Cac_loai_mang_quang_hoc

Phương pháp ngưng tụ vật lý PVDPhương pháp ngưng tụ hóa học CVD II.CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG Physical Vapor Deposition Chemical Vapor Deposition  Với một tác nhân cung cấp năng lượn

Liên hệ với người quản lí trang web:

Yahoo: thanhlam1910_2006@yahoo.com Gmail: frbwrthes@gmail.com

Dàn ý

• Phân loại các loại màng quang học

• Các phương pháp tạo màng quang

• phủ trên một thiết bị quang học

như thấu kính hay gương

(những thiết bị cho phép biến đổi đường đi của ánh sáng phản xạ hay truyền qua)

I CÁC LOẠI MÀNG QUANG HỌC:

Giới thiệu

Ma tr n truy n qua: ậ ề

Ma tr n truy n qua: ậ ề

Phương pháp ngưng tụ vật lý (PVD)

Phương pháp ngưng tụ hóa học (CVD)

II.CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO

MÀNG

Physical Vapor Deposition Chemical Vapor Deposition

 Với một tác nhân cung cấp năng lượng,

vật liệu cần phủ màng bị hóa hơi.

 Các hạt vật

liệu di chuyển

 Các phản ứng hình thành hợp chất (nếu có), xảy ra trên đường đi

 Các hạt vật liệu ngưng tụ trên đế → Màng

 Với một tác nhân cung cấp năng lượng,

vật liệu cần phủ màng bị hóa hơi.

 Các hạt vật liệu di chuyển

 Một chất khí được đưa vào (precursor)

 Các hạt vật liệu ngưng tụ trên đế, phản ứng với chất khí → Hợp chất → Màng

Tđế < 500 0 C Tđế ≈ 900 – 1200 0 C

• Các phương pháp PVD phổ biến– Bốc bay

Quá trình lắng đọng

màng

1 Sự chuyển vật liệu bốc bay từ pha rắn sang

lỏng rồi thành hơi do

nhiệt điện trở

2 Sự di chuyển của nguyên tử từ nguồn đến

đế

3 Nguyên tử hấp thụ trên đế kết tụ

4 Tinh thể hóa màng bằng các thông số

quá trình

5 Phát triển thành màng liên tục

Bốc bay nhiệt điện trở

 Không gây nhiệt cho đế

 Đơn giản, không đắt

 Nhiều vật liệu khác nhau (Au, Ag, Al, Sn, Cr, Ti, Cu…)

 Có thể đạt nhiệt độ 1800oC

 Dòng điện 200  300 A

Giới hạn

 Khó kiểm soát hợp chất

 Bề dày không đều

 Khó lắng đọng ở những hốc sâu

 Sự hình thành hợp kim với nguồn vật liệu

 Tạp do khí ở dây nhiệt điện trở

 Không thích hợp cho bốc bay phản ứng

Substrate

Flux

Cruciblee-beam

e-gun

• Súng điện tử sinh ra chùm

điện tử 15 keV, động năng

ở dòng điện cỡ 100 mA.

• Chùm điện tử bị lệch đi

270 o bởi từ trường, B.

• Nguồn nhiệt nhận được có

điểm nhỏ (~5mm) trong vật liệu bốc bay có công suất là 15 kV x 100 mA = 1.5 kW.

• Năng lượng này đủ làm

nóng hầu hết các vật liệu trên 1000 o C.

• Năng lượng nhiệt được điều

khiển bởi dòng điện tử.

