Xem mẫu
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 1
Hình 17: Mô tả dụng cụ đo hệ số truyền qua của màng mỏng quang học.
Trong đó: 1 – gương cầu; 2 – nguồn sáng; 3 – ống kính; 4 – chắn sáng quay
M – đế chưa tráng phủ màng; CT – đ ế tráng phủ m àng
QP – hệ tách chùm đơn sắc; Q/E – hệ chuyển đổi tín hiệu quang sang
tín hiệu điện ; CT – bộ chỉ thị các giá trị CT và M .
Ánh sáng từ n guồn được hội tụ và đi vào máy đơn sắc, bị tán sắc bởi cách tử và
hội tụ trên khe ra. Ánh sáng đơn sắc này chia làm hai tia: Một tia đi tới mẫu đ ể đo và
một tia còn lại thì đi đến mẫu tham chiếu như là một mẫu chuẩn. Ánh sáng truyền qua
mẫu và mẫu tham chiếu được đo bằng đầu dò Silicon photodiode và chuyển đổi từ tín
hiệu quang sang tín hiệu điện Q/E.
Hệ số truyền qua Tλ được tính theo công thức sau:
(1.15)
CT : quang năng chùm qua đ ế tráng phủ m àng
Trong đó:
M : quang năng chùm qua đ ế chưa tráng phủ m àng.
Màng ZnO có độ truyền qua khá lớn nên có thể xác định khá chính xác các thông số
quang như chiết suất n, độ dày d, hệ số tắt k,độ rộng vùng cấm… của màng mỏng
thông qua các phổ truyền qua của chúng.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 2
Hình 18:Đường đi của ánh sáng qua màng.
ZnO là bán dẫn có độ rộng vùng cấm tương đối lớn (3,3 - 4 eV) và có độ truyền
qua cao (>80%) trong vùng ánh sáng khả kiến (0,4 < λ< 0,8 µm). Độ truyền qua giảm
mạnh khi λ< 0,4 µm do sự hấp thụ riêng củ a bán dẫn.
1.8. Cấu trúc ZnO
1 .8.1.Cấu trúc tinh thể của ZnO.
Hầu hết các hợp ch ất bán dẫn hai cấu tử II-VI kết tinh ở dạng lập phương zinc-
blende (B3) hoặc sáu phương wurtzite (B4) với mỗ i anion được bao quanh b ởi 4
cation tại các đỉnh của tứ diện và ngược lại. Ở nhiệt độ phòng, wurtzite là dạng ổn
định nhiệt động, trong khi đó dạng zinc-blende ch ỉ có được khi kết tinh trên đế có cấu
trúc lập phương, và dạng rocksalt (NaCl-B1) chỉ tồn tại ở áp suất cao. ZnO wurtzite
dạng sáu phương có cấu trúc xếp chặt như sau:
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 3
Hình 19
Tron g cấu trúc wurtzite, các ion O2- và Zn 2+ thay phiên xếp chồng lên nhau
theo mạng lục giác xếp chặt, trong đó mỗi anion được bao quanh bởi 4 cation và
ngược lại. Các ion Zn2+ chiếm phân n ửa số vị trí tứ d iện trong mạng này. Số phối trí 4
này đ ặc trưng cho liên kết cộng hoá trị sp3, tuy nhiên ZnO có bản chất liên kết chính
là liên kết ion (62%) [17,19]. Hằng số m ạng a = 3,246 A0 và t ỷ lệ trục c/a=1,602. Các
nút khuyết ôxy trong mạng là nguyên nhân làm cho ZnO mang tính bán dẫn loại n.
Độ dẫn điện của màng ZnO nhiều khi không đủ cao để đáp ứng trong một số
thiết b ị. Để tăng thêm tính dẫn điện của màng ZnO ta ph ải tìm cách pha tạp. Chất pha
tạp thường là các nguyên tố nhóm III trong bảng hệ thống tuần hoàn như Al, Ga…
Việc lựa chọn ch ất pha tạp phụ thuộc vào phương pháp tạo màng, điều kiện tạo màng
và mụ c đích sử dụng. Khi pha tạp nhôm (Al) vào m ạng ZnO, nồng độ hạt tải electron
tăng lên và vật liệu d ẫn điện tốt hơn.
