Xem mẫu
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 1
M Ụ C LỤ C
TRANG
Chương I – Tổ ng quan
1.1.Màng mỏng ZnO trên đế Si có lớp Ti đệm ....................................................
1.1.1.Giới thiệu ..............................................................................................
1.1.2.Tác dụng đệm của Ti lên màng ZnO trên Si ................................ ..........
1.1.3.Ứng dụng ..............................................................................................
1.1.4.Ưu điểm của ZnO..................................................................................
1.2.Tạo màng bằng phương pháp phún xạ MAGNETRON DC .........................
1.2.1.Cơ chế vật lí của phún xạ .....................................................................
1.2.2.Hiệu su ất phún xạ..................................................................................
1.2.3.Cấu tạo hệ phún xạ ................................ ................................ ................
1.2.4.Kĩ thuật phún xạ ....................................................................................
1.2.5.Đặt trưng của phún xạ ...........................................................................
1.3.Quá trình tạo bia gố m ZnO...........................................................................
1.4.Phép đo hall xác định đặ t tính điện ..............................................................
1.5.Phương pháp bố n đấ u dò xác định đặt tính điện ................................ ..........
1.6.Tính chất điện ...............................................................................................
1.7.Đặt tính quang ..............................................................................................
1.8. Cấu trúc ZnO ...............................................................................................
Chương II – Thực nghiệm và kết quả bàn luận
2.1.Chế tạo bia gốm ZnO .....................................................................................
2.1.1.Chuẩn bị vật liệu bột Oxit .....................................................................
2.1.2.Nghiền trộn bột Oxit .............................................................................
2.1.3.Định hình bia ZnO ................................ ................................ ................
2.1.4.Nung bia ZnO ................................................................ .......................
2.2.Bia kim loại Ti ................................................................................................
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 2
2 .3.Làm sạ ch lam thủy tinh và Silic.......................................................................
2 .4.Các bước trong quá trình phún xạ ..................................................................
2 .5.Môi trường chế tạo màng mỏng ZnO/Si và ZnO/Ti/Si ................................ ....
2 .6.Kết quả và thảo luận ........................................................................................
2.6.1.Ch ế tạo màng ZnO trên đế thủ y tinh ................................ .......................
2.6.2.Ch ế tạo màng ZnO trên đế Si (111) và (100) ................................ ..........
2.6.3.Ch ế tạo màng ZnO trên đế silic có lớp đệm Ti........................................
Chương III – Kết luậ n – hướng phát triển
Tài liệu tham kh ảo ...............................................................................................
Phụ lục.................................................................................................................
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 3
Chương I – TỔNG QUAN
1.1. Màng mỏng ZnO trên đế Si có lớp Ti đệm.
1.1.1.Giới thiệu
ZnO là một trong những h ợp chất bán dẫn thuộc nhó m II/VI nó được các
nhà khoa họ c quan tâm hàng đ ầu, có độ rộng vùng cấm 3,37 eV và năng lượng liên
kết exciton lớn 60 meV ở nhiệt độ phòng, n ó có khả năng cung cấp sự phát xạ exciton
có hiệu suất cao ở nhiệt độ phòng và được quan tâm ứng dụng đố i với những thiết bị
quang họ c như là:Diod phát quang xanh hoặc cực tím (LEDs) và những Diod Laser
thế h ệ đ ời mới (LDs).
Màng ZnO được tạo ra trên nh ững đế khác nhau, như là: Ngọc bích (sapphire),
Si, ScAlMgO4, GaAs, CaF và SiO2 ... cho đến bây giờ đế sapphire được dùng phổ biến
nh ất.Tuy nhiên do dộ d ẫn nhiệt kém, khó cắt ra mành nhỏ và giá thành cao, nên đ ế
sapphire có vẻ không thích hợp đ ể phủ ZnO cho ứ ng dụng công nghiệp. Từ quan điểm
này, Si thích hợp hơn cho việc thay thế, vì giá rẻ và độ d ẫn nhiệt tuyệt vời, đ ộ kết tinh
cao, có thể có kích thước lớn được...Tuy nhiên ZnO phủ lên Si là một kỹ thuật khó do
bề mặt Si dễ bị Oxi hóa trong suố t quá trình phủ màng. Sự Oxi hóa bề mặt Si hình
thành một lớp SiOx vô đ ịnh hình, lớp này làm giảm ch ất lượng của màng ZnO phủ
trên đế Si. Do đó, Một vài lớp đệm như: Zn, Al, Ru, AlN, MgO, CaF2, ZnS, và GaN,
đã được đưa vào để ngăn ngừa b ề mặt ch ất nền Si khổ i bị Oxi hóa trong quá trình phủ
màng ZnO. Trong những loại lớp đ ệm, chú ý rằng còn mộ t vài lớp kim lo ại, như là:
Zn, Al, Ru được dùng để làm lớp nền rất tố t.