Evaporant

Bốc bay chùm

điện tử

Tính chất của bốc bay

chùm điện tử

Phức tạp hơn bốc bay nhiệt nhưng đa năngCó thể đạt nhiệt độ trên 3000oC

Sử dụng nồi bốc bay với đáy bằng Cu

Tốc độ lắng động 1 ÷ 10 nm/s

Vật liệu bốc bay

- Mọi thứ mà nhiệt điện trở sử dụng

- Cộng với các kim loại sau:

- Ni, Pt, Ir, Rh, Ti, V, Zr, W, Ta, Mo

- Al2O3, SiO, SiO2, SnO2, TiO2, ZrO2

Có thể làm nóng chảy vật liệu mà không gây tạp bẩn

Hợp kim có thể lắng đọng mà không gây phân ly

Thích hợp cho bốc bay phản

ứng

Ưu điểm của bốc bay

chùm điện tử

(PLD – Pulse Laser Deposition)

+

+ +

+ +

+

Electron

Nguyên tử trung hòa + Ion +

 Các hạt vật liệu bia ngưng tụ  màng trên đế

Bốc bay bằng xung laser

Các loại phương pháp phún xạ

Trong vùng không gian Trong vùng không gian

bên trong buồng chân không,

: hạt phún xạ

 Hạt vật liệu ngưng tụ trên đế,

 lớp màng.

 Hệ phún xạ DC và RF

Hệ phún xạ một chiều

(DC – Direct Current)

Hệ phún xạ xoay chiều(RF – Radio Frequency)

Vanode-cathode là

một chiều

Bia sử dụng phải dẫn điện

phóng điện

Vanode-cathode là xoay chiều

Phún xạ magnetron

 Từ mô hình phún xạ có thêm hệ magnetron,

hệ các nam châm định hướng N-S nhất định ghép với nhau

 Hệ magnetron được gắn bên dưới bia, dưới cùng

là tấm sắt nối từ.

 e thứ cấp sinh ra từ va chạm giữa ion + và bia, chuyển động đặc biệt trong điện từ trường.

 Hệ magnetron cân bằng và không cân bằng

Hệ magnetron cân bằng Hệ magnetron không cân bằng

mag-ở giữa có cường độ yếu hơn Các đường sức từ

trường không khép kín.

Hệ magnetron cân bằng Hệ magnetron không cân bằng

Từ trường

khép kín

Các e chịu tác dụng của từ trường ngang

e chủ yếu chuyển động gần bia

(hướng vô)

Từ trường không khép kín

Các e ít chịu tác dụng của từ trường ngang

e theo điện trường đến đế với v lớn

Đế bị nhiều e

va đập mạnh

Đế bị đốt nóng

Thích hợp tạo các màng yêu cầu T 0 cao

Điện trường

Thuận

lợi

Mật độ dòng (tỉ lệ với tốc độ ion hóa) tăng

100 lần so với phún xạ diode phẳng

Aùp suất phóng điện có thể giảm 100 lần

Tốc độ lắng đọng tăng 100 lần

• Trong những năm trước đây màng

mỏng kim loại được bốc bay nhưng bây giờ phún xạ được sử dụng

 Phún xạ có thể được sử dụng để

lắng đọng tất cả các loại chất dẫn điện

 Chúng ta không thể lắng đọng màng hợp kim bởi phương pháp bốc bay do

nhiệt độ nóng chảy của các kim loại khác nhau

 Phún xạ không làm thay đổi hợp

thức

ƯU ĐiỂM CỦA PHÚN XẠ SO VỚI BỐC BAY

Tạp chất trong màng phún xạ thấp

Trong bốc bay, tạp chất do vật liệu chứa

Sự bao phủ bậc thang tốt hơn

Phún xạ được làm từ diện tích mở rộng của target bóng mờ là thấp nhất

Đồ đồng đều tương đối cao

 PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL

 Hệ các hạt phân tán, kích thước: 0,1 → 1μm

 Lực tương tác giữa các hạt: Van der Waals

 Các hạt chuyển động Brown, va chạm nhau Hạt sol

Dung dịch đông tụ lại thành keo

 Sau một thời gian, các hạt sol hút nhau



Chất ban đầu tạo nên HỆ SOL PRECURSOR

Công thức chung: M(OR)xM: nguyên tố kim loại R: nhóm alkyl (CnH2n+1)

Bước 4: Cuối cùng là quá trình xử lí nhiệt nhiệt phân các thành phần hửu cơ, vô cơ còn lại và tạo nên một màng tinh thể hay vô định hình.