Trong các thiết b ị sử dụng vật liệu ZnO, cấu trúc tinh thể màng là một đặc tính
quan trọng. Ví d ụ, màng ZnO cần ph ải định hướng chủ yếu theo trục c vuông góc với
bề mặt đế trong các bộ chuyển đổ i sóng dọc (longitudinal bulk wave transducers) và
bộ lọc sóng âm bề mặt (SAW filters). Sự định hướng tinh thể theo một phương mong
muốn phụ thuộc vào điều kiện ch ế tạo và bản chất củ a vật liệu làm đ ế. Với những điều
kiện chế tạo thích hợp, màng ZnO thường có định hướng theo trụ c c ngay cả khi màng
được tráng phủ trên đ ế thu ỷ tinh. Điều đó được lí giải vì sắp xếp theo phương này tạo
cho màng có độ xít chặt cao nhất.Theo Ohyama, nhiệt độ sôi củ a dung môi ảnh hưởng
lớn đến định hướng tinh th ể m àng. Dung môi có nhiệt độ sôi cao (2-methoxyethanol)
cho phép sự hồi phục cấu trúc trước khi hình thành màng, do đ ó màng có th ể định
hướng tinh thể tố t chủ yếu theo trục c.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 4
1 .8.2. Sự tạo sai hỏng trong tinh thể chất bán dẫn ZnO.
Trong ph ần trên ta đã xét cấu trúc m ạng tinh thể ZnO lý tưởng, tức là m ạng
trong đó toàn bộ các phần tử cấu tạo nên vật rắn nằm ở các vị trí nút mạng đều tuân
theo qui lu ật đối xứng, tuần hoàn trong không gian tinh th ể. Tuy nhiên trong tinh th ể
thực luôn tồn tại các sai hỏng trong cấu trúc.
1 .8.3. Sai hỏ ng điểm trong cấu trúc.
Trong tinh thể ZnO thự c luôn có những nguyên tử (hoặc ion) có khả năng b ật
ra khỏ i vị trí cân bằng (vị trí nút m ạng) và đi vào vị trí xen kẽ giữ a các nút m ạng, hoặc
dời khỏ i mạng tinh thể, để lại một vị trí trống (nút khuyết) ở nút m ạng cân b ằng cũ.
Có 2 dạng sai hỏng điểm (point defects):
-Sai hỏng Frenkel: nguyên tử dời khỏ i nút mạng và xen lẫn giữa mạng, để lại
nút khuyết tại vị trí nút m ạng (không có nguyên tử).
-Sai hỏng Schottky: nguyên tử dời khỏi m ạng tinh th ể, đ ể lại nút khuyết ở nút
mạng.
Hình 20: Mô tả sai hỏng trong cấu trúc tinh thể.
Khi T> 0K, xét về m ặt năng lư ợng, trong các tinh th ể thực luôn tồn tại sai hỏng
điểm, điều này có th ể chứng minh như sau. Gọi số nút khuyết trong m ạng tinh thể là n,
trạng thái bền vững nhiệt động củ a hệ cân b ằng với n nút khuyết tương đương với cự c
tiểu năng lượng Gibbs :
(1.16)
Nếu gọi Es là năng lượng tạo một nút khuyết kiểu Schottky, có thể viết :
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 5
(1.17)
S dd , Sch : Biến đỏ i Entropy dao động và Entropy cấu hình, gây nên do sự tạo nút
khuyết trong mạng tinh thể.
k - hằng số Boltzman (k=1,38062.10-23J/K)
W -xác su ất củ a n nút khuyết trong N nút mạng.
(1.18)
Trong vật lý chất rắn, ta thư ờng tính Entropy dao động :
(1.19)
Z trị số xấp xỉ số chỗ trống nguyên tử trong khoảng tần số dao động từ ν đ ến ν1.