Trong bài nghiên cứu này của chúng tôi, lớp kim loại mỏng Ti được đưa vào
làm lớp đệm kim loại mới cho sự phủ màng mỏng ZnO trên đ ế Si. Yếu tố tác đông đ ể
dùng Ti làm lớp đệm ban đ ầu, là do nó có điện trở hóa học cao. Điểm nóng ch ảy cao
(1668Co) và có cùng cấu trúc lụ c giác xiếc ch ặt (HCP) n hư của ZnO. Ngoài ra, sự lệch
mạng giữa Ti và ZnO là 10%, nhỏ hơn sự lệch m ạng giữa Si và ZnO (15%) và do đó
sẽ giảm tác động của sự lệch mạng.
Trong công trình này, màng mỏng ZnO đ ịnh hướng m ạnh theo trục c được phủ
lên lớp nền Si (111) bằng cách đưa vào lớp mỏng Ti làm lớp đệm ban đầu cho sự lắng
động phún xạ Magnetron DC. So sánh với màng mỏ ng ZnO phủ lên đ ế Si (111) mà
không có lớp đệm Ti, cấu trúc và tính ch ất quang học của màng mỏng ZnO phủ trên
Ti/Si (111) cho ta được mẫu cải tiến, có tính chất tố t hơn.
1.1.2.Tác dụng đệm của Ti lên màng ZnO trên Si.
Lớp Ti mỏng được dùng làm lớp đ ệm để bảo vệ b ề m ặt Si (111 ) khổi bị Oxi
hóa và sự sai mạng giữa ch ất n ền Si và màng mỏng ZnO. Tác động của lớp mỏng Ti
lên chất lượng màng mỏng ZnO được nghiên cứu đánh giá b ởi phương pháp: Khúc xạ
tia X (XRD). Đã có nhiều công trình nghiên cứu trường hợp này.
ZnO phủ lên Si là một kỹ thuật khó do b ề mặt Si d ễ b ị Oxi hóa trong suố t quá
trình phủ m àng. Sự Oxi hóa bề m ặt Si hình thành mộ t lớp SiOx vô đ ịnh hình, lớp này
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 4
làm giảm chất lượng của màng ZnO phủ trên đế Si. Trong bài nghiên cứu này, lớp kim
loại mỏng Ti được đưa vào làm lớp đệm kim lo ại m ới cho sự phủ màng mỏng ZnO
trên đế Si. Yếu tố tác động để dùng Ti làm lớp đệm ban đầu, là do nó có điện trở hóa
họ c cao. Điểm nóng chảy cao (1668Co) và có cùng cấu trúc lục giác xiếc chặt (HCP)
như của ZnO. Ngoài ra, sự lệch mạng giữa Ti và ZnO là 10%,nh ỏ hơn sự lệch m ạng
giữa Si và ZnO (15%) và do đó sẽ giảm tác động củ a sự lệch m ạng.
1.1.3.Ứng dụng.
Xa hơn, ZnO đã được xem xét như mộ t vật liệu đ ầy hứa h ẹn cho nhiều ứng
dụng khác nhau như là pin mặt trời, những sensors khí, máy tạo dao động siêu âm và
máy chuyển đổ i năng lượng. Màng mỏng ZnO là vật liệu được biết là tốt được dùng
cho kích thích áp điện và tách dao động của thiết bị cộng hưởng. ZnO là mộ t vật liệu
thú vị trong ứng dụng bởi vì nó kết hợp hệ số máy năng lượng cao với IC-based quá
trình dao động . Ứng dụng đặc biệt là máy đ ầu dò micro, dùng đ ể đo độ lớn như là :
Lực, áp suất và gia tốc. Có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng màng ZnO.
1.1.4.Ưu điểm của ZnO.
ZnO được chú ý b ởi nó chứa đựng rất nhiền ưu điểm:
-Là h ợp chất có nhiều trong tự nhiên và rẻ tiền hơn so với các vật liệu khác
như: GaAs, ITO, In...
-Không độc hại, trong khi đó một số loại màng gây hại cho sứ c khỏe như:
Màng Cd.
