinh the ZnO pha Co 12
2.1.2. Cau truc vùng nàng lugng 13
2.2.3. Tinh chà't quang va tir quang 13
CHUONG 3. TÓNG HOP VAT LIÉU 14

3.1. Mot so phuang phàp tóng hgp vàt lieu 15

3.2. t é n g hgp vàt lieu ZnO pha Co 15
3.3. Mot s6 phuang phàp nghién cuu 17
CHUONG 4. KÉT QUA VA THÀO LUAN 20

4.1. Két qua phàn tich nhiét vi sai (DSC - TGA) 22
4.2. Két qua phàn tich pho nhiéu xa tia X 22
4.3. Két qua phàn tich phó huynh quang va kich thich huynh quang 24

4.5. Két qua phàn tich phó ti^kémàu rung (VSM) 27

</div>
(61)<div class='page_container' data-page=61>

TOM TAT CAC CỊNG TRÌNH NGHIÈN ClTU 
Cịn2 trình 1:

L Ho va tén càc tàc già cịng trình: Ngun Thi Thuc Hién, Ngun Hanh, Huynh 
Dàng Chinh, Le Thi Quy, Le Vàn Va, Ngò Xuàn Dai

2. Nàm: 2004

3. Tén bài bào: Nghién cùu tinh chà't tir va quang cita bòt Zn,.xCoxO che tao bang 
phuang phàp sol-gel

4. Tén tap chi: Hòi nghi Vàt ly Chàu a làn thu 9 
5. Tóm tàt cịng trình bang tiéng Viét:

Bịt Zni.^Co^O ( x< 0.15 ) dugc che tao bang phuang phàp sol-gel. Càc màu bịt déu
co cà'u trùc tinh thó v^rtzite vói càc hàng so' mang e va a thay dói vói x.Phó huynh
quang do dugc cho thày co ba dai quanh càc buóc sang 400, 590và 690 nm. Duóng
cong tir tré rà't ro dà ghi nhàn dugc a nhiét dò phịng vói tir dị nàm trong khồng

10"^emu/g.
6. Tiéng Anh

Title: Investigation of magnetic and optical properties of ZHJ.XCOXO prepared by
sol-gel process

Journal: The Ninth Asia Pacific Physics Conference (9th APPC) 
SUMMARY

Zni.^COxO ( x< 0.15 ) powders were prepared by sol-gel process. The powders show
vmrtzite crystal structure with c-axis and a-axis lattice constants changing with x. The
photoluminescence spectra were measured. Three emission bands located at around
400, 590 and 690 nm were observed. Clear magnetic hysteresis loops were obtained at
room temperature with magnetization in the range of 10"^ emu/g.

Cịng trình 2:

L Ho va tén càc tàc già cịng trình: Ngun Thi Thuc Uién, Nguyén Hanh, Huynh 
Dàng Chinh, Le Thi Quy, Ngò Xuàn Dai, Dào Viét Linh

2. Nàm: 2004

3. Tén bài bào: Che tao va nghién cùu càc tinh chat quang cùa bòt ZnO pha Co 
4. Tén tap chi: Tap chi khoa hoc, Tồn-ly, Dai hoc Qc già Ha Nói, tapXX so 3AP, 
2004, 57-60.

5. Tóm tat cóng trình bang tiéng Viet:

</div>
(62)<div class='page_container' data-page=62>

6. Tieng Anh

Title: Preparation and investigation of optical properties of ZnO:Co powder 
Journal: Journal of Science, Mathematics-Physics, Vietnam National University 
Hanoi, Voi XX No. 3AP, 2004, 57-60

SUMMARY

ZnO: Co powders with Co concentrations ranging from lat% to 15at% were prepared
by sol-gel method. The powders show wurtzite crystal structure with the lattice
constants changing with the cobalt content. The photoluminescence spectra consist of
four bands : a exciton emission band of 380 nm, a band around 400-500 nm, and two
bands at 588 nm and 690 nm. The existence and the intensity of the bands depend on
the Co content, the optical excitation and the annealing condition. Origins of the
emissions were proposed.

Cịng trình 3:

1. Ho va tén càc tàc già cịng trình: Ngun Thi Thuc Hién, Ngị Xn Dai, Nguyén 
Anh Tuà'n, Vu Nguyén Thuc, Vò Thach San, Pham Thi Mai

2. Nàm: 2005

3. Tén bài bào: Che tao va khào sàt càc màng ZnO pha tap coban.

4. Tén tap chi: Ky yéu hòi thào Viét - Due làn thù tàm ve Vat ly va Ky thuat , 
Erlangen, 3-8/4/ 2005

5. Tóm tàt cịng trình bang tiéng Viét:

Bàn dàn pha tu lồng Zni.^Co^O vói nhiét dò Curie 350K dugc che tao bang phuang
phàp sol-gel. Cà'u trùc cùa càc màng phia thuóc vào thài gian ù màu va su dóng pha
tap Ga. StJ truyén qua cùa màng trong vùng nhìn thà'y dugc nghién ciai nhó phó hàp
thu vùng tu ngoai- nhìn thày. Ành huong cùa tap chà't lén phó huynh quang dà dugc
xem xét. Dà thào luan ve tinh sàt tu cùa càc màu.

