Đang tải... (xem toàn văn)
Chế tạo và nghiên cứu tính chất màng mỏng dẫn điện trên cơ sở vật liệu oxit bán dẫn
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT MÀNG MỎNG DẪN ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU OXÍT BÁN DẪN Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học Hệ Chính Quy Ngành Vật Lý Học (Chương trình đào tạo Chuẩn) Hà Nội - 2018 Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT MÀNG MỎNG DẪN ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU OXÍT BÁN DẪN Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học Hệ Chính Quy Ngành Vật Lý Học (Chương trình đào tạo Chuẩn) Cán hướng dẫn: TS Phạm Nguyên Hải ThS Trần Thị Ngọc Anh Hà Nội - 2018 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy giáo TS Phạm Nguyên Hải, chủ nhiệm Bộ môn Vật lý Chất rắn – Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội, Thầy tạo cho em niềm đam mê hứng khởi học tập, nghiên cứu khoa học đồng thời trực tiếp hướng dẫn tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho em trình triển khai, nghiên cứu hồn thành khóa luận Em xin kính chúc Thầy thật nhiều sức khỏe thành công đường giảng dạy nghiên cứu khoa học Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô ThS Trần Thị Ngọc Anh, người ân cần bảo, giúp đỡ em từ việc nhỏ trình thực nghiệm, đo đạc, khảo sát viết khóa luận Em kính chúc Cơ sức khỏe thành công công việc Em xin chân thành cảm ơn anh CN Nguyễn Văn Sơn, anh người bạn sát cánh em trình thực nghiệm Những dẫn, kiến thức bổ ích mà anh truyền lại cho em giúp đỡ em nhiều q trình hồn thành khóa luận Em xin cảm ơn Thầy, Cô Bộ môn Vật lý Chất rắn, Bộ môn Vật lý Đại cương, Trung tâm Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội giúp đỡ em đo đạc, khảo sát mẫu để em có số liệu kết phục vụ cho q trình viết khóa luận Tình cảm yêu thương cao đẹp nhất, xin dành tặng Gia đình người thân Nguồn động lực lớn lao mãnh liệt đứng đằng sau động viên, khích lệ để em có thành công ngày hôm Cuối cùng, em xin cảm ơn tất bạn lớp K59 – Vật lý học hệ Chuẩn – Tài – Quốc tế, K59 – Khoa học Vật liệu người bạn, người anh đến từ Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đồng hành giúp đỡ em q trình làm thí nghiệm Cảm ơn tất người ! MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT Chữ viết tắt TCO PED EDS Tiếng Anh Transparent Conducting Oxides Pulsed Electron Deposition Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy SEM ALD PLD Scanning Electron Microscope Atomic Layer Deposition Pulsed Laser Deposition Tiếng Việt Oxít dẫn điện suốt Lắng đọng xung điện tử Phổ tán sắc lượng tia X Kính hiển vi điện tử quét Lắng đọng lớp nguyên tử Lắng đọng xung laze DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam LỜI MỞ ĐẦU Với hàng nghìn đề tài nhà khoa học Thế giới nghiên cứu phát triển suốt 17 năm qua, vật liệu ZnO dần bộc lộ tính chất hóa lý độc đáo lạ thông qua thành tựu kết công bố ZnO hợp chất bán dẫn hình thành từ ngun tố nhóm II (Zn) nguyên tố nhóm VI (O), lượng liên kết chủ yếu lượng Madelung ZnO có lượng vùng cấm trực tiếp rộng (3,1 - 3,3 eV), lượng liên kết exciton lớn (60 meV), lượng nhiệt nhiệt độ phòng 26 (meV) [1], độ bền hóa học cao có tính áp điện, nhiệt độ thăng hoa