-Dể gia công sản xu ất b ằng kĩ thuật phún xạ, mộ t kĩ thu ật khá phổ biến hiện
nay.
-Có khả năng hấp thụ tia tử ngo ại.
1.2.Tạo màng bằng phương pháp phún xạ MAGNETRON DC.
1.2.1.Cơ chế vật lí của phún xạ.
- Phún xạ là hiện tượng mà những nguyên tử bị bứ c ra khỏ i bề mặt củ a một vật liệu
bất kì khi nó bị bắn phá bởi những ion.
-Có hai loại phún xạ: Phún xạ p hản ứng và phún xạ không phản ứng.
+Phún xạ không phản ứng là: Các ion bắn phá vào vật liệu bia là những ion khí
trơ, do đó trong lúc chuyển động đập vào bia nó không phản ứng với bia.
Vd: Màng Al, Cu, Ag...trong môi trường phún xạ là khí trơ, với bia kim loại
tương ứng, ion bắn phá là ion khí trơ.
+Phún xạ phản ứng là: Các ion bắn phá vào vật liệu bia có ph ản ứng với bia tạo
hợp chất.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 5
Vd: Màng Al2O3, ZnO, TiO2... với bia kim loại tương ứng, ion b ắn phá tạo
ph ản ứng là ion Oxi.
Hình 1: Cơ chế vật lí của sự phún xạ.
Hình2: Những
hạ t phún xạ.
Hình 3: Các Ion trong quá trình phún xạ.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 6
-Phún xạ là một quá trình:
+Những sự va ch ạm củ a các ion – bia.
+Truyền động lượng.
+Bắn ra những nguyên tử , đám nguyên tử ho ặc những phân tử trên b ề m ặt bia.
-Kết quả là:
+Vật liệu từ bia sẽ h ình thành màng trên đ ế (nếu bia là đơn chất m àng đơn
chất; bia là hợp chất màng hợp ch ất và mang tính ch ất củ a màng mỏng).
+Năng lượng trung bình của hạt thoát ra khỏ i bia khoảng 1-10eV (có th ể làm
nóng đế).
-Độ xuyên sâu của nh ững ion
+Độ xuyên sâu của những ion phụ thuộ c vào:
•Năng lượng của những ion.
•Góc tới của ion.
•Khối lượng của ion so với khối lượng của nguyên tử,phân tử b ia.
Độ xuyên sâu trung bình của ion khoảng 10 - 40 nm.
Hình 4: Mô tả quá trình xuyên sâu của ion.
1.2.2.Hiệu suấ t phún xạ.
Hiệu suất phún xạ = TỔNG CÁC NGUYÊN TỬ PHÚN XẠ/TỔNG CÁC ION
NA
TỚ I = (1.1)
NI
-Hiệu suất phún xạ phụ thuộc vào:
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 7
+Bản chất củ a bia.
+Bản chất củ a những ion
+Năng lương tới của những ion.
+Góc tới.
Hình 5: Biểu diễn sự ph ụ thuộc của hiệu suấ t phún xạ vào năng lượng ion Ar.
Hình 6: Biểu diễn sự ph ụ thuộc của hiệu suấ t vào năng lượng tới của ion bắn bia.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 8
Hình 7: Sự phụ thuộc của hiệu suất vào góc tới của ion tới.
Y
) cao nhất ở khoảng 720.
Tỉ lệ h iệu su ất (
Y0
1 .2.3.Cấu tạo hệ phún xạ.
-Hệ Magnetron bao gồm:
+Bản cathode: Dùng làm nguồn điện tử .
+Bản anode: Nơi thu nh ận điện tử .
+Kết hợp với điện từ trường vuông góc nhau.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 9
Hình 8: Mô tả đ iện trường và từ trườn g vuông góc trong hệ Magnetron.
Một số loại h ệ Magnetron thông thường. Các loại này thường có bên trong lò Viba.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 10
Hình 9: Một số hệ Magnetron thông dụng.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 11
Hình 10: Sơ đồ hệ phún xạ MAGNETRON .
-Vật liệu cần phủ h ay vật liệu màng (bia): Dùng đ ể phún xạ được gắn ch ặt với
một bản giải nhiệt (bàn này được áp điện thế vào). Toàn bộ bia, b ản giải nhiệt là
cathode. Cathode được cách điện với đất.
-Từ trư ờng do một vòng nam châm bên ngoài bao quanh và đối cực với một lỗi
nam châm ở giữa. Chúng được nối từ với nhau bằng một tấm sắt (việc nố i từ có tác
dụng khép kín đường sức từ phía dưới).