6. Tiéng Anh

Title: Preparation and characterization of cobalt doped ZnO films

Journal: Proceedings ofthe Eighth German-Vietnamese Seminar on Physics and 
Engineering, Erlangen, 03-08, Aprii, 2005

SUMMARY

</div>
(63)<div class='page_container' data-page=63>

Gịng trình:

1. Ho va tén càc tàc già cóng trình: Ngun Thi Thuc Hien, Ngo Xuan Dai, Nguyén 
Anh Tuan

2. Nàm: 2004

3. Tén bài bào: Nghién culi tinh chà't quang, tu cùa màng ZnO pha Co che tao bang 
phuang phàp sol-gel

4. Tén tap chi: Nhixng và'n de hien dai cùa Vàt ly chat ràn, tap III-B 5 ( 2004), 676 
5. Tóm tàt cịng trình bang tiéng Viét:

Màng mịng Znj.^Co.O dugc phù trén de thuy tinh va Si, x nàm trong khoàng 0 ^
0,45. Dà nghién cùu tuong tàc trao dói s-d, p-d va chuyén mùc d-d cùa càc ion Co
trong ZnO bang phó truyén qua va quang huynh quang. Phó nhiéu xa tia X cho thày
khi x<0,15 khịng co pha la ngồi tinh the ZnO. Dà khào sàt su phii thuòc cùa tin
hiéu huynh quang vào nhiét dò. Tàt cà càc màu ZnO pha Co che tao dugc déu
tinh sàt tu tai nhiét dị phòng.

6. Tiéng Anh

)

Title: Studying optical and magnetic properties of Co doped ZnO films prepared by 
sol-gel method

Journal: Modem Problems of Solid State Physics, Voi 3 - B 5 (2004), 676 
SUMMARY

</div>
(64)<div class='page_container' data-page=64>

SCIENTIFIC PROJECT

Branch : Physics Project category : National level 
1. Title : Investigation and preparation of diluted magnetic semiconductors
2. Code : QT 04-09

3. Managing Institution : Vietnam National University, Hanoi
4. Implementing Institution : Hanoi University of Science
5. Collaborating Institution:

6. Coordinator : Assoc. Prof. Nguyén Thi Thuc Hien
7. Key implementers :

Ms. Tran Vinh Thang
Bach. Ngo Xuan Dai
Bach. Nguyén Anh Tuan

8. Duration: 12 months ( from 5-2004 to 5-2005)
9. Budget : 15.000.000 VND

10. Main results:

-Results in science and technology

• Prepring ZnO films and powders by sol-gel method.
• Doping ZnO by Co, Ga

• Investigating structural, optical and magnetical properties.
• Adapting the build absorption apparatus .

</div>
(65)<div class='page_container' data-page=65>

PHIÉU DÀNG K t

KÉT QUA NGHIÈN ClTU KH-CN

Tén de tài Nghién cufu che tao bàn dàn pha tap tìir 
Ma so: QT 04.09

Cof quan chu tri de tài: Truòng Dai hoc Khoa hoc Tu Nhién - DHQGHN 
Dia chi: 334 duòng Nguyén Trai, quàn Thanh Xuàn Ha Nói

Tel: 04- 8585277

Caquan quan ly de tài: Dai hoc Quóc già Ha Noi 
Dia chi: 144 Dng Xn Thuy, HàNịi

Tel: 4.8585277

Tóng kinh phì thuc chi:

Trong dó: - Tu ngàn sàch Nhà nuóc: 15.000.000 d 
Thịi gian nghién ciru: Inàm

Thói gian bàt dàu: 4/2004 
Thòi gian két thuc: 4/2005

Tén càc càn bò phòi hgp nghién cùu:

1. Ths. Tran Vinh Thàng
2. CN. Ngò Xuàn Dai
3. CN. Nguyén Anh Tuà'n
So dàng ky de tài

Ngày:

So chùng nhàn dàng ky
két qua nghién cùu:

Bào màt:

</div>
(66)<div class='page_container' data-page=66>

rem tàt két qua nghién cihi:

• Dà tao dugc càc màng, bót ZnO bang phuang phàp sol-gel

• Dà tién hành pha tap Co, Ga vào ZnO va nghién cùu càc tinh chat vàt ly nhu cà'u
tnic tinh thè, tinh chà't quang va tu cùa càc màng co pha tap

• Nàng càp dugc he do phó trun qua , viét thém phàn mém de su ly so liéu do.
• Hng din nhiéu sinh vién nghién cùu khoa hoc:

4 (dà huóng dàn 2 va dang huóng dàn 2) khóa luàn tot nghiép Dai hoc ngành
Khoa hoc Vàt liéu va chuyén ngành Vàt ly Chat ràn.