Theo công thức tính xấp xỉ Sterling , x! xlnx-xcó thể viết :
lnW=N lnN - (N-n)ln(N-n)n ln(n) (1.20)
Thay vào công thứ c tính G ở trên, ta có:
(1.21)
Lấy vi phân G theo n ta có :
(1.22)
G
Kết hợp với giả thuyết ban đầu, khi cân b ằng 0 có thể tính số nút khuyết n:
n
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 6
(1.23)
chính là nồng độ sai hỏng trong tinh th ể.
Khi T>0K n>0, hay nói một cách khác, luôn tồn tại sai hỏng điểm trong các
tinh th ể thực.
Chương II – THỰ C NGHIỆM VÀ K ẾT QUẢ BÀN LUẬN.
Chúng tôi tiến hành nghiên cứu gồm các bước cụ th ể sau đ ây:
1. Tạo màng ZnO trên đ ế thu ỷ tinh, xác định tính chất quang và cấu trúc củ a
màng.
2. Tạo màng ZnO trên đế Si loại p(111) và lo ại n(100), xác định cấu trúc củ a
màng.
3. Chế tạo màng ZnO trên đế Si(111) có lớp đ ệm Ti, xác định cấu trúc và so sánh
với cấu trúc màng không có lớp đệm Ti.
Để thực hiện đư ợc các mục tiêu trên, trước tiên chúng tôi ph ải tiến hành ch ế tạo
bia (target) gốm ZnO. Tạo màng bằng phương pháp phún xạ DC.
silic phải được rửa bằng axit HF: H2O (1:20), sau đó đưa vào buồng chân không
phóng điện rửa đế trong khoảng 15 phút để lo ại bỏ lớp oxit trên bề mặt đế.
Lớp đ ệm Ti đư ợc chúng tôi chế tạo b ằng phương pháp phún xạ DC từ bia kim loại
Ti. Thời gian phún xạ là 3-5 giây (điều kiện phún xạ: Áp suất nền PB=10-4 torr, áp suất
làm việc P=6.10 -3 torr,dòng I=0.3 Ampe,thế V=400 Vol,công suất 120W, kho ảng cách
bia đ ế h =5.0 cm), lớp đ ệm có bề dày kho ảng 3-5 nm. Nhiệt độ đ ế là 1900C.
2.1. Chế tạo bia gốm ZnO.
2.1.1.Chuẩ n bị vật liệu bột Oxit.
-Bột Oxit củ a Trung Qu ốc có độ tinh khiết 99.9%.
-Chế tạo bia gốm: Thành phần toàn ZnO 100%.
2.1.2.Nghiền trộn bột Oxit.
Chúng tôi sử dụng phương pháp nghiền ướt b ằng máy nghiền bi li tâm củ a
hãng Ceramic Instruments Italy, cối sứ và bi bằng vật liệu Al2O3. Nghiền bộ t với mụ c
đích giảm kích thước hạt. Ta trộn 396g bột ZnO với 200ml nước cất và bi nghiền (70g
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 7
bi có đường kính 20mm và 100g bi có đư ờng kính 7mm). Tổng thời gian nghiền là 5
giờ. Sau khi nghiền lấy bộ t đã nghiền ra sấy khô đ ể bay hêt hơi nước.
Được bột khô sau khi sấy, đem chúng đi rây. Lỗ của rây nhỏ. rây nhiều lần
(khoảng 3 lần), lúc này b ột đ ã rất mịn.
2.1.3.Định hình bia ZnO.
Bột sau khi đã rây min, trộn với mộ t lượng keo PVA để tạo kết dính. Sau đó,
lượng bột được tạo hình bằng máy ép của Italy, với lực ép 400 kg/cm2. Tạo hai lo ại
bia, bia tròn và vuông.
Hình 21: Sản phẩm bia ZnO sau khi hoàn thành.
2.1.4.Nung bia ZnO.
