Xem mẫu
- Coâng ngheä vaät lieäu vaø duïng cuï ñieän GVCN: Traàn Kim Cöông
BAØI TIEÅU LUAÄN COÂNG NGHEÄ VAÄT LIEÄU DUÏNG CUÏ
ÑIEÄN TÖÛ
Caâu 1: Phöông phaùp taïo maøng baèng phuùn xaï Catod.
Khi ñoäng naêng vöôït quaù 4H hì baét ñaàu xaåy ra söï ñaùnh baät vaø giaûi phoùng
nguyeân töû khoûi beà maët ñeå chuyeån sang pha hôi. Hieän töôïng naøy ñöôïc goïi laø
hieän töôïng phuùn xaï(Sputtering).
Quaù trình phuùn xaï thöôøng keùo theo söï dòch chuyeån cuûa caùc nguyeân töû
treân beà maët vaø söï hö hoûng taïm thôøi hoaëc vænh vieån.
Coù nhieàu phöông phaùp taïo maøng khaùc nhau nhö phöông phaùp Epitaxi,
phöông phaùp Planar trong ñoù coù phöông phaùp phuùn xaï.
Heä naøy naèm
e-
Haït baén trong moâ hình huùt
E, ion, ntöû, phaàn töû
phaù e, chaân khoâng
Haït baén phaù
ion (ñöôïc
ntöû
gia toác
thöôøng)
Caùc hieän töôïng xaûy ra ôû ñaây phuï thuoäc vaø naêng löôïng baén phaù chuû yeáu
laø ñoäng naêng (do theá naêng baèng 0).
Ñoäng naêng cuûa ion duøng cho quaù trình taïo maøng phuùn xaï thöôøng naèm
trong khoaûng töø möùc ngöôûng cho tôùi khoaûng 5Kev.
Do m ion > m e-, naêng löôïng baén phaù m voân: m ion = mv 2/2 >m e- ñeå
ñaït ñöôïc möùc naêng löôïng baén phaù lôùn thì chæ caàn gia toác vaän toác v.
Cô cheá laø duøng Ion baén phaù vaø baûn cöïc ñoù laø Catod ( -) vaø ion (+) do ñoù
baûn thaân nguyeân töû bò baén phaù ñaõ gia toác neân gaây ra hieän töôïng phuùn xaï
hay bay hôi (bay hôi khoâng phaûi do nhieät maø do baén phaù). Ñoäng naêng baén
phaù xaáp xó möùc ngöôõng 5Kev.
# Hieäu suaát phuùn xaï: Hieäu suaát phuùn xaï ñöôïc ñaùnh giaù baèng soá nguyeân töû
ñöôïc giaûi phoùng khoûi beà maët vaät lieäu ñoù döôùi taùc duïng cuûa ion.
Hieäu suaát phuùn xaï thay ñoåi theo ion nhieàu hôn laø theo loaïi nguyeân töû vaät
lieäu laøm bia vaø noù phuï thuoäc vaøo goùc tôùi cuûa ion, goùc tôùi taêng thì hieäu suaát
SVTH: Nguyeån Vaên Cöôøng
Trang 1
- Coâng ngheä vaät lieäu vaø duïng cuï ñieän GVCN: Traàn Kim Cöông
taêng theo.Ñaëc bieät khi naêng löôïng ion cao hôn thì vieäc taêng goùc tôùi seû giôùi
haïn söïbtaêng töông taùc beà maët vaø do vaäy hòeu suaát cuûng ñöôïc taêng leân.
Hieäu suaát phuùn xaï phuï thuoäc vaøo ion khí trôû (cuï theå laø Ar +), Ar cho ñöôïc
hieäu suaát cao nhaát (coät cuoái cuûa baûng tuaàn hoaøn(7,8: coät cuoái)). Do ñoù phaûi
cung caáp moät naêng löôïng lôùn nhöng chæ coøn vaøi % naêng löôïng laø coù ích coøn
laïi phaûi cung caáp cho taám kim loaïi, ñeå bieán thaønh nhieät. Ngoaøi ra hieäu suaát
phuùn xaï coøn phuï thuoäc vaøo ñieän aùp treân Catod.
Ñaëc bieät phöông phaùp phuùn xa khoâng duøng nhieät vì hieäu suaát phuùn xaï
phuï thuoäc raát ít vaøo nhieät ñoä.