Các quá trình xảy ra khi từ hệ sol → hệ gel

Bước 1: Các hạt keo mong muốn từ các phân tử precursor

phân tán vào một chất lỏng để tạo nên một hệ Sol

Bước 2: Sự lắng đọng dung dịch Sol tạo ra các lớp phủ trên đế bằng cách phun, nhúng, quay

Bước 3: Các hạt trong hệ Sol được polymer hoá thông qua sự loại bỏ các thành phần ổn định hệ và tạo ra hệ gel ở trạng thaí là một mạng lưới liên tục

Hai phương pháp tạo màng từ quá trình sol-gel

Phủ nhúng (Dip Coating)

Phủ quay (Spin Coating)

Đế được nhúng vào dung dịch sol, sau

đó được kéo ra

từ từ → màng/đế

dmàng phụ thuộc: vkéo, góc kéo, độ nhớt, nồng

độ dd, → Không đều

Dung dịch được nhỏ lên đế và cho đế quay Lực ly tâm → mẫu giọt lan tỏa đều trên đế

→ màng/đế

dmàng phụ thuộc: độ nhớt, vbay hơi, vquay,

→ Đồng đều

Ưu và nhược điểm phương pháp Sol – gel:

độ tinh khiết cao.

- Là phương pháp hiệu quả, kinh tế, đơn giản

để sản xuất màng có chất lượng cao.

- Có thể tạo màng ở nhiệt độ bình thường.

- Sự liên kết trong màng yếu.

- Độ chống mài mòn yếu.

- Rất khó để điều khiển độ xốp.

- Dễ bị rạn nứt khi xử lí ở nhiệt độ cao.

- Chi phí cao đối với những vật liệu thô.

- Hao hụt nhiều trong quá trình tạo màng.

S   truy n  qua  m t  thành  ph n  quang  h c  ch a  đ c  x   lí  luôn  ự ề ộ ầ ọ ư ượ ử

nh  h n 100% vì b  m t mát do ph n x  H u h t các thi t b  bao  ỏ ơ ị ấ ả ạ ầ ế ế ị

g m  nhi u  thành  ph n  quang  h c  này  (ch a  đ c  ph   màng  ồ ề ầ ọ ư ượ ủ

ch ng ph n x ) s  có s  truy n qua là r t th p ố ả ạ ẽ ự ề ấ ấ

 M t ph n ánh sáng ph n x  t i các b  m t khác nhau  có th  t i  ộ ầ ả ạ ạ ề ặ ể ớ

đ c m t ph ng tiêu c a thi t b  có th  làm xu t hi n  nh ‘ma’  ượ ặ ẳ ủ ế ị ể ấ ệ ả

ho c các v t nhòe, vì v y mà hình  nh c a nó không s c nét. Đi u  ặ ế ậ ả ủ ắ ề này  đ c  bi t  đúng  trong  tivi  c a  r p  chi u  phim  n i  mà  có  ặ ệ ủ ạ ế ơ kho ng h n 14 th u kính đ c s  d ng ả ơ ấ ượ ử ụ

Sự truyền qua của ánh sáng

- Hệ số phản xạ

- Hệ số truyền qua :

T = 1 - R

( bỏ qua sự hấp thụ và tán xạ )

VD : Với thủy tinh thông thường ( ns = 1.5 )

Ánh sáng khả kiến truyền từ không khí

( no = 1 )

 R = 0.04  ánh sáng truyền qua

96 %

- Nếu có phủ một lớp vật liệu thích hợp trên bề mặt của thủy tinh thì

Hệ số phản xạ:

Vd: Với thủy tinh thông thường: ns=1,52

Ánh sáng khả kiến truyền từ không khí : n0 = 1 Chiết suất lớp phủ: n1=1,38

 R = 0,013  ánh sáng truyền qua 98,7 %

• Phủ 1 lớp vật liệu trên bề mặt thủy tinh sẽ làm giảm hệ số

với n1: chiết suất của lớp màng

n0 và nS là chiết suất của hai môi trường

Khi đó tia tới sau khi phản xạ ở 2 mặt phân cách sẽ giao thoa triệt tiêu với nhau do ngược pha nhau.