-Sản ph ẩm sau khi định hình được nung ở nhiệt độ nung cực đ ại là 1500oC,
thời gian ủ nhiệt là 2 giờ trong lò nung VMK 1800.
-Bia sau khi nung có đường kính 75mm. Vật liệu bia sau khi thành phẩm với
độ kết khối được đánh giá thông qua hai thông số là độ hút nước và độ co sản phẩm.
Bia có độ co dài sau khi nung là khoảng 16.67% và độ hút nư ớc là 0.002% sau khi
ngâm trong nước 24 giờ.
2.2. Bia kim loại Ti.
Bia Ti được cắt từ bản kim lo ại Titan.
+ Bia có hình vuông: 9cm x 9cm.
+Bề dầy 2mm.
+được lắp vào hệ Magnetron vuông.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 8
Hình 22: Bia kim loại Ti
2.3.Làm sạch lam thủy tinh và Silic.
+Lam thủ y tinh: Ngâm lam thủ y tinh vào sút pha loãng khoảng 5h – 8h,sau đó
lấy lam ra rửa bằng xà phòng th ật sạch,sấy khô,làm sạch lần nữa bằng
axeton.sau đó lắp vào buồng chân không,được tẩy m ột lần nữa bằng chùm
electron.
+Lam Silic : lam Silic vào axit HF lỏng khoảng 1h -3h,lấy ra rửa b ằng nước
sạch th ật sạch (không rửa bằng xà phòng),sau đó rửa lần nữ a b ằng axeton. Cho
vào buồng chân không và tẩy m ột lần nữa trong buồng chân không bằng chùm
electron.chùm electron có công dụng làm sạch và còn làm bay lớp SiOx trên b ề
mặt.
2.4.Các bước trong quá trình phún xạ.
Bước 1:Đầu tiên vệ sinh buồng chân không thật sạch, bằng axeton và khăn
sạch.
Bước 2:Lắp lam (thủ y tinh hoặc Silic) vào đế (trên đế có b ếp nung nhiệt, và
đầu dò nhiệt) , sau đó đóng kính buồng chân không, kiểm tra không b ị vướng.
Bước 3:Mở máy cho máy ch ạy,sau đó cho hút buồng chân không đ ến áp su ất
nền 10-4 torr (10.0), trong lúc đó cho bếp nung đế.
Bước 4:Cho khí Ar vào buồng chân không bằng van kim đ ến khi áp suất hạ đến
7,5.10-2 torr (3.0), thì đóng van chính lại không cho hút buồng nữa, lúc này cho
tẩy đ ế th ủ y tinh bằng chùm electron tron g khoảng 15 phút, sau khi kết thúc cho
hút buồng trở lại đến áp suất nền 10-4 torr (10.0).
Bước 5:Cho khí Ar vào bu ồng chân không bằng van kim cho đến khi đ ạt áp
suất 6.10-3 torr (9.0), thì giữ n guyên trạng thái trên đến ổn đ ịnh làm tiếp bước 6.
Bước 6:Cho điện vào h ệ Magnetron, tẩy bia khoảng 10 phút (bia kim loại), 5
phút (bia gố m), sau đó cho phún xạ lện đế và bắt đầu ghi thời gian (chú ý áp
suất buồng, và dòng phún xạ).
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 9
Bước 7:Sau khi phún xong tắt h ệ, cho hút buồng,chờ đợi nhiệt độ của đế giảm
xuống (càng thấp càng tốt) , lấy lam thủ y tinh, được màng mỏng mong muốn.
(Màng hai lớp ở bước 6 ta cho điện vào hệ Magnetron thứ hai và phún lớp kế
tiếp).
2.5. Môi trường chế tạo màng mỏng ZnO/Si và ZnO/Ti/Si.
Hình 23: Buồng chân không dùng để ch ế tạo màng.
-Từ trư ờng ngang trên b ề m ặt bia H=580 Gauss.
-Áp suất nền PB=10-4 torr (10.0).
-Áp suất làm việc P= 6.10-3 torr (9.0).