Toùm laïi hieäu suaát () phuùn xaï phuï thuoäc chuû yeáu Ion ñaïn (hieän nay lyù
thuyeát chöa giaûi thích ñöôïc) goùc baén phaù hay goùc taùn xaï (hieåu theo cô cheá
cuûa söï taùn xaï).
Ta phaûi huùt chaân khoâng ñeå traùnh söï va chaïm giöõa caùc ñieän tích vôùi phaân töû
khí. Hieän töôïng naøy xaûy ra töông töï nhö hieän töôïng phoùng ñieän trong khí
keùm (aùp xuaát thaáp). Ñoái vôùi nhöõng haït coù böùc xaï cao ñoøi hoûi möùc naêng
löôïng trung bình nghóa laø phaûi nhoû hôn nhöõng böùc xaï khaùc.
# Ngöôûng phuùn xaï: Laø naêng löôïng nhoû nhaát cuûa ion baén phaù coù theå gaây ra
hieän töôïng phuùn xaï. Moåi loaïi coù moät hieän töôïng phuùn xaï khaùc nhau vaø
ngöôûng phuùn xaï noù lieân quan ñeán theá naêng töông taùc cu ûa vaät lieäu vì vaäy
phaûi coù ngöôûng phuùn xaï.
Caâu 2: Giaûi thích caùc thaønh ngöõ trong hieän töôïng phoùng ñieän khí keùm cuøng
vôùi Ao, vuøng saùng catod, vuøng toái Crook.
Haàu heát caùc thieát bò taïo maøng treân co sôû phuùn xaï ñeàu ít nhieàu coù lieân
quan ñeán quaù trình phoùng ñieän khí keùm coù hai ñieän cöïc ñöôïc noái vôùi ñieän
aùp cap moät chieàu, ñieän cöïc nôùi vôùi cöïc aâm catod, ñieän ngöôïc noái vôùi cöïc
döông anod. Khi ñieän aùp taêng quaù giaù trò möùc ngöôõng goïi laø ñaùnh th uûng.
Khi soá löôïng ion ñuû lôùn noù seõ tích tuï phía tröôùc catod, taïo ra moät vuøng ñieän
tích khoâng gian cuïc boä laøm cho ñieän tröôøng phía tröôùc catod taêng maïnh. Vaø
khi hieän töôïng ñaùnh thuûng xuaát hieän thì soá luôïng e - thöù caáp taïo ra ôû catod
ñuû lôùn ñeå duy trì quaù trình phoùng ñieän suy ra goïi laø quaù trình phoùng ñieän
duy trì.
Vuøng toái crook laø vuøng maø coù caùc ion döông tính taäp trung nhieàu, chieàu daøi
cuûa noù xaáp xæ vôùi chieàu daøi quaûng ñöôøng trung bình maø e - ñi qua keå töø
catod cho tôùi khi thöïc hieän va chaïm ion hoaù ñaàu tieân. Do ñieän tröôøng trong
vuøng toái crook lôùn neân e- ñi qua vuøng naøy khaù nhanh khi caùc e ñi tôùi meùp
SVTH: Nguyeån Vaên Cöôøng
Trang 2
- Coâng ngheä vaät lieäu vaø duïng cuï ñieän GVCN: Traàn Kim Cöông
cuûa vuøng saùng aâm cöïc vaø baét ñaàu taïo ra moät soá löôïng caëp e - - ion ñaùng keå
thì öu theá cuûa ñieän tích döông seõ bò giaûm nhanh. Khi caùc ion döông ñi tôùi
meùp cuûa vuøng toái crook (do hieäu öùnh khuyeách taùn chöù khoâng phaûi do taùc
duïng cuûa ñieän tröôøng) thì no seõ bò huùt bôûi ñieän theá aâm cuûa catod. Khi cac e-
bay tôùi vuøng saùnh aâm cöïc thì nhaän ñöôïc gaàn nhö toaøn boä naêng löôïng cuûa
vuøng suït theá catod suy ra naêng löôïng naøy seõ bò maát daàn sau caùc va chaïm
ion hoaù vaø kích thích. Cuoái cuøng naêng löôïng e - khoâng ñuû ñeå taïo neân ion
(xaûy ra taïi meùp cuûa vuøng saùnh aâm cöïc) do ñoù caùc e - baét ñaàu tích tuï ôû ñoù taïo
ra moät vuøng coù ñieän tích khoâng gian hôi aâm suy ra ñoù laø vuøng toái thöù hai –
vuøng toái faraday.