-Bằng cách bố trí thích hợp vị trí giữa các nam châm tạo ra các giá trị khác
nhau của cư ờng độ từ trường trên bề mặt bia.
-Vật liệu đư ợc phủ (đế): Được nố i đất (áp đ iện thế dương).
Hình 11: Sơ đồ minh họa của h ệ phún xạ magnetron.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 12
Hình 12: Mô tả hệ Magnetron.
*Nguyên lý hoạt động:
+Khi thế âm được áp vào hệ, giữa cathode (bia) và anode (đế -vật liệu cần phủ)
sinh ra một điện trường làm định hướng và truyền năng lượng cho các hạt mang điện
có trong h ệ (thông thường một thể tích khí ở điều kiện thư ờng luôn chứa một số điện
tử vả ion, 1 cm 3 khí quyển trên m ặt biển trung bình có 103 ion âm và dương tạo nên
bởi tia vũ trụ, tia tử ngoại, và phóng xạ của môi trư ờng xung quanh).
+Những điện tử và ion tạo thành thác lũ điện tử, những ion đập vào Kathode và
giải phóng các điện tử thứ cấp, các điện tử này được gia tố c trong điện trường đồng
thời bị tác động của từ trường ngang, từ trường này sẽ giữ đ iện tử ở gần cathode theo
qu ỹ đ ạo xoắn trôn ố c. Nh ờ vậy chiều dài quãng đường đi của điện tử đã được tăng lên
nhiều lần trước khi nó đ ến anode.
+Trong quá trình chuyển đ ộng củ a điện tử, đ iện tử sẽ va chạm với các nguyên
tử khí và sinh ra nh ững ion (sự ion hóa). Các ion này được gia tố c đ ến Kathode và làm
phát xạ ra những điện tử thứ cấp. Như vậy, nồng độ đ iện tử tăng, khi số điện tử được
sản sinh b ằng với số điện tử mất đi do quá trình tái hợp, lúc đó phóng điện tự duy trì.
Lúc này khí phát sáng trên b ề mặt bia, thế phóng điện giảm và dòng tăng nhanh.
Những điện tử n ăng lượng cao sinh ra nhiều ion và những ion năng lượng cao đ ập vào
Kathode làm phún xạ vật liệu bia và bức xạ các điện tử thứ cấp để tiếp tụ c duy trì
phóng điện. Lúc này khi tăng th ế rất nhỏ d òng sẽ tăng đáng kể.
Sự ion hóa diễn ra trong điện từ trường vuông góc nhau tạo thành Plasma.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 13
+Plasma là đám gồm ion dương và những điện tử tạo thành trạng thái gần như
trung hòa về điện.
+Vùng Plasma hình thành trong điện từ trường vuông góc nhau.
+Với những ứng dụng tạo màng trong môi trường Plasma, ion dương được sinh
ra bởi quá trình va chạm giữa các hạt trung hòa và nh ững điện tử mang năng lượng.
+Những điện tử trong môi trường Plasma có độ linh động rất lớn. Điều khiển
các điện tử có độ linh động lớn này chính là đang điều khiển được Plasma.
Hình 13 : Bài toán tìm phương trình chuyển động của điện tử trong điện từ trường
vuông góc nhau.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 14
Định luật II Newton:
(1.2)
(1.3)
Từ phương trình trên, ta thấy đ iện trường và từ trường vuông góc với nhau thì chuyển
động của hạt sẽ là tổng hợp của hai dạng chuyển động: Chuyển động tròn và chuyển
động tịnh tiến dọc theo trụ c X. Nói cách khác, qu ỹ đ ạo của chúng là cycloic với bán
kính larmor:
meV
(1.4 )
re V B
,
eB
1 .2.4.Kĩ thuật phún xạ.
a) Chân không được tạo bởi 2 loại bơm.
-Bơm sơ cấp (bơm rote,bơm quay d ầu).
-Bơm turbo (bơm khuyếch tán).
b ) Khí đư ợc đưa vào (thường là Ar) để thự c hiện quá trình ion hóa chất khí.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 15
c) Chân không.
-Bơm quay (bơm rote,sơ cấp,bơm quay dầu):
+ Tố c độ : 30 m3/h.
+ Áp su ất tới h ạn : 10 -2 torr .
-Bơm turbo (bơm khuyếch tán):
+ Tố c độ 200 l/s
+ Áp su ất tới h ạn 10-10 torr.