-Dòng phún xạ ZnO I=0.2 Ampe.
-Dòng phún xạ Ti lớp đệm I=0.3 Ampe.
-Thế phún xạ ZnO V=300 Vol.
-Thế phún xạ Ti lớp đệm V=390 Vol.
-Công suất phún xạ ZnO P= 60W-70W.
-Công suất phún xạ Ti lớp đệm P= 110W-130W.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 10
-Khí Ar sử dụng với độ tinh khiết 99.999%.
-Nhiệt độ đế T= 1700C-2300C.
-Khoảng cách bia đ ế h =5.0cm, đối với cả ZnO và Ti.
Quy trình sử lý đế từ đầu đến lúc tạo màng:
-Đế th ủ y tinh và Silic đều có kích thước có kích thước 25mm x 75mm x 1mm,
đế Silic ở đây có hai loại (111) và (100).
-Trong quá trình chế tạo, vận chuyển hay do tiếp xúc với môi trường xung
quanh mà Silic và thủ y tinh thường bị nhiễm bẩn. Các hiện tượng hấp thụ, các phản
ứng hóa học tạo ra nhiễm bẩn bề mặt (như dầu, m ỡ, mồ hôi, các axit hữu cơ,..). Khi
màng mỏng ngưng tụ trên bề m ặt nhiễm bẩn, độ bám dính của màng với đế không
tốt.Do đó việc làm sạch đế là tố i quang trọ ng.
+Lam thủ y tinh: Ngâm lam thủ y tinh vào sút (NaOH kho ảng 1%) pha loãng
khoảng 5h – 8h, sau đó lấy lam ra rửa bằng xà phòng thật sạch, sấy khô, làm
sạch lần nữa b ằng axeton. Sau đó lắp vào buồng chân không,được tẩy m ột lần
nữ a bằng chùm electron dưới áp su ất 7,5.10-2 torr (3.0), trong môi trường có
Ar. Dòng I=10mA, th ế V=600 Vol thời gian tẩy t=15 phút.
+Lam Silic : Ngâm lam Silic vào axit HF lỏng kho ảng 1h -3h, lấy ra rửa bằng
nước sạch thật sạch (không rửa bằng xà phòng), sau đó rửa lần nữa bằng
axeton.Cho vào buồng chân không và tẩy mộ t lần nữa trong buồng chân không
bằng chùm electron 7,5.10-2 torr (3.0) trong môi trường có Ar. Dòng I=10mA,
thế V=600 Vol thời gian tẩy t=15 phút.Chùm electron có công dụng làm sạch
và còn làm bay lớp SiOx trên bề mặt.
2.6.Kết quả và thảo luận.
Để xác định chiết suất, độ rộng vùng cấm, độ truyền qua ta dùng phổ truyền
qua. Cấu trúc, kích thước hạt và ứng suất màng đư ợc xác đ ịnh b ằng phương pháp
nhiễu xạ tia X. Độ d ầy củ a màng được xác định bằng máy đo độ dày Stylus profiler.
2.6.1.Chế tạo màng ZnO trên đế thủy tinh.
Với các thông số tạo màng:
+ Mẫ u I :
.Áp su ất n ền PB=10 -4 torr.
.Áp su ất làm việc P=6.10-3 torr.
.Dòng I=0.2 Ampe.
.Th ế V=300 Vol.
.Công suất 60W.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 11
.Kho ảng cách bia đế h=5.0 cm.
.Nhiệt đ ộ đế 1800C.
.Thời gian phún xạ 20 phút.
Tạo được mộ t màng trên đế có độ d ày 760nm.
Hính 24: Phổ truyền qua của màng ZnO trên đế thủy tinh trong vùng khả kiến.
+Mẫu II:
.Áp su ất n ền PB=10 -4 torr.
.Áp su ất làm việc P=6.10-3 torr.
.Dòng I=0.2 Ampe.
.Th ế V=300 Vol.
.Công suất 60W.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 12
.Kho ảng cách bia đế h=5.0 cm.