Ôû phaàn coøn laïi cuûa oáng phoùng ñieän töø meùp xa vu øng toái faraday cho tôùi
anod seõ coù nguoàn caáp cho caùc e moät caùch oån ñònh vaø coù ñieän tröôøng nhoû.
Vuøng toái
crook
Vuøng toái Vuøng toái
Vuøng toái
artor faraday
anod
+Va
plasma
Anod
Catod
Vuøng saùng Vuøng saùng aâm Vuøng saùnh
catod cöïc anod
Do ñoù sau khi khueách taùn qua vuøng Faraday caùc e - laïi ñöôïc gia toác vaø
ñöôïc moâ taû baèng phöông trình.
Io: Doøng e- sô caáp.
: Soá e taïo ra/chieàu daøi cuûa e-.
Ioexp(d)
I= d: Khoaûng caùch giöõa hai ñeän cöïc
1 – γ [exp(d)- 1]
γ : soá e- thöù caáp
Haàu heát quaù trình phuùn xaï duøng ñeå taïo maøn naèm aâu trong vuøng dò
thöôøng. Neáu laøm vieäc ôû cheá ñoä tieâu chuan thì maät ñoä doøng ñieän quaù nhoû ñeå
coù theå phuùn xaï vaät lieäu catod (vôùi moät vaän toác ñuû lôùn ). Ngoaøi ra vì suït aùp
treân catod khaù nhoû neân hieäu suaát phuùn xaï cuõng nhoû.
SVTH: Nguyeån Vaên Cöôøng
Trang 3
- Coâng ngheä vaät lieäu vaø duïng cuï ñieän GVCN: Traàn Kim Cöông
Caâu 3: Quaù trình phuùn xaï ñieän töï duy trì phuï thuoäc vaøo caù yeáu toá.
Quaù trình phoùng ñieän yeâu caàu maät ñoä doøng ñieän phaûi toái thieåu ñeå taïo ra
caùc e- thöù caáp ñuû cho vieäc töï duy trì. Neáu coâng suaát caáp cho oáng phoùng
ñieän taêng thì oáng phoùng ñieän seõ töï ñieàu chænh baèng caùch taêng tieát dieän vuøng
saùng aâm cöïc sao cho maät ñieän ôû vuøng catod khoâng ñoåi. Neáu maät ñoä doøng
ñieän khoâng taêng leân thì ñieän aùp ôû vuøng toái khoâng ñoåi ñieän aùp naøy goïi laø
“suït aùp catod chuaån" noù laø giaù trò toái thieåu ñeå duy trình quaù trình phoùng
ñieän. Quaù trình phoùng ñieän töï duy trì coøn phuï thuoäc vaøo soá löôïng e - phaùt xaï
taïi catod bôû caùc ion döông töø vuøng saùng aâm cöïc, do ñoù vò trí ôû anod ít aûnh
höôûng tôùi ñaëc tính ñieän ôû vuøng phoùng ñieän. Neáu anod dòch chuyeån ngaøy
caøng gaàn tôùi anod. Thì tôùi moät luùc naøo ñoù coat döông seõ bò trieät tieâu vaø
vuøng toái Paraday seõ bò bieán maát.
Do ñoù ñeå duy trì quaù trình phoùng ñieän caàn taêng ñieän aùp cao hôn nöõa nhaèm
taêng heä soá phaùt xaï e- thöù caáp ñeå buø cho soá ion döông bò giaûm. Coøn neáu
anod ñöôïc ñaåy tieáp vaøo meùp cuûa vuøng toái thì khoâng coù ion ñöôïc taïo ra vaø
seõ khoâng coù söï phoùng ñieän töï duy trì, ñieàu naøy xaûy ra ngay caû khi ñieän aùp
ñaët vaøo laø raát lôùn.
Caâu 4: vaät lieäu Nanomet.
Caáu truùc cuûa tinh theå nanomet coù ñieåm gì khaùc so vôùi tinh theå thoâng
thöôøng caùc ñaëc tröng vaät lyù cuûa tinh theå nanomeùt coù nhöõng gì khaùc so vôùi
tinh theå thöôøng – giaûi thích.