 Tất cả ánh sáng sẽ được truyền qua ( trường hợp lý tưởng )

Giả sử có thể điều khiển chính xác độ dày lớp phủ ( λ/4 )  gọi là lớp phủ ¼

sóng

( quarter-wave coating )

Thực tế, cường độ ánh sáng sẽ thay đổi khi qua lớp phủ.

 Độ dày lớp phủ : λo/4n

Với λo : bước sóng ás trong chân không

Màng chống phản xạ đơn lớp

chống phản xạ ở bước sóng giữa vùng khả kiến

Vật liệu màng là các chất điện môi chiết suất thấp : MgF2, Na3AlF6, CaF2, LiF2…

Ưu điểm :

- Dễ chế tạo

-Dễ kiểm soát bề dày

- giá thành thấp, tính lặp lại cao, dễ thực hiện

Hạn chế:

vùng hoạt động hẹp, khó tìm thấy vật liệu chiết suất thấp bền

• Màng chống phản xạ hai lớp

• chống phản xạ với toàn vùng phổ khả kiến.

Lớp ngoài : chất điện môi chiết suất thấp, bền với môi trường ( MgF2, Na3AlF6 , CaF2…) : n1 <

n2

Lớp thứ hai : chất điện môi chiết suất cao, có

độ bám tốt với đế thủy tinh ( ZnO, TiO2, CeF3, ThO2…) : n2 > n3

• Màng chống phản xạ ba lớp

Hệ số phản xạ R rất nhỏ : < 0.1% - 0.01% trong suốt dãy rộng bước sóng ánh sáng

- Màng chống phản xạ hai lớp chỉ cho hệ số phản xạ bằng 0 tại một bước sóng và dãi bước sóng có hệ

số phản xạ thấp còn giớ hạn

- Màng chống phản xạ 3 lớp cho

hệ số phản xạ bằng 0 tại 2 bước sóng và dãi bước sóng có hệ số phản xạ thấp rộng hơn

ứng dụng :

Trong kính đeo mắt người ta phủ nhiều lớp chống phản xạ để giảm ánh sáng rơi trên bề mặt của kính

Màng chống phản xạ còn có thể sử dụng trong một số thiết bị điện tử như điện thoại di động, màn hình máy tính LCD,… màn hình của

những thiết bị này được phủ màng chống phản xạ để dễ nhìn phần

hiển thị trên màn hình

Màng phủ chống phản xạ cũng được sử dụng trong các bảng điện của thiết bị máy bay giúp cho phi công dễ dàng đọc các thông tin trên bảng điện dưới ánh sáng ban ngày mà không bị nhòe Màng chống phản xạ cũng được sử dụng trong công nghiệp ô tô để làm các bảng điện trong xe hơi cao cấp

- Thấu kính trong máy ảnh, kính hiển vi, kính viễn vọng, ống

nhòm, đầu đọc DVD, và một số lăng kính trong các thiết bị này…

- Pin mặt trời : phủ lớp chống phản xạ cho phép

giữ lại ánh sáng chiếu tới ở mọi góc độ

95 - 98 % hồng ngoại

< 90 % tử ngoại

­ G m hai l p màng chi t su t  ồ ớ ế ấ

khác nhau đ c đ t xen k  v i  ượ ặ ẽ ớ

IV MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR):

Màng Điện môi

Nguyên t c: ắ

Nguyên t c: ắ ­  B   dày  c a  m i  l p  màng  ề ủ ỗ ớ

th ng  là  1/4  b c  sóng  chi u  ườ ướ ế

t i ( /4) ớ λ

­  Ph n  x   t i  m i  m t  ti p  xúc  ả ạ ạ ỗ ặ ế

gi a  hai  l p  HL,  hi u  quang  l   ữ ớ ệ ộ tăng  thêm  1/2  b c  sóng  ­­>  b   ướ ị tri t tiêu nh  tr ng h p AR ệ ư ườ ợ