.Nhiệt đ ộ đế 1800C.
.Thời gian phún xạ 21 phút.
Tạo được mộ t màng trên đế có độ d ày 790nm.
Hính 25: Phổ truyền qua của màng ZnO trên đ ế thủy tinh trong vùng khả kiến.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 13
Hình 26: Phổ truyền qua của Mẫu I và Mẫu II
Nhận xét: MẫuII thời gian phún xạ nhiều hơn (21 phút,790nm), có độ
dầy nhiều hơn MẫuI (20 phút,760nm). MẫuII có độ truyền qua trong vùng kh ả
kiến cao hơn MẫuI.
Cách tính chiết suất của màng: Chiết su ất của màng trong vùng truyền suốt là:
Hình 27: Mô tả màng.
4 k
(2.1)
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 14
.Vùng truyền suố t: α=0 độ truyền qua được xác định từ n và s thông qua sự
ph ản xạ nhiều lần
.Vùng hấp thu yếu: α nhỏ nhưng độ truyền qua b ắt đầu giảm.
.Vùng hấp thụ trung bình: α lớn và độ truyền qua giảm do tác động của α.
.Vùng hấp thụ mạnh: Độ truyền qua giảm mạnh chủ yếu do ảnh hưởng của α.
2S
Độ truyền qua củ a đ ế: (2.2)
T
S 2 1
1
1 1
Chiết suất của đế: (2.3)
S ( 2 1) 2
Ts Ts
1
n TM (TM S 2 ) 2
2
(2.4)
2S S 2 1
(2.5)
M
Tm 2
Đối với màng điện môi có độ truyền qua cao (hệ số hấp thu bằng 0), ta có:
2S
Độ truyền qua cực đ ại: (2.6)
TM
S 2 1
4n 2 S
Tm độ truyền qua cự c tiểu: Tm (2.7)
n4 n2 (S 2 1) S 2
Dựa vào điều kiện kết hợp để có cực đại và cực tiểu giao thoa 2d = mλ n ếu ta
tính được n(λ) tại các giá trị suất hiện các cực đại và cực tiểu thì ta tính được độ dày
của màng theo công th ức:
12
(2.8)
d
2(n21 n12 )
Dùng cách này chúng ta chỉ có thể tính chiết suất và độ dầy màng tại những
bước sóng có cực tiểu giao thoa.Ta có th ể dùng cách sau để tính chiết suất củ a màng
tại vị trí có giao thoa cực đại lẫn cực tiểu:
11
2 222
(2.9)
n [N (N S ) ]
TM Tm S 2 1
Trong đó : (2.10)
N 2S
TM Tm 2
Dựa vào phương pháp Swanepoel này ta có thể viết ra một chương trình để tính
chiết su ất và độ d ầy với độ chính xác rất cao. Tuy nhiên phương pháp này có m ột
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 15
nhượt điểm đó là b ắt buột phổ truyền qua giao thoa của chúng ta phải có ít nhất năm
cặp cực đ ại và cực tiểu.
Hình 28: Trong luận văn này xác định độ dày của màng ta dùng máy Stylus profiler.
Bộ phận gữ kim
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 16
Hình 29:Bộ phận đ ế của máy Stylus profiler .
Cách tính độ rộng vùng cấm dựa vào phổ hấp thụ:
Dựa vào bờ hấp thụ của phổ h ấp thụ ta tính được độ rộng vùng cấm,dựa vào
các công thức:
Đối với bán dẫn chuyển mức được phép tại Ko (chuyển mức thẳng):
2 2
Eg 2 (2.11)
A2
Đối với bán dẫn chuyển mức b ị cấm tại Ko (chuyển mứ xuyên):
2
3
Eg ( (2.12)
)
B
(1 R) 2 e d
Độ truyền qua T được tính: (2.13)
T
1 R 2 e2 d
Với độ phản xạ R trong vùng khả kiến nhỏ hơn 30%, thì R2 e-2αd
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 17
Trong lu ận văn này tính độ rộng vùng cấm theo công thứ c (1) vì ZnO là bán d ần dịch
chuyển thẳng. Kết quả sau khi tính toán độ rộng vùng cấm, và chiết suất của màng cho
trong b ảng sau đây.