-Chân không phún xạ :
+ Chân không tới h ạn :10 -7 torr .
+ Áp su ất làm việc :10-2 10 -3 torr .
1.2.5.Đặt trưng của phún xạ.
a) Ngưỡng phún xạ:
Để xảy ra quá trình phún xạ, các ion đập vào cathode phải có một năng
lượng tối thiểu nào đó, gọi là năng lượng ngưỡng Eo của quá trình phún xạ (hay
ngưỡng phún xạ). Nếu năng lượng của ion bắn phá nhỏ hơn năng lượng Eo thì
phún xạ không xảy ra.
Ngưỡng phún xạ phụ thuộ c rất ít vào khối lượng ion, nhưng lại phụ
thuộc vào b ản chất củ a từng loại bia kim loại.
Ngưỡng phún xạ n ói chung nằm trong kho ảng 10eV đ ến 30eV.
b) Hệ số phún xạ:
Sự phún xạ được đ ặt trưng b ởi hệ số phún xạ s, là tỉ số giữa số nguyên
tử bị phún xạ na với số ion n i đập vào bế mặt cathode, tính trong cùng một
khoảng thời gian.
na
(1.5 )
s
ni
Nếu trong kho ảng thời gian t , khối lượng vật liệu bị phún xạ là m ,
khối lượng của một nguyên tử vật liệu là µ thì ta có:
m
(1.6 )
na
Cũng trong thời gian này, số lượng một ion điện tích oanh tạc lên bia
được xác đ ịnh thông qua dòng I:
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 16
It
(1.7 )
ni
e
Từ đó ta có :
na me
(1.8 )
s
It
ni
Hệ số phún xạ theo (1.5) được tính b ằng số nguyên tử trên số ion.Tuy
nhiên, trong một số trường hợp người ta có thể biểu diễn theo đơn vị
gam/coulomb, bằng cách đặt:
m
(1.9 )
s'
It
(1.10)
s ' s.
e
Thì hệ số phún xạ s hay s’ phụ thuộ c vào bản chất củ a vật liệu phún xạ,
loại ion và năng lượng củ a ion oanh tạc lên bia, gố c đ ập ion lên bế mặt cathode
và phụ thuộ c vào áp suất khí làm việc.
c) Sự phân bố theo góc của các hạt phún xạ:
Theo năng lượng bắn phá của các ion mà các hạt phún xạ sẽ phân bố
theo các góc khác nhau. Khi năng lư ợng ion càng lớn thì sự phân bố góc củ a
các hạt phún xạ càng gần với đ ịnh luật cosin.
d) Năng lượng h ạt phún xạ:
Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến tính chất củ a màng m ỏng được
chế tạo bằng phương pháp phún xạ là năng lượng của các nguyên tử được phún
xạ. Mộ t số công trình cho th ấy, hàm phân bố theo năng lượng của các hạt phún
xạ có cực đại trong khoảng từ 1-2eV và trải rộng đến hàng trăm eV.
Áp suất khí cũng ảnh hưởng đến năng lư ợng phún xạ. Ở áp suất cao, tần
số va ch ạm giữ a các nguyên tử được phún xạ với các nguyên tử khí gia tăng,
làm giảm đáng kể năng lượng của dòng hơi tạo màng.
e) Vận tốc phún xạ:
tronng vùng năng lượng thường sử d ụng trong phún xạ (200-400V), vận
tốc phún xạ tăng chậm theo năng lượng của các ion, nhưng tăng rất nhanh theo
mật độ dòng xác định số ion b ắn phá bia. Vận tốc phún xạ khoảng 5.10-4gcm-2s-
1
nó nhỏ so với vận tốc bốc bay (10 -2gcm-2s-1) đ ạt được nhờ một thiết b ị bố c
bay chùm điện tử.
Theo Gurmin vận tốc phún xạ trong trường hợp ion có năng lượng từ
thấp đến trung bình được cho bởi:
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 17
dN l
(1.11)
S
Adt e
Với
3 4m1m2 E
(1.12)
V
S 2
( m1m2 ) 2 E0
4
Trong đó:
S: Hiệu suất phóng xạ m 2 : Khối lượng ion
: Năng lượng ion
I : Dòng ion E
E: Điện tích của điện tử E0 : Nhiệt thăng hoa
γ : Hàm củ a m1/m2 β : Hệ số tỉ lệ
V: Điện áp m 1 : Khố i lượng của nguyên tử b ia.