nóng chảy cao, bền vững với mơi trường hidro, tương thích với ứng dụng mơi trường chân khơng, ngồi ZnO chất dẫn nhiệt tốt có tính chất nhiệt ổn định Ngồi tính chất quang điện ưu việt, ZnO nguồn tài nguyên dồi với giá thành rẻ, không độc hại hứa hẹn ứng dụng lâu dài thực tiễn công nghiệp Một số ứng dụng bật ZnO kể đến chế tạo pin mặt trời, hình tinh thể lỏng (LCD), transistor hiệu ứng trường, laze hiệu suất cao, linh kiện quang điện tử, cảm biến khí- hóa học- sinh học, ngồi ZnO kết hợp với GaN ứng dụng diot phát quang (LED) vật liệu anode hứa hẹn cho pin lithium-ion giá thành rẻ, khả tương thích sinh học cao thân thiện với mơi trường ZnO ứng dụng ngành y tế sản xuất dược phẩm chữa bệnh mỹ phẩm chăm sóc da Những tính chất quang điện ZnO thể rõ rệt đa dạng tồn cấu trúc nano so với cấu trúc micro hay dạng khối Vì mục đích giảm điện trở suất màng mỏng xuống cỡ Ω.cm mà giữ độ truyền qua cao 80% vùng ánh sáng nhìn thấy, nhóm chúng tơi chọn đề tài “Chế tạo nghiên cứu tính chất màng mỏng dẫn điện sở vật liệu oxit bán dẫn ZnO” với tạp chất sử dụng Si, chênh lệch bán kính ion hai nguyên tử Zn2+ Si4+ lớn (với Zn2+ 0.74 Å Si4+ 0.4 Å), song chúng tơi tìm nồng độ pha tạp điều kiện tạo màng thích hợp để tối ưu hóa độ dẫn điện màng Hy vọng chế tạo Màng mỏng bán dẫn loại n dùng làm điện cực dẫn suốt loại hình phẳng (FPD), pin mặt trời màng mỏng, điốt phát quang hữu (OLED) hay loại linh kiện quang điện tử khác Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam Mục tiêu khóa luận: Chế tạo: Bia gốm ZnO ZnO pha tạp Si Màng mỏng ZnO ZnO pha tạp Si đế thủy tinh • Nghiên cứu: Cấu trúc tinh thể tính chất quang bia gốm Cấu trúc tinh thể, tính chất quang - điện màng mỏng • Phương pháp: Bia gốm chế tạo phương pháp Gốm (Phản ứng pha rắn) Màng mỏng chế tạo phương pháp Lắng đọng xung điện tử (PED) phương pháp Phún xạ Magnetron dòng xoay chiều (RF Magnetron Sputtering) • Ngồi phần mở đầu, tài liệu tham khảo phần phụ lục Bố cục khóa luận chia thành chương chính: • Chương I: Tổng quan vật liệu ZnO ZnO pha tạp Si Chương giới thiệu tính chất cấu trúc, quang điện bật vật liệu ZnO ảnh hưởng Si pha tạp ZnO • Chương II: Kỹ thuật thực nghiệm Nói phương pháp, thí nghiệm để tạo nên mẫu bia, mẫu màng Đồng thời giới thiệu kỹ thuật khảo sát đo đạc tính chất mẫu • Chương III: Kết thảo luận Phân tích, đánh giá thảo luận kết thu từ thực nghiệm Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZnO VÀ ZnO PHA TẠP Si Ơxít kẽm ZnO vật liệu bán dẫn có nhiều tính chất ưu việt độ rộng vùng cấm lớn (cỡ 3.37 eV nhiệt độ phòng), chuyển mức thẳng, exciton có lượng liên kết lớn (60 meV), nguồn cung cấp dồi dào, giá thành rẻ Do đó, ZnO ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp điện tử quang điện tử Trong chương này, chúng tơi trình bày cách tổng quan cấu tạo tính chất đặc trưng ZnO ZnO pha tạp Si 1.1 Tính chất cấu trúc 1.1.1 Cấu trúc tinh thể ZnO chất bán dẫn phân cực với hai mặt phẳng tinh thể có cực trái lượng bề mặt khác dẫn đến tốc độ phát triển cao dọc theo trục c tạo thành cấu trúc sợi đặc trưng ZnO tồn dạng cấu trúc cấu trúc Rocksalt, cấu trúc Blend cấu trúc Wurtzite Cấu trúc Rocksalt (cấu trúc lập phương đơn giản kiểu NaCl): Cấu trúc xuất điều kiện áp suất cao Mạng