Ta thaáy raèng tính chaát cuûa caùc vaät lieäu nhö kim loaïi, vaät lieäu töø, hôïp kim
cuõng seõ thay ñoåi neáu caùc tinh theå taïo neân chuùng coù kích thöôùc nhoû côû
nanomet. Caùc vaät lieäu ña tinh theå thöôøng coù kích thöôùc côû caùc haït tinh theå
lôùm hôn moät m. Do caùc haït tinh theå trong vaät lieäu nanomet coù kích thöôùc
nhoû neân tyû leä soá nguyeân töû naèm trong vuøng bieân haït seõ lôùn hôn raát nhieàu.
Do ñoù maø caùc tính chaát ñieän, töø, cô, nhieät cuûa caùc vaät lieäu tih theå nanomet
seõ khaùc haún caùc vaät lieäu ñôn tinh, ña tinh hoaëc voâ ñònh hình thoâng thöôøng.
Caùc vaät lieäu tinh theå coù theå ñöôïc cheá taïo baèng n hieàu phöông phaùp trong
ñoù coù phöông phaùp keát raén. Döïa treân phöông phaùp naøy maø caáu truùc cuûa tinh
theå bao goàm caùc tinh theå thuoäc thaønh phaàn tinh theå, ñöôïc taïo neân bôûi caùc
nguyeân töû ñònh söù ôû caùc nuùt maïng tinh theå vaù caùc nguyeân töû thuoäc thaønh
phaàn bieân haït (goàm caùc nguyeân töû naèm ôû bieän giöõa caùc haït tinh theå).
Thaønh phaàn bieân haït ñöôïc coi laø traïng thaùi raén môùi khoâng coù traät töï gaàn
cuõng nhö ôû xa do ñoù traïng thaùi raén naøy seõ bò nhöõng t ính chaát lyù hoaù ñaëc
SVTH: Nguyeån Vaên Cöôøng
Trang 4
- Coâng ngheä vaät lieäu vaø duïng cuï ñieän GVCN: Traàn Kim Cöông
tröng rieâng khaùc vôùi traïng thaùi tinh theå hoaëc voâ ñònh hình do væ caáu truùc
bieân haït phuï thuoäc vaøo töông quan ñònh höôùng giöõa caùc haït tinh theå
nanomet vaø ñoä doác nghieâng cuûa bieân. Neáu caùc haït tinh theå coù ñònh höôùng
ngaåu nhieân thì vi caáu truùc bieân haït (khoaûng khoâng gian troáng cuûa caùc haït
tinh theå) seõ raát khaùc nhau giöõa caùc bieân haït khaùc nhau.
Caâu 5: Coâng ngheä cheá taïo vaät lieäu tinh theå nanomet coù nhöõng ñaëc ñieåm
gioáng vaø khaùc nhau so vôùi coâng ngheä vaät lieäu cheá taïo maøng moûng nhö sau:
Coâng ngheä cheá taïo vaät lieäu tinh theå nanomet cuõng ñöôïc cheá taïo baèng
phöng phaùp phuùn xaï nhöng phuùn xaï caùc bia ñaët ñoái dieän. Heä phuùn xaï catod
naøy thì noù ñôn giaûn hôn vì chæ bao goàm moät buoàng chaân khoâng, moät bia cheá
taïo töø vaät lieäu duøng ñeå phuùn xaï taïo maøng vaø moät ñeá ñeå laéng ñoäng maøng
vaø ñeå naâng cao hieäu suaát thì ngöôøi ta ñöa vaøo buoàng phuùn xaï moät töø tröôøng
ñeå ñieàu khieån chuøm ñieän töû ñeå naâng cao hieäu suaát ion hoaù phí cuûa chuøm
ñieän töû suy ra hieäu suaát cao.