1.3. Quá trình chế tạo bia gốm ZnO.
Quá trình ch ế tạo bia gốm gồm có 3 giai đoạn :
+ Chuẩn bị vật liệu: Trộn, nghiền, rây.
+Định hình vật liệu: Ép bột kim loại thành hình tròn hoặc hình vuông.
Hình 14: Sản phẩm bia ZnO sau khi hoàn thành.
+Cuố i cùng là nung: Kết khối vật liệu.
Trong quá trình chế tạo bia gốm thì quá trình nung (quá trình kết khối ) là quá
trình quang trọng nhất, quyết đ ịnh tính chất bia phún xạ. Quá trình kết khối là quá
trình rắn ch ắc lại của các phân tử dạng bột dưới tác dụng của nhiệt ho ặc áp suất. Vật
liệu kết khối có cường độ cơ học cao, độ xốp và khả năng hút nước thấp, m ật độ th ể
tích lớn. Hiện tư ợng kết khối bao gồ m nhiều quá trình hóa lý rất phứ tạp xảy ra kế tiếp
nhau, không thể tách riêng từng quá trình. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
kết khối: Thành ph ần hóa học, khoáng vật, trạng thái bề mặt riêng, đ iều kiện nung...
Trong đó điều kiện nung là quang trọng nh ất. Vế mặt hóa họ c vật th ể kết khối hoàn
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 18
toàn khác với trước khi nung. Hiện tượng kết kh ối chỉ xảy ra ở trang thái rắn (dạng
Oxit tinh khiết). Nói chung sản phẩm mu ốn kết khối trong điều kiện thông thường
ph ải nung đ ến nhiệt độ không nhỏ hơn 0.8Tnc (Tnc: Nhiệt độ nóng ch ảy của vật liệu).
Những dấu hiệu đặt trưng củ a sản phẩm đã kết khố i: Giảm thể tích , sản phẩm
rắn chắc lại (độ bền cơ tăng).
Khoảng kết kh ối: Hiệu số nhiệt kết thúc quá trình và nhiệt độ b ắt đ ầu kết khối.
Nhiệt độ b ắt đ ầu kết khối là nhiệt độ ứng với nó, các tính ch ất b ắt đầu thay đổi đột
ngột. Nhiệt độ kết thúc quá trình kết khố i là nhiệt độ, ở đó các tính chất của sản phẩm
nung b ắt đầu đạt cự c đại hay cự c tiểu. Các tính chất mô tả cấu trúc củ a sản phẩm
nung: Độ xốp, mật độ và khả n ăng hút nước. Cũng có nh ững trường hợp độ bền cơ
cũng được dùng để xem xét quá trình kết khối của sản phẩm. Trong các tính chất này
kh ả n ăng hút nư ớc thường được coi là tiêu chuẩn đầu tiên để so sánh mứ c độ so sánh
của sản phẩm nung. Trong kĩ thu ật nung, khoảng kết khối có ý nghĩa đặt biệt. Kho ảng
kết kh ối rộng thì quá trình nung dễ dàng hơn (đối với đất sét và cao lanh có thể hàng
trăm độ ), ngược lại khoảng kết khố i hẹp khó nung (sản phẩm chứ a SiO2 khoảng kết
khối chỉ 10-150C). Khoảng kết khối có thể tính toán khi biết thành phần hóa họ c hoặc
xác định b ằng thực nghiệm khi nghiên cứu mẫu nhỏ bằng phương pháp DTA
(Differntial Thermal Analysis) hoặc TGA (Thermal Gravimetric Analysis).
Có mộ t vài lý thuyết về kết kh ối, nhưng lý thuyết khuếch tán đ ã được chấp
nh ận và sử dụng rãi nhất. Lý thuyết này cho rằng, kết khối là cơ chế kết tụ củ a các h ạt
khi tiếp xúc. Trư ớc khi kết khối, nơi đó đ ã tập hợp các “Ốc đảo” có kích thước khác
nhau, và sau đó các “Ốc đảo” lớn hơn sẽ tăng trưởng b ằng cách “nuốt” các ốc đảo nhỏ
hơn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung:
-Thành phần hóa học: Lý thuyết và thự nghiệm đều cho rằng thành phần hóa
họ c của sản ph ẩm là yếu tố chủ yếu quyết định nhiệt độ và khoảng kết khối.
-Kích thước và thành phần hạt: Kích thước và thành phần hạt ch ẳn những có
tác dụng đến việc sắp xếp các hạt trong sản phẩm lúc mới tạo hình mà còn là nhân tố
khá quan trọng ảnh hưởng đ ến quá trình kết khối. Kích thước hạt càng bé, sản phẩm
càng kết khối tốt.
-Mật độ của sản phẩm: Độ sít ch ặt của sản phẩm có ảnh hưởng đến quá trình
kết khối. Mật độ càng cao, kết khối càng thuận lợi.
-Nhiệt độ nung cực đại và thời gian lưu: Nhiệt độ nung cực đại và thời gian lưu
là yếu tố rất cơ b ản, có ảnh hưởng quyết đ ịnh đến ch ất lượng sản ph ẩm nung và chính
do thành ph ần hóa học củ a sản phẩm quyết đ ịnh.
-Thời gian lưu sản phẩm ở nhiệt đ ộ nung cực đại ngắn hay dài quá đều có ảnh
hưởng đến tính chất của sản phẩm. Với sản phẩm có khoảng kết khối h ẹp , nên nung ở
nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nung lý thuyết từ 2 0-300C và kéo dài thời gian lưu ở nhiệt
độ đó lâu hơn và ngược lại.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 19
Tốc độ thay đổ i nhiệt độ: Tốc độ nâng nhiệt độ lúc nung sản phẩm phụ thuộ c
chủ yếu vào quá trình biến đổi các ph ần tử trong sản phẩm. Cấu trúc thay đổ i, lực liên
kết giữa chúng cũng sẽ khác nhau, do đó, nếu tố c độ nâng nhiệt không hợp lý sẽ dẫn
đến các dạng khuyết tật. Tốc độ làm nguội chẳng những có ảnh hưởng đến việc phát
triển các tinh th ể rắn mà còn liên quan đ ến sự xu ất hiện ứng suất n ội.
-Môi trư ờng khí: Trong quá trình nung sản ph ẩm, môi trường khí giữ vai trò
quan trọng vì nó có thể làm thay đ ổi thành phần hóa học và tính chất của sản phẩm.
1.4. Phép đo Hall xác định tính chất điện.
Phép đo Hall dùng để xác đ ịnh điện trở suất ([ρ]=Ω.cm), loại hạt tải, nồng đ ộ
hạt tải ([n]=dm-3), độ linh độ ng ([µ]= cm2/V.s). Phép đo được th ực hiện theo phương
pháp van der Pauw, với sự tiếp xúc ohmic đ ược tạo ra bởi lớp Nhôm từ phương pháp
lắng đọng chùm electron, dùng làm m ẫu như mộ t màng che trong tiếp xúc gắn liền với
mẫu. Kích thước mẫu lớn nhất là 7 x 7 mm, với những mẫu đư ợc cắt ra từ m ẫu lớn
hơn bằng biện pháp vết khía và những vết nứt. Lớp tiếp xúc tạo thành một d ạng hình
vuông 4 x 4 mm,và mỗi điểm có đường kính xấp xỉ là 0,5 mm. Những mẫu được tạo
nên trên một tấm giữ màng chắn thông dụ ng, được đ ặt trong hệ bốc bay electron,
buồng chân không thì được bơm xuống ~5x10-7 torr dùng một bơm khuyếch tán được
kết nố i một bằng bơm rotary chu ẩn. Chất thải (điện tích) của Al trong túi nguồn lắng
đọng chùm electron được làm bay hơi ở chế độ ~15 Å/s đ ể sinh ra màng mỏng
khoảng ~3300 Å như được đo ở tinh thể thạch anh (SiO2) ở cân vi lượng. Phần phủ
kính buồn g chân không bao bọc đ ầu dò áp suất trong phép đo Hall để n găn cản sự
ngưng tụ suố t phép đo nhiệt độ thấp, vì vậy phép đo Hall được th ực hiện trong buồng
tối.
Hệ thống Hall được tập hợp từ các thành phần thềm. Một máy cung cấp từ
chuẩn trường Frieldial mẫu V-FR2503 cung cấp dòng cho mộ t nam châm cư ờng độ
mạnh Varian Associates, được đặt ở cường độ đ ến 8,000 gauss. Một m áy Keithley
loại 220 cung cấp một dòng không đổi, với một máy đo khuếch đại tín hiệu vi th ế
Keithley loại 197 đ ược dùng để đo điện thế cuối cùng. Một mạng chuyển đổ i HP lo ại
3488A đ ược nố i vào lớp tiếp xúc mẫu thích hợp với thành phần điện tử thích hợp cho
nh ững dạng thăm dò khác nhau được thiết lập b ởi phương pháp Van der Pauw. Một
máy chỉ vạch đường cong Tektronix loại 177 được đưa vào trong hệ thống để xác
định những lớp tiếp xúc có ph ải là Ohmic hay không bằng cách ghi nhận đường cong.