tinh thể ZnO gồm phân mạng lập phương tâm mặt lồng vào khoảng 1/2 cạnh hình lập phương • Cấu trúc Blend (cấu trúc lập phương giả kẽm): Cấu trúc xuất điều kiện nhiệt độ cao Nó gồm hai phân mạng lập phương tâm diện (fcc) xun vào 1/4 đường chéo mạng • Cấu trúc Wurtzite (Zincite): • Hình 1.1: Mơ hình cấu trúc lục giác Wurtzite Cấu trúc Wurtzite ZnO cấu trúc ổn định, bền vững nhiệt độ phòng áp suất khí Mạng lục giác Wurtzite coi mạng lục giác lồng vào nhau, Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam mạng chứa mạng chứa dịch khoảng u = 3/8 chiều cao Mỗi ô sở có hai phân tử ZnO vị trí nguyên tử sau: nguyên tử Zn: (0, 0, 0), (1/3, 1/3, 1/3) nguyên tử O: (0, 0, u), (1/3, 1/3, 1/3 + u) với u = 3/8 Mỗi nguyên tử kẽm (Zn) liên kết với nguyên tử ôxi (O) nằm đỉnh tứ diện Khoảng cách từ Zn đến bốn nguyên tử O , ba khoảng cách khác Ở nhiệt độ phòng ZnO có số mạng là: a = b = 3.249 Å c = 5.208 Å Một tính chất đặc trưng phân mạng lục giác xếp chặt giá trị tỷ số số mạng c a Nếu c/a = 1,633 u = 0.375 mạng sở xếp chặt Đối với tinh thể ZnO, c/a = 1,602 u = 0,345 nên mặt khơng hồn tồn xếp chặt Liên kết hố học ZnO hỗn hợp liên kết cộng hoá trị liên kết ion, liên kết cộng hoá trị chiếm 33%, liên kết ion chiếm 67% [5] Bảng 1.1: Một số thông số đặc trưng vật liệu ZnO nhiệt độ phòng [9] Thuộc tính Giá trị thông số mạng 300K ao 0.32495 nm co 0.52069 nm co/ao 1.602 U 0.345 Khối lượng riêng 5.606 g/cm3 Pha bền 300K Wurtzite Điểm nóng chảy 1975oC Hằng số điện môi 8,656 Chiết suất 2.008; 2.029 Vùng cấm Thẳng; độ rộng 3.4 eV Năng lượng liên kết exciton 60 meV 10 Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam Hình 3.7: Giản đồ nhiễu xạ tia X màng ZnO ZnO pha tạp Si 1%, 2% 4% Với điều kiện màng lắng đọng nhiệt độ thường, mẫu màng ZnO ZnO pha tạp Si bắt đầu kết tinh theo hai hướng (002) (103), đỉnh nhiễu xạ hướng (002) cho thấy độ sắc nét rõ rệt, nhiễu đỉnh phổ hẹp so với hướng (103) Điều cho thấy màng mỏng chế tạo định hướng phát triển ưu tiên theo trục c, dựa vào Bảng 3.3 thấy vị trí góc cực đại nhiễu xạ mẫu màng không sai lệch nhiều so với thẻ phổ chuẩn Cường độ đỉnh nhiễu xạ tỷ lệ thuận với lượng Si pha tạp ZnO, nồng độ tạp Si cao cường độ nhiễu xạ lớn Chứng tỏ xâm nhập tạp Si làm ảnh hưởng đến chất lượng mạng tinh thể ZnO trình kết tinh màng mỏng Với nồng độ pha tạp Si tăng dẫn đến tăng thay ion Zn 2+ ion Si4+ có bán kính ion nhỏ (rSi4+ = 0.4Å, rZn2+ = 0.74Å) [10] Có thể thấy Phương pháp lắng đọng xung điện tử PED, nhờ vào tác động lượng nhiệt chùm plasma lên đế lắng đọng kết tinh màng mỏng đa tinh thể theo cấu trúc hexagonal wurtzite đặc trưng ZnO định hướng theo trục c 42 Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam Bảng 3.3: Sự sai khác vị trí góc cực đại nhiễu xạ màng mỏng chế tạo (hkl) 2θ JCPDS ZnO ZnO:Si 1% ZnO:Si 2% ZnO:Si 4% 002 34,42 34.41 34.44 34.41 34.28 103 62,86 62.88 62.86 62.78 62.64 Các giá trị số mạng kích thước hạt tinh thể trung bình tính tốn dựa vào cơng thức (2.1), (2.2) (2.3) Có thể thấy kích thước tinh thể giảm dần theo chiều tăng nồng độ pha tạp Si ZnO, điều tương tự kết ước lượng từ phép đo SEM kết H.Yuan công bố trước đây, tác giả giải thích ion Si bị chia tách để tạo thành oxit vơ định hình biên