2 cao hoc (mot hoc vién dà bào ve luàn vàn )

• Co 4 bào cào tai càc hịi nghi Khoa hoc.

Kien nghi ve quy mị va dói tugng àp dung nghién cùu:
Co thè thù nghiém che tao chuyén tiép ZnO:Co vói kim loai.

Chù nhiém de tài

Thù truang ca
quan
chù tri de tài

Chu tich hòi dòng
dành già chinh

thùc

Thù truang ca
quan quàn ly de

^ _ -tài ^,

Ho tén Nguyén Thi Thuc

Hién

Tran Nghi

^Q'U ì1\(\^^ic'nl

is

Hoc hàm

hoc vi PGS.TS

Kitén
^óng dàu

ni ìf

</div>


<a href='s.79'> Appl.Phys.79,</a>

Nghiên cứu chế tạo vật liệu bán dẫn pha tạp từ

<b>DAI HOC QC GIÀ HA NĨI </b>

<b>TRl/ỊNG DAI HOC KHOA HOC Tl/NHIÈN </b>

<b>Détài </b>

<b>NGHIÈN c u t i CHE TAO VAT LIÈU BÀN DAN PHA TAP TÌT </b>

<b>MA-SO: QT.04-09 </b>

<b>Chù tri de tài: PGS. TS. Nguyén Thi Thuc Hién </b>

Càc càn bò tham già:

1. ThS. Tran Vlnh Thàng

2. CN. Ngò Xuàn Dai

3. CN. Nguyén Anh Tuàn

<b>d(3z^-r0,d(x^.y0 </b>

Vùng hoà tri

<b>'T, </b>

<b>^A, </b>

<b>^E </b>

<b>^ \ ^ A </b>

<b>^E </b>

<b>^X^i </b>

<b>^A, </b>

<b>o </b>

<i><b>•Q </b></i>

<i><b>prị 0 </b></i>

<b>4 </b>

<b>I </b>

425

<b>J </b>

<b>i a </b>

<b>1 </b>

<b>W ^ ^ ^ ^ y i ^ ^ </b>

<b>ISSN D866-8612 </b>

<i><b>h </b></i>

<i><b>tè </b></i>

<b>JOURNALO F#5C le </b>

<i><b>•J^'i-'^Wfi </b></i>

<b>i; </b>

<b>T O A N - V A T L Y </b>

MATHEMATICS - P H Y S I G ẫ t ỡ

<b>I </b>

<b>1\</b>

<b> >.. </b>

<i><b>J </b></i>

Preparation and characterization of cobalt doped ZnO fiims

<b>t </b>

<b>y </b>

<b>Ci. </b>

<i><b>K> L^^^ </b></i>

<i><b>;J </b></i>

<i><b>i: </b></i>

<b>'•A </b>

<b>NHUNG VAN DE HIEN DAI </b>

<b>CÙA VÀT LY CHAT RAN </b>

<b>Tap lll-B </b>

<b>TUYÉN TÀP CÀC BÀO CÀO TAI </b>

<b>HỊI NGHj VÀT LY CHAT RAN TỒN QUÓC </b>

<b>LAN</b>

<b> T H Q</b>

<b> IV </b>

NÙI e ò e , NGÀY 5 - 7 THÀNG 11 NÀM 2003

<b>V L C R ' ^ </b>

STUDYING OPTICAL AND MAGNETIC PROPERTIES

OF Co DOPED ZnO FILMS PREPARED BY SOL-GEL METHOD

<b>DAI HOC QUÒC GIÀ HA NĨI </b>

<b>TRl/ỊNG DAI HOC KHOA HOC TlTNHIÈN </b>

<b>KHOA VÀT LY </b>

<b>Pham Thi Mai </b>

<b>NGHIÈN CUU CHE TAO VA TINH CHAT </b>

<b>CÙA VAT LIÈU ZnO </b>

<i><b>Chuyén ngành: Vàt Ly chat ràn </b></i>

<i>Mdso : 1.02.07 </i>

LUAN VÀN THAC SY KHOA HOC

NGl/ÒI HirÒNG DÀN KHOA HOC

<b>PGS.TS. Nguyén Thj Thuc Hién </b>

DAI HOC QC GIÀ, HA NĨI

TRl/ỊNG DAI HOC KHOA HOC TU NHIÈN

KHOA VAT L^

<J3£o £y oaso

Nguyén Anh Tuàn

<b>NGHIÈN CUtJ MOT SO TINH CHAT CUA MANG </b>

<b>ZnO:Ga,Co CHE TAO BANG PHUONG PHÀP </b>