Bảng 3: Tính toán n, Eg dựa vào phổ truyền qua của MẫuI, Mẫ uII.
Mẫ u I II
Độ dày (nm) 760 790
Độ truyền qua (%) 77 79
Chiết suất n 2 .22 2.24
Độ rông vùng cấm (eV) 3 .32 3.30
Nhận xét: Với các thông số đ ộ rộng vùng cấm, chiết su ất phù hợp với các thông số
thực của ZnO.
Nhiễu xạ tia X (XRD)
Nhiễu xạ tia X là mộ t kỹ thu ật quan trọng được dùng để xác định tất cả các vấn
đề liên quan đến cấu trúc tinh thể của vật rắn dạng khối hay màng như: h ằng số m ạng,
dạng hình học, xác đ ịnh những vật liệu chưa biết, định hướng của các đơn tinh thể,
định hướng củ a màng đa tinh thể, những sai hỏng, ...K ỹ thuật tia X rất thu ận lợi nhờ
nh ững ưu điểm như không phá h ủ y m ẫu, không đòi hỏi phải chuẩn b ị mẫu công phu.
Ngoài ra nó còn một số ưu điểm như dễ định lượng các pha kết tinh của mẫu, dự đoán
kích thước trung bình của các hạt củ a màng đa tinh.
Bức xạ tia X có bước sóng trong khoảng từ 0 .5 A đến 2.5 A. Khi chiếu đến
mẫu, chúng nhiễu xạ trên các m ặt m ạng của tinh th ể. Theo định luật Bragg:
n 2d sin( ) (2.16)
d: kho ảng cách giữa hai m ặt mạng liên tiếp
: bước sóng tia X
n: bậc nhiễu xạ (thường lấy giá trị bậc 1)
Với nhiễu xạ bậc 1, những tia tán xạ từ m ặt phẳng 1 và 2 sẽ có hiệu quang lộ
khác nhau một bước sóng, những tia từ m ặt thứ 1 và thứ 3 sẽ khác nhau hai lần bước
sóng,...
Những tia tán xạ bởi tất cả các phân tử trong tất cả các mặt m ạng có cùng pha
thỏa định luật Bragg sẽ tăng cường lẫn nhau tạo nên chùm tia nhiễu xạ. Nếu vật liệu là
đa tinh thì phổ nhiêu xạ thu được phụ thuộc vào sự định hướng của các tinh th ể khác
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 18
nhau. Những thông số khác nhau như sự định hướng của các tinh thể, kích thước tinh
thể, h ằng số mạng có thể xác định đư ợc tự phổ nhiễu xạ.
Thông số mạng d:
Xác định khoảng cách giữa hai mặt mạng liên tiếp. Xác định vị trí các đỉnh từ
phổ nhiễu xạ, ta có thể xác đ ịnh d theo định luật Bragg.
Kích thước tinh thể S (kích thước hạt):
Nếu hiệu quang lộ của các tia nhiễu xạ bởi hai mặt ph ẳng đ ầu tiên là nhỏ so với
toàn bộ số sóng, thì m ặt phẳng tán xạ có tia sai pha so với m ặt phẳng đầu tiên sẽ nằm
sâu trong tinh thể. Nếu tinh th ể quá nhỏ đến nổ i mặt ph ẳng này không tồn tại, thì sự
hủ y toàn bộ tất cả các bước sóng tán xạ sẽ không xãy ra. Theo đ iều đó, có một mối
liên hệ giữ a lượng sai pha cho phép với kích thước tinh thể. Những tinh thể rất nhỏ
gây sự m ở rộng củ a chùm tia nhiễu xạ, cụ thể sự n hiễu xạ (tán xạ) ở góc gần nhưng
chưa bằng với góc nhiễu xạ Bragg. Vì vậ y cần phải xem xét sự tán xạ của những tia
tới trên m ặt phẳng tinh thể ở góc lệch nhỏ so với góc Bragg. Bề rộng củ a đ ỉnh nhiễu
xạ tăng khi kích thước củ a tinh thể giảm. Bề rộng B thư ờng được đo (rad) ở cường độ
bằng nữa cường độ cực đại.