hạt cản trở tăng trưởng tinh thể dẫn đến kích thước hạt nhỏ màng mỏng ZnO:Si [11] Bảng 3.4: Hằng số mạng kích thước tinh thể trung bình mẫu màng Màng mỏng Hằng số mạng Kích thước tinh thể D a (Å) c (Å) (nm) Chuẩn ICSD 3.249 5.206 ZnO 3.243 5.207 41.73 ZnO:Si 1% 3.253 5.203 36.26 ZnO:Si 2% 3.261 5.206 34.91 ZnO:Si 4% 3.252 5.226 32.38 3.2.2 Kết khảo sát tính chất điện mẫu màng ZnO ZnO pha tạp Si Chúng sử dụng phép đo bốn mũi dò để khảo sát tính dẫn điện mẫu màng mỏng chế tạo phương pháp PED – hai tính chất quan trọng vật liệu Oxit dẫn điện suốt (TCO) Có hai loại giá trị điện trở điện trở khối RV điện trở mặt RS, điện trở khối phụ thuộc vào tiết diện vật dẫn độc lập với độ dày màng, điện trở mặt lại biểu diễn cho điện trở màng mỏng có độ dày đồng nhất.??? Giá trị đặc trưng cho tính chất điện mẫu màng mà sử dụng giá trị điện trở mặt Bảng 3.5: Kết đo điện trở mặt mẫu màng ZnO ZnO pha tạp Si 1%, 2% 4% Mẫu màng ZnO ZnO:Si 1% ZnO:Si 2% ZnO:Si 4% Dòng điện I (mA) 1 1 43 Điện trở mặt (Ω/□) Không dẫn 88.45 ± 8.10 150.67 ± 1.78 198.57 ± 8.69 Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam Dễ dàng nhận thấy mẫu màng ZnO pha tạp Si 1% có giá trị điện trở mặt thấp nhất, đồng nghĩa với độ dẫn tốt Với nồng độ tạp Si ZnO cao điện trở mặt tăng lên, kết nhiều tác giả quan sát thấy trước [11,12,13,32] Việc giảm điện trở tăng dần nồng độ tạp bắt nguồn từ hai chế sau: Thứ nhất, thay Si 3+ vị trí Zn2+ làm giải phóng thêm điện tử tự góp phần vào trình dẫn điện Thứ hai, gia tăng nút khuyết Oxy việc pha tạp Si làm cho nút khuyết hoạt động donor mẫu màng Một lượng nhỏ tạp Si tạo nên số lượng lớn điện tử tự do, làm tăng độ dẫn điện màng Tuy nhiên, độ dẫn màng lại giảm tăng thêm lượng tạp Si lên 1%, điều giải thích thực tế nguyên tử Si dư thừa đưa vào mạng ZnO giới hạn hoà tan chất rắn, tạo thành oxit vơ định hình biên hạt, hoạt động bẫy hạt tải mạng tinh thể donor điện tử [11] Hình 3.8: Sự thay đổi điện trở mặt theo nồng độ pha tạp Si màng ZnO 3.2.3 Kết khảo sát tính chất quang mẫu màng ZnO ZnO pha tạp Si Tính chất quan trọng thứ hai màng mỏng TCO độ suốt chúng tơi tiến hành phân tích dựa phép đo Phổ hấp thụ truyền qua sử dụng thiết bị UV-Vis Jasco V-750 Spectrophotometer Đồng thời từ phổ hấp thụ, quan sát 44 Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam thay đổi độ rộng vùng cấm màng mỏng xảy hiệu ứng giam hãm lượng tử hạt có kích thước nanomet Hình 3.8 trình bày Phổ hấp thụ mẫu màng ZnO ZnO:Si 1%, 2% 4% lắng đọng đế thủy tinh Nhận thấy bờ hấp thụ mẫu màng không thực rõ ràng, đặc biệt mẫu màng ZnO Tất mẫu màng xuất đỉnh hấp thụ bước sóng khoảng 341 nm, đỉnh hấp thụ bị dịch chuyển phía bước sóng đỏ so với bờ hấp thụ bán dẫn khối ZnO (bước sóng 325 nm) Sự dịch chuyển phía bước sóng dài cho thấy độ rộng vùng cấm màng mỏng giảm so với vật liệu ZnO dạng khối (3.37 eV) Cường độ hấp thụ mẫu màng theo tỷ lệ pha tạp không tuân theo quy luật định, song thấy màng ZnO pha tạp Si 4% có cường độ hấp thụ cao tất mẫu Hình 3.9: Phổ hấp thụ màng mỏng ZnO ZnO pha tạp Si Như biết, ZnO vật liệu bán dẫn có vùng cấm thẳng, chế hấp thụ bản, ta có cơng thức liên hệ hệ số hấp thụ α lượng ánh sáng tới hυ biến đổi từ công thức (1.2) sau: Từ đồ thị biểu diễn phụ thuộc (αhυ)2 vào hυ trình bày Hình 3.10, Eg xác định giao điểm đường tuyến tính đồ thị với trục hồnh Trên đồ thị ta nhận thấy có vùng độ dốc lớn có xu hướng tạo thành đoạn 45 Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam thẳng, điểm giao đoạn thẳng kéo dài với trục hoành đồ thị giá trị độ rộng vùng cấm Eg cần tìm Độ rộng vùng cấm Eg mẫu màng ZnO pha tạp Si 1%, 2% 4% 3.34 eV, 3.36 eV 3.38 eV Các giá trị sát so với độ rộng vùng cấm chuẩn đo nhiệt độ phòng vật liệu ZnO dạng khối 3.37 eV Dễ dàng nhận tăng nồng độ pha tạp Si vào ZnO độ rộng vùng cấm tăng theo, mẫu màng ZnO pha tạp Si 4% có giá trị Eg gần so với giá trị chuẩn Hình 3.10: Đồ thị liên hệ (αhυ)2 hυ màng mỏng ZnO ZnO pha tạp Si 1%, 2% 4% Hình 3.11 trình bày kết khảo sát độ truyền qua màng mỏng ZnO ZnO pha tạp Si 1%, 2% 4% lắng đọng đế thủy tinh dùng phương pháp PED 46 Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam Hình 3.11: Phổ truyền qua mẫu màng đo thiết bị UV-Vis Trong vùng bước sóng khả kiến từ 380 nm đến 750 nm, độ truyền qua mẫu màng tương đối cao, đặc biệt hai mẫu màng ZnO pha tạp Si 2% 4% đạt độ truyền qua vượt ngưỡng 100% ??? Có thể hiểu điều màng mỏng độ dày màng không đồng lượng nhiệt từ chùm plasma chưa đủ để mang nhiều hạt vật liệu hướng tới lắng đọng đế đế quay tròn để tránh bất đồng độ dày màng Tuy nhiên xét khoảng bước sóng 450 nm tất màng mỏng chế tạo có độ truyền qua từ 83 - 93% Thơng thường tăng nồng độ pha tạp độ hấp thụ màng tăng, dẫn đến độ truyền qua màng giảm, nhiên điều cách rõ ràng kết thu độ đồng màng chưa cao dùng phương pháp lắng đọng PED Song thấy tăng độ truyền qua độ rộng vùng cấm Eg tăng nồng độ tạp Si ZnO mạng ZnO bị nén, dẫn đến suy giảm cấu trúc tinh thể Các mẫu màng ZnO ZnO pha tạp Si nghiên cứu đạt độ suốt gần đạt tiêu chuẩn màng mỏng TCO Phép đo Phổ tán xạ Raman lần sử dụng để khảo sát mode dao động mạng tinh thể mẫu màng ZnO ZnO pha tạp Si 1%, 2% 4% Kết thể Hình 3.12 47 Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam Hình 3.12: Phổ tán xạ Raman mẫu màng ZnO ZnO pha tạp Si chế tạo phương pháp PED Như thấy hình vẽ, tất mẫu màng không hiển thị mode dao động đặc trưng cho mạng tinh thể ZnO, mode dao động khác dao động bậc hai không phát hiện, xuất đỉnh dao động với cường độ mạnh đặc trưng đế Si số sóng 517 cm -1 Nguyên nhân cường độ đỉnh mode dao động ZnO yếu bị che lấp đỉnh Raman đặc trưng đế Si, với việc lắng đọng màng điều kiện nhiệt độ phòng thấy mẫu màng thu mỏng, mode dao động đặc trưng vật liệu cần nghiên cứu 3.2.4 Kết khảo sát tính chất điện mẫu màng ZnO ZnO pha tạp Si sau q trình ủ nhiệt độ cao Chúng tơi tiến hành ủ nhiệt độ cao mẫu màng ZnO ZnO pha tạp Si 1%, 2%, 4% sau chế tạo màng Phương pháp lắng đọng xung điện tử PED Ở lần ủ thứ nhất, mẫu màng ủ mơi trường khí Oxy Lò ủ LINDBERG BLUE M Trung tâm Khoa học Vật liệu – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Hình 3.13) Với điều kiện ủ sau: nhiệt độ 400º C, thời gian giờ, lưu lượng dòng khí Oxy sccm 48 Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam Hình 3.13: Lò ủ nhiệt độ cao Lindberg Blue M Kết thay đổi điện trở mặt trước sau ủ trình bày Bảng 3.6 Các mẫu màng đo điện trở mặt sử dụng dòng 100 nA Bảng 3.6: Giá trị trung bình điện