Một máy tính điều khiển tất cả các thiết b ị, và yêu cầu và xử lí dữ liệu. Dữ liệu được
báo cáo bởi hệ bao gồm nồng độ h ạt mang điện (n), độ linh động(µ), điện trở suất (ρ),
loại h ạt mang điện, h ệ số Hall (RH), và phép phân tích lỗi. Khi hoạt động, trước tiên h ệ
thống xác định dòng thích hợp cho phép đo. Hệ thố ng được lập trình để đáp ứng một
dòng cần thiết ho ạt động là 5 mV. Với phép đo này, d òng xuyên qua lớp tiếp xúc ở
một bên hình vuông, và độ giảm thế được đo thông qua điểm tiếp xúc ở mặt đối diên
của hình vuông.
Thật quan trọng đ ể hiểu chất lượng thông tin được cho b ởi phép đo Hall, và
nh ững giả định và h ầm bẫy d ưới đ ây là liên kết với nó. Cho trường hợp tạp chất thoái
hóa ZnO : Al có một vài sản phẩm thu được cần phải được xác định d ạng, và một vài
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 20
giới hạn cần được làm khớp. Đầu tiên là h ệ số Hall (γH), nói chung được cho là bằng
1. Đây là sự xấp xỉ tốt cho nhiều chất bán dẫn, nhưng không dùng được ở độ chính
xác cao nhất, giá trị n ên được th ẩm định. Mộ t điều rằng vật liệu được cấy suy biến có
thể tạo ra những dải tạp ch ất, và tác động lên hàm phân bố electron (f(e)). Độ lớn củ a
điện th ế Hall là khó khăn phát sinh khác. Cho những m ẫu có hệ số linh động Hall
thấp, sự khác biệt giữ a thế Hall khi có và không có trường điện từ là nhỏ, làm cho
phép đo chính xác của thế Hall phụ thuộ c từ trư ờng trở nên khó khăn. Điều này yêu
cầu rằng ph ải cẩn th ận khi phân tích dữ liệu để ch ắc chắn sự thay đổi trong phép đo vì
thế Hall thì thích hợp và phù hợp với sự phân cực trường từ và dạng h ình học kết nối.
Những phép đo này đ ầu tiên được sử dụng đ ể so sánh những mẫu tương đối với nhau.
Vì nh ững mẫu giống nhau đ ược dùng cho hệ thống Hall, và màng thì tương thích với
cùng loại vật liệu, sự so sánh dữ liệu giữa nh ững mẫu cần độ chính xác cần thiết. Sự
so sánh với giá trị trong các tài liệu với những nghiên cứu khác đối với ZnO sẽ hợp lý
vì các thông số vật liệu ph ải giống nhau . Thông số đ ược sử dụng trong phép đo Hall
thường không được nêu lên, vì vậy trong khi so sánh với tài liệu chuẩn, chúng ph ải
được kiểm tra với con mắt tinh tường.
Phương pháp đo các thông số điện bằng phép đo Hall rất chính xác, nhưng
trong luận văn của chúng tôi sử d ụng phương pháp bốn đầu dò đ ể xác đ ịnh những
thông số điện củ a màng.
1.5. Phương pháp bốn đấu dò xác định đặt tính điện.
Những phương pháp đo được lấy trên Alessi bốn điểm cảm biến. Một đ ầu cảm
biến nhiệt với tim tungsten có b án kính nhọn 0 ,002”, một kho ảng cách cảm biến
0,05”, và cảm biến có áp lực 70 đ ến 180 grams được dùng để đo tất cả các phép đo.
Dòng được đáp ứng bởi Crytronics loại nguồn dòng 120 với dãy đáp ứng giữ a 1µA
đến 100 mA. Thế được đo bởi đ iện kế nanovolt Keithley lo ại 181 với mộ t trở kháng
đầu vào cao hơn 1 giga-ohm. Phương trình 3.1 và 3.2 được dùng đ ể xác định điện trở
của lá kim loại (Rs có đơn vị là Ω/sq) và điện trở suất (ρ có đơn vị Ω.cm), theo thứ tự
đó
(1.13)
(1.14)
SVTH: Trần Văn Th ảo
nguon tai.lieu . vn