Trong khi ñoù phuùn xaï catod cho hieäu suaát thaáp (hieäu suaát cao nhaát khi caùc
ion naèm ôû coat cuoái baûng tuaàn hoaøn). Cô cheá cuûa phöông phaùp phuùn xaï caùc
bia ñaët ñoái dieän (OST) cuõng gioáng nhö phuùn xaï catod laø duøng ion ñeå baén
phaù (caùc ion ñöôïc gia toác tröôøng), caùc ion khí mang ñieän tích seû ñöôïc gia
toác trong ñieän tröôøng vaø ñaäp vaøo bia catod truyeàn naêng löôïng vaø baén caù c
nguyeân töû cuûa bia ra ngoaøi. Ñoái vôùi phöông phaùp (OST) naøy ñeá ñöôïc noái
ñaát hoaëc treo lô löûng coù theå laøm laïnh hoaëc nung noùng ñeán moät nhieät ñoä
nhaát ñònh tuøy theo yeâu caàu vaät lieäu maøng caàn cheá taïo(döôùi 80 ok). Coøn ñoái
vôùi phuùn xaï catod thì khoâng duøng nhieät vì hieäu suaát phuï thuoäc raát ít vaøo
nhieät ñoä.
Caâu 6: Döï ñoaùn vaät lieäu tinh theå nanomet coù nhöõng tính chaát ñaëc bieät sau:
Bao goàm tính: Sieâu deûo, sieâu thuaän töø, sieâu cöùng, sieâu daån vaø sieâ u ñieän
moâi.
Caùc vaät lieäu maø ñöôïc cheá taïo töø caùc tinh theå coù kích thöôùc nhoû côû
nanomet coù theå chòu ñöôïc moät löïc keùo töông ñoái maø khoâng bò phaù huyû,
chieàu daøi cuûa noù coù theå taêng leân 100% laàn maø khoâng bò phaù huyû do ñoù v aät
lieäu naøy coù tính chaát sieâu deûo(deå bieán daïng) bôûi vì do caùc haït coù kích thöôùc
cöïc nhoû, neân caùc vaät lieäu coù kích thöôùc côû nanomet thöôøng coù beà maët lieân
keát raát lôùn vaø vì vaäy chuùng níu keùo nhau nhôø caùc löïc lieân keát beà maët naøy.
Vì vaäy neáu giöõa caùc coù taïp chaát thì tính sieâu deûo seû bò giaûm ñaùng keå.
SVTH: Nguyeån Vaên Cöôøng
Trang 5
- Coâng ngheä vaät lieäu vaø duïng cuï ñieän GVCN: Traàn Kim Cöông
Söï ñoáng goùp cuûa naêng löôïng bieân cuûa caùc domen töø seû taêng leân khi kích
thöôùc haït nhoû ñi. Tuy nhieân, neáu kích thöôùc cuûa caùc haït vaät lieäu caøng nhoû
thì vieäc hình thaønh caùc bieân domen seû khoâng thuaän lôïi. Khi ñoù ta coù loaïi
vaät lieäu töø vôùi momen töø ñôn ñoäc. Momen töø khoâng phaûi laø momen töø
cuûa moät nguyeân töû maø laø momen töø cuûa moät haït ñôn ñoäc giöõa haøng ngaøn
nguyeân töû lieân keát saét töø vôùi nhau vaø coù giaù trò raát lôùn. Do coù söï gioáng vaø
khaùc nhau naøy neân trong traïng thaùi caân baèng nhieät naøy goïi laø traïng thaùi
sieâu thuaän töø.
Ñaëc ñieåm cuûa noù laø caùc ñöôøng töø hoaù ño ôû caùc nhi eät ñoä khaùc nhau seõ choàng
leân nhau. Khi nhieät ñoä lôùn (T> 2500k) thì ñöôøng töø hoaù seõ choàng leân nhau
vaø caùc haït ôû traïng thaùi sieâu thuaän töø vaø ngöôïc laïi.
Ñieän trôû suaát cuõng nhö söï phuï thuoäc nhieät ñoä cuûa ñieän trôû suaát tr ong caùc
vaät lieäu kim loaïi nanamet ñöôïc xaùc ñònh bôûi söï taùn xaï cuûa ñieän töû khoâng
phaûi chæ ôû trong loøng caùc haït maø coøn ô bieân. Caùc vaät lieäu nanomet coù ñieät
trôû suaát cao hôn raát nhieàu vaø heä soá nhieät ñieän trôû cao hôn raùt nhieàu so vôùi
caùc vaät lieäu khaùc. Ngoaøi ra caùc vaät lieäu tinh theå nanomet cuõng caùch ñieän
raát toát.
SVTH: Nguyeån Vaên Cöôøng
Trang 6
nguon tai.lieu . vn