trở mặt mẫu màng trước sau ủ nhiệt 400º C, môi trường Oxy Mẫu màng Trước ủ (Ω/□) Sau ủ (Ω/□) ZnO 71940 ZnO:Si 1% 112.71 7553.2 ZnO:Si 2% 291.81 12932 ZnO:Si 4% 405.27 12142 Có thể thấy tất mẫu màng tăng mạnh điện trở mặt từ ngưỡng Ω lên KΩ sau trình ủ nhiệt 400º C, mẫu màng ZnO:Si 1% có độ dẫn tốt sau ủ nhiệt Có thể thấy độ dẫn màng ZnO tốt ủ môi trường nhiệt độ cao, tính chất đặc trưng vật liệu ZnO tinh khiết Vì ủ mơi trường khí Oxy, hẳn có tác động khơng nhỏ phân tử khí Oxy đến bề mặt màng mỏng, làm thay đổi tính chất cấu trúc hình thái bề mặt mẫu màng, ảnh hưởng môi trường ủ nhiệt nghiên cứu kĩ tương lai 49 Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam Hình 3.14: Sự thay đổi điện trở mặt trước sau ủ 400º C mơi trường khí Oxy Trong lần ủ thứ hai, với điều kiện nhiệt độ ủ 300º C, mơi trường ủ khơng khí, mẫu màng ZnO ZnO pha tạp Si ủ thời gian 15 phút, sau lấy đo điện trở, lại ủ thêm 15 phút đo điện trở Các giá trị điện trở mặt trình bày Bảng Bảng 3.7: Giá trị trung bình điện trở mặt trước sau ủ 300º C mơi trường khơng khí Mẫu màng Trước ủ (Ω/□) ZnO ZnO:Si 1% ZnO:Si 2% ZnO:Si 4% 118.12 233.43 425.5 50 Sau ủ (Ω/□) 15 phút 30 phút 1974000 694766.7 225400 493666.7 292000 1943333 889580 Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam Hình 3.15: Sự thay đổi điện trở mặt mẫu màng ZnO ZnO pha tạp Si 1%, 2%, 4% sau ủ nhiệt 300º C mơi trường khơng khí Dễ thấy ủ nhiệt 300º C môi trường không khí, tất mẫu màng tăng mạnh điện trở mặt từ Ω/□ lên KΩ/□ tương tự trình ủ nhiệt 400º C mơi trường Oxy Tuy nhiên điện trở mặt lại có xu hướng giảm tăng thời gian ủ từ 15 phút lên 30 phút, điều chứng minh tầm quan trọng việc chọn thời gian ủ nhiệt thích hợp để tạo mẫu màng có độ dẫn mong muốn 51 Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam KẾT LUẬN Sau thời gian, nhóm chúng tơi chế tạo nghiên cứu thành công màng mỏng ZnO ZnO pha tạp Si với nồng độ khác (1%, 2% 4%) từ vật liệu nguồn bia gốm ZnO ZnO pha tạp Si Phương pháp lắng đọng xung điện tử PED Màng mỏng chế tạo có cấu trúc đa tinh thể Wurtzite đặc trưng định hướng phát triển ưu tiên theo trục c với độ kết tinh cao kích thước hạt tinh thể trung bình từ 32 ~ 41 nm Các mẫu màng ZnO ZnO pha tạp Si có tính chất quang ổn định với độ rộng vùng cấm sát với liệu chuẩn độ truyền qua tương đối cao Đồng thời với độ dẫn điện thể tốt mẫu màng ZnO pha tạp Si 1% đạt cỡ Ω.cm, màng mỏng chúng tơi chế tạo ứng dụng làm điện cực dẫn diện suốt linh kiện quang điện tử Quá trình ủ nhiệt màng mỏng nhiệt độ cao thử nghiệm Với hai q trình ủ khác mơi trường khí Oxy 400º C mơi trường khơng khí 300º C Kết cho thấy độ dẫn điện tất mẫu màng giảm mạnh 52 Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Ngọc Long (2007), “Vật lý chất rắn”, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội [2] Lê Văn Vũ, “Giáo trình cấu trúc phân tích cấu trúc vật liệu”, dành cho sinh viên thuộc chuyên ngành Vật lý Chất rắn, Khoa học vật liệu trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội [3] Phùng Hồ, Phan Quốc Phô (2003), “Giáo trình Vật lý bán dẫn”, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [4] Đào Trần Cao (2007), “Cơ sở vật lý chất rắn”, NXB ĐHQG Hà Nội [5] Nguyễn Tư (2016), “NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU ZnO, ZnO PHA TẠP CÁC BON”, Luận văn Tiến sĩ khoa học vật liệu, ĐHBKHN [6] Nguyễn Văn Tuyên, “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ZnO, TiO2 dùng cho pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu”, Luận văn thạc sĩ, ĐHKTN, ĐHQGHN, 2011 Tiếng Anh [7] N Rashidi , A T Vai , V L Kuznetsov, J R Dilworth, and P P Edwards, “Origins of Conductivity Improvement in Fluoride-Enhanced Silicon Doping of ZnO Films”, The Royal Society of Chemistry 2012 [8] J Clatot, G Campet, A Zeinert, C Labrugere, M Nistor, and A Rougier, “Low temperature Si doped ZnO thin films for transparent conducting oxides,” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol 95, no 8, pp 2357–2362, 2011 [9] S.J.Pearton ,D.P Norton, K IP, Y.w.Heo, T Sterner, “Recent progress in processing and properties of ZnO ”, Progress in Materials Science 50 (2005) 293– 340 [10] Dominic B Potter, Michael J Powell, Jawwad A Darr, Ivan P Parkin and Claire J Carmalt, “Transparent conducting oxide thin films of Sidoped ZnO prepared by aerosol assisted CVD”, RSC Adv., 2017,7, 10806 [11] Hai Yuan, “Structural, electrical and optical properties of Si doped ZnO films grown by atomic layer deposition”, Springer Science+Business Media, J Mater Sci: Mater Electron (2012) 23:2075–2081 53 Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam [12] Tadatsugu Minami, Hirotoshi Sato, Hidehito Nanto and Shinzo Takata, “Highly Conductive and Transparent Silicon Doped Zinc Oxide Thin Films Prepared by RF Magnetron Sputtering”, The Japan Society of Applied Physics, 1986 Jpn J Appl Phys 25 L776 [13] J Clatot, M Nistor, A Rougier, “Influence of Si concentration on electrical and optical properties of room temperature ZnO:Si thin films”, Thin Solid Films 531 (2013) 197–202 [14] Vladimir L Kuznetsov, Alex T Vai, Malek Al-Mamouri, J Stuart Abell, Michael Pepper, and Peter P Edwards “Electronic transport in highly conducting Si-doped ZnO thin films prepared by pulsed laser deposition”, Applied Physics Letters 107, 232103 (2015) [15] Chen J.T, Wang J, Zhuo R.F, Yan D, Feng J.J, Zhang F, and Yan P.X, The effect of Al doping on the morphology and optical property of ZnO nanostructures prepared by hydrothermal process, Applied Surface Science, 2009, 255, pp 3959– 3964 [16] CharlesModitswe, Cosmas M.Muiva, AlbertJuma, “Highly conductive and transparent Ga-doped ZnO thin films deposited by chemical spray pyrolysis”, Optik - International Journal for Light and Electron Optics, Volume 127, Issue 20, October 2016, Pages 8317-8325 [17] Hui Sun, Shien-Uang Jen, Sheng-Chi Chen, Shiau-Shiang Ye and Xin Wang, “The electrical stability of In-doped ZnO thin films deposited by RF sputtering”, Journal of Physics D: Applied Physics, 2017 J Phys D: Appl Phys 50 099501 [18] Y W Heo, S J Park, K Ip, S J Pearton, and D P Norton, “Transport properties of phosphorus-doped ZnO thin films”, Appl Phys Lett 83, 1128 (2003); https://doi.org/10.1063/1.1594835 [19] Manoj Kumar, Tae-Hwan Kim, Sang-Sub Kim, and Byung-Teak Lee, “Growth of epitaxial p-type ZnO thin films by codoping of Ga and N”, Appl Phys Lett 89, 112103 (2006); https://doi.org/10.1063/1.2338527 [20] H