Theo công thức Scherrer, kích thư ớc tinh thể được tính:
S 0.9 / Bcos (2.17)
S là kích thước tinh thể
là bước sóng tia X
B là FWHM đơn vị rad= (2 ) .
là góc cường độ đỉnh xuất hiện (góc Bragg)
Sự định hướng
Nó xác định hướng mà các m ặt ph ẳng trong các tinh thể đ ược định hướng.
Bằng cách so sánh vị trí các đỉnh phổ thu được với ph ổ các giá trị chuẩn JCPDS củ a
vật liệu, ta có thể xác định sự định hướng của các tinh thể.
Ứng suất
Màng mỏng được tạo thành thường thiên về stress. Những ứng suất trong màng
nên được giữ th ấp nhất bằng những biện pháp phòng ngừ a khác nhau. Những màng
dưới tác dụng ứng suất thì thường ho ạt động không hiệu quả và tình huống xấu nhất
gây ra sự uốn cong màng. Khi màng dư ới tác d ụng củ a stress kéo căng ở những góc
thích h ợp tạo thành những m ặt phản chiếu, mà thông số m ạng d sẽ lớn hơn. Nhưng
theo đ ịnh luật Bragg, đố i với bước sóng không đổi, khi d tăng, góc nhiễu xà theta sẽ
giảm, cụ thể màng dưới ứng suất kéo căng cho th ấy vị trí đỉnh ở giá trị góc theta bé
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 19
hơn. Khi màng dưới tác dụng củ a ứng su ất nén lại ở những góc thích h ợp thành những
mặt ph ản chiếu mà thông số mạng d giảm, tương tự khi d giảm, lamda khônng đổi,
góc nhiễu xạ theta sẽ tăng, cụ thể m àng ứn g suất nén lại cho th ấy vị trí các đỉnh phổ
có giá trị lớn hơn so với bảng giá trị JCPDS.
Các thông số tạo màng ZnO/Ti/SiO2:
+Đối ZnO
.Áp su ất n ền PB=10 -4 torr.
.Áp su ất làm việc P=6.10-3 torr.
.Dòng I=0.2 Ampe.
.Th ế V=300 Vol.
.Công suất 60W.
.Kho ảng cách bia đế h=5.0 cm.
.Nhiệt đ ộ đế 1900C.
.Thời gian phún xạ 17 phút.
+Đối với Ti đệm:
.Áp su ất n ền PB=10 -4 torr.
.Áp su ất làm việc P=6.10-3 torr.
.Dòng I=0.3 Ampe.
.Th ế V=400 Vol.
.Công suất 120W.
.Kho ảng cách bia đế h=5.0 cm.
.Nhiệt đ ộ đế 1900C.
.Thời gian phún xạ 3 giây.
Tạo được mộ t màng trên đế có độ d ày kho ảng 5nm.
Tạo được mộ t màng trên đế thủ y tinh có độ dày tổ ng cộng 710nm.
SVTH: Trần Văn Th ảo
- Luận văn tốt nghiệp Đại học 20
Hình 30: Phổ nhiễu xạ tia X của màng ZnO trên đế thủ y tinh có đệm Ti.
Các thông số tạo màng của ZnO trên đế thủy tinh:
.Áp su ất n ền PB=10 -4 torr.
.Áp su ất làm việc P=6.10-3 torr.
.Dòng I=0.2 Ampe.
.Th ế V=300 Vol.
.Công suất 60W.
.Kho ảng cách bia đế h=5.0 cm.
.Nhiệt đ ộ đế 1900C.
.Thời gian phún xạ 21 phút.
SVTH: Trần Văn Th ảo
nguon tai.lieu . vn