­ Do s  ph n x  t i l p H­L gây  ự ả ạ ạ ớ

ra  đ   l ch  pha  sai  khác  180 ộ ệ 0  so 

v i  l p  L­H  ­­>  sóng  giao  thoa  ớ ớ không  b   tri t  tiêu  mà  còn  đ c  ị ệ ượ tăng c ng ườ

­ Cho đ  ph n x  cao, có th  lên đ n 99,99% ộ ả ạ ể ế

­ Vi c ch  t o đ n gi n, giá thành không quá  ệ ế ạ ơ ả

đ t ắ

H n ch : ạ ế

H n ch : ạ ế

­ Ch  cho đ  ph n x  r t cao đ i v i m t d i  ỉ ộ ả ạ ấ ố ớ ộ ả

b c sóng h p nào đó. Ngoài kho ng này thì đ   ướ ẹ ả ộ

ph n x  không quá cao ả ạ

IV MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG

SUỐT:

Màng TCO

• Màng dẫn điện trong suốt được sử dụng

làm lớp phủ dẫn điện hoặc giải phóng các điện tích được tích tụ.

IV MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG

IV MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG

SUỐT:

Màng ITO

Ph ươ ng pháp:

Ph ươ ng pháp: Phún x  magnetron b ng dòng 1 chi u ạ ằ ề

Bia gốm ITO với thành phần In 2 O 3 + 10 % SnO 2 Khoảng cách bia-đế: 5 cm

Khí làm việc chính là Ar (độ tinh khiết 99.999 % )

Áp suất nền trước khi tạo màng 4x10 -6 torr Áp suất khí làm việc điển hình khoảng 3 x 10 -3

torr.Công suất 50 WĐộ dày trên 300 nm đến 600nmNhiệt độ tinh thể hóa của màng ITO trên

150 0 c

IV MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG

SUỐT:

Màng ITO

Ph ươ ng pháp:

Ph ươ ng pháp: Phún x  magnetron b ng dòng 1 chi u ạ ằ ề

Đ  truy n ph  thu c vào c u trúc cũng nh  hình thái b   ộ ề ụ ộ ấ ư ề

m t màng ( đ  truy n qua gi m khi đ  dày màng tăng ) ặ ộ ề ả ộ

IV MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG

­ có th  ch  t o b ng nhi u ph ng pháp ể ế ạ ằ ề ươ

­ công thoát c a ITO ch  kho ng 4,5­4,8 eV ủ ỉ ả

­ sau khi đ c ch  t o, màng ITO đòi h i ph i đ c x  lý nhi t đ  nâng cao  ượ ế ạ ỏ ả ượ ử ệ ể

ch t l ng. Tuy nhiên , không ph i đ  nào cũng ch u đ c nhi t đ  cao ấ ượ ả ế ị ượ ệ ộ

­ đi n tr  su t khá cao so v i các v t li u TCO khác ệ ở ấ ớ ậ ệ

H n ch : ạ ế

H n ch : ạ ế

IV MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG

IV MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG

EML ETL/EIL

Chân không

WF (anốt)

EA IP

LUMO

HOMO

cathode

OLED đa l p ớ

tinh ­­> tăng c ng ho c làm  ườ ặ

tri t  tiêu  m t  s   b c  sóng  ệ ộ ố ướ

­­> l c màu ọ

­ Gi  đ c c ng đ  sáng cao, ít hao phí do nhi t ữ ượ ườ ộ ệ

H n ch : ạ ế

H n ch : ạ ế

­ Giá thành cao

­ Làm b ng th y tinh nên d  v ằ ủ ễ ỡ

quang:  l c  l a  nh ng  b c  ọ ự ữ ướ

sóng  c n  thi t  đ   truy n  đi  ầ ế ể ề

hay  tách  thành  các  sóng  c n  ầ

thi t ế