Qin, H F Liu and Y Z Yuan, “Si doped ZnO thin films for transparent conducting oxides”, Surface Engineering 2013, VOL 29, NO 54 Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam [21] Malle Krunks, “Thin film for photovoltaics by chemical methods”, Workshop on SMS, Klel, 2004 [22] Willander M, Nur O, Bano N, and Sultana K (2009), “Zinc oxide nanorodbased heterostructures on solid and soft substrates for white-light-emitting diode applications” New Journal of Physics, 11, pp 125020 [23] K Vanheusden, W L Warren, C H Seager, D R Tallant, and J A Voigt, “Mechanisms behind green photoluminescence in ZnO phosphor powders”, Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico 87185-1349 [24] A Travlos, N Boukos, C Chandrinou, Ho-Sang Kwack, and Le Si Dang, “Zinc and oxygen vacancies in ZnO nanorods”, Journal of Applied Physics 106, 104307 (2009); https://doi.org/10.1063/1.3259413 [25] Kayaci F, Vempati S, Donmez I, Biyikli N, Uyar T, “Role of zinc interstitials and oxygen vacancies of ZnO in photocatalysis: a bottom-up approach to control defect density”, Nanoscale 2014 Sep 7;6(17):10224-34 http://doi.org/ 10.1039/c4nr01887g [26] Fan Hai-Bo, Yang Shao-Yan, Zhang Pan-Feng, Wei Hong-Yuan, Liu XiangLin, Jiao Chun-Mei, Zhu Qin-Sheng, Chen Yong-Hai and Wang Zhan-Guo, “Investigation of Oxygen Vacancy and Interstitial Oxygen Defects in ZnO Films by Photoluminescence and X-Ray Photoelectron Spectroscopy”, Chinese Physics Letters, Volume 24, Number [27] Tamil Many K Thandavan, Chiow San Wong, Siti Meriam Abdul Gani, and Roslan Md Nor, “Photoluminescence properties of un-doped and Mn-doped ZnO nanostructures”, Mater Express, Vol 4, No 6, 2014, doi:10.1166/mex.2014.1193 [28] J Q Hu, Quan Li, N B Wong, C S Lee and S T Lee, “Synthesis of Uniform Hexagonal Prismatic ZnO Whiskers”, Chem Mater 2002, 14, 1216-1219 [29] J.Liu, S.Y.Ma, X.L.Huang, L.G.Ma, F.M.Li, F.C.Yang, Q.Zhao, X.L.Zhang, “Effects of Ti-doped concentration on the microstructures and optical properties of ZnO thin films”, Superlattices and Microstructures, Volume 52, Issue 4, October 2012, Pages 765-773 [30] A El Manouni, F.J Manjón, M Mollar, B Marí, R Gómez, M.C López, J.R Ramos-Barrado, “Effect of aluminium doping on zinc oxide thin films grown by spray pyrolysis”, Superlattices and Microstructures 39 (2006) 185–192 55 Khóa luận tốt nghiệp Đinh Tiến Nam [31] K Mcguire, Z W Pan, Z L Wang, D Milkie, J Menéndez, and A M Raoa, “Raman Studies of Semiconducting Oxide Nanobelts”, J Nanosci Nanotech 2002, 2, 1–4 56 ... KHOA VẬT LÝ CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT MÀNG MỎNG DẪN ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU OXÍT BÁN DẪN Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học Hệ Chính Quy Ngành Vật Lý Học (Chương trình đào tạo Chuẩn) Cán hướng dẫn: ... ánh sáng nhìn thấy, nhóm chọn đề tài Chế tạo nghiên cứu tính chất màng mỏng dẫn điện sở vật liệu oxit bán dẫn ZnO” với tạp chất sử dụng Si, chênh lệch bán kính ion hai nguyên tử Zn2+ Si4+ lớn... pha tạp điều kiện tạo màng thích hợp để tối ưu hóa độ dẫn điện màng Hy vọng chế tạo Màng mỏng bán dẫn loại n dùng làm điện cực dẫn suốt loại hình phẳng (FPD), pin mặt trời màng mỏng, điốt phát