(Đồ án tốt nghiệp) khảo sát sự phụ thuộc của cấu trúc tinh thể và tính chất bề mặt của màng mỏng zno trên các loại đế silic

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTTHÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CỦA CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT BỀ MẶT C

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CỦA CẤU TRÚC TINH THỂ

VÀ TÍNH CHẤT BỀ MẶT CỦA MÀNG MỎNG ZnO TRÊN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CỦA CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT BỀ MẶT CỦA MÀNG MỎNG ZnO TRÊN CÁC LOẠI ĐẾ SILIC

SV2022-82

Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học cơ bản

SV thực hiện: Võ Thanh Lan Nam, Nữ: Nữ

Dân tộc: Kinh

Lớp: 18130SEMI Khoa: Khoa học ứng dụng

Năm thứ: 4 /Số năm đào tạo: 4

Ngành học: Công nghệ Vật liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Khảo sát sự phụ thuộc của cấu trúc tinh thể và tính chất bề mặt của

màng mỏng ZnO trên các loại đế Silic

- Chủ nhiệm đề tài: Võ Thanh Lan Mã số SV: 18130027

- Thành viên đề tài:

1 Nguyễn Thị Thanh Trúc 18130048 18130SEMI Khoa học ứng dụng

2 Trương Võ Đoan Thanh 17130041 17130SEMI Khoa học ứng dụng

- Người hướng dẫn: TS Phạm Thị Kim

Hằng 2 Mục tiêu đề tài:

Dưới sự phát triển của công nghệ hiện đại, các thiết bị ngày càng được sản xuất ở kích thước nhỏ với hiệu suất tốt và chi phí rẻ hơn Nhu cầu này đã dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và vật liệu mới để đáp ứng yêu cầu của ngành công nghiệp bán dẫn hiện nay, đặc biệt là công nghệ màng mỏng và vật liệu nano Việc chế tạo màng mỏng ở kích thước nano sẽ tạo ra một số thay đổi trong tính chất điện, nhiệt, từ, và quang của vật liệu nhờ hiệu ứng bề mặt và lượng tử của vật liệu nano Điều này giúp thúc đẩy khả năng hấp phụ, tăng hoạt động bề mặt hoặc mặt phân cách của vật liệu và góp phần tăng hiệu suất trong các thiết bị cảm biến Vì vậy, nghiên cứu và chế tạo vật liệu dạng màng mỏng với kích thước nano đang thu hút

sự quan tâm nghiên cứu.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung nghiên cứu sự phụ thuộc của cấu trúc tinh thể và tính chất bề mặt của thanh zinc oxide (ZnO) trên các loại đế Si (100), Si (111) và SiO2 và sự thay đổi nhiệt độ mọc trên đế Si (100) Sự khác nhau về hình thái bề mặt và cấu trúc tinh thể của các thanh đã đươc tìm thấy khi mọc cùng một

i

điều kiện như công suất phún, thời gian phún trên các loại đế khác nhau bằng phương pháp phún xạ RF- magnetron Cấu trúc tinh thể của thanh nano ZnO đươc khảo sát bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Phép đo kính hiển vi điện tử quét SEM đươc sử dụng để khảo sát hình thái bề mặt Các thanh nano ZnO đươc mọc bằng phương pháp phún xạ RF- magnetron, phún xạ ZnO trên 3 loại đế: Si (100), Si (111) và SiO2 ở cùng một nhiệt độ và cùng các thông số.

3 Tính mới và sáng tạo:

Nhiệt độ phún cung cấp năng lượng cho các nguyên tử để chiếm các vị trí ưu tiên Bằng cách kiểm soát nhiệt độ phún, màng mỏng ZnO sẽ tạo ra sự khác biệt về độ kết tinh và tính chất bề mặt, phép đo phân lớp (giàu Zn-richor O) và các khuyết tật (vị trí oxy, chỗ trống kẽm, kẽ ôxy, kẽ kẽm) Hơn nữa, chất lượng tinh thể của màng ZnO phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp lắng đọng

4 Kết quả nghiên cứu:

Kết quả của chúng tôi cho thấy tất cả các thanh nano ZnO đươc phát triển theo hướng thẳng đứng dọc theo trục c Các mẫu đều có một mật độ thanh khác nhau cũng như kích thước và hình thái tùy theo loại đế sử dụng Ở đế Si (100) chúng tôi khảo sát đươc nhiệt độ 375oC là lý tưởng để mọc thanh nano ZnO trên loại đế này dựa trên các số liệu và hình ảnh thu đươc tử hai phép đo trên Hình ảnh SEM và phổ XRD cũng cho thấy mâu mọc trên đế Si (111) có độ kết tinh và có hình thái cấu trúc bề mặt thanh nano ZnO tốt hơn ở các mâu còn lại Nghiên cứu của chúng tôi chỉ ra rằng việc kiểm soát tốt nhiệt độ và sử dụng đế phù hơp thông qua hình thái bề mặt và đặc tính cấu trúc của vật liệu ZnO, sẽ giúp ích cho vật liệu này có triển vọng ứng dụng trong các thiết bị tương lai.

5 Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng

và khả năng áp dụng của đề tài:

Tạo tiền đề cho nghiên cứu phát triển Đồng thời mở ra một hướng nghiên cứu mới cho các thế hệ sau

6 Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí

nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật (Journal of Technical Education Science)

SV chịu trách nhiệm chính

thực hiện đề tài

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện

đề tài (phần này do người hướng dẫn ghi): Nhóm sinh viên đã thực hiện khối

lượng công việc tương đối lớn cho một đề tài sinh viên Nhóm đưa ra từ ý tưởng, tạo mẫu, đo đạc và phân tích, Sau đó tổng hợp viết báo cáo đăng tạp chí Bài báo" Effects of Growth Temperature on Morphological and Structural Properties of ZnO Films" đã chấp nhận đăng trong Journal of Technical Education Science Kính mong Hội đồng đồng ý cho nhóm sinh viên được nghiệm thu đề tài này.

Ngày 14 tháng 11 năm 2022

Người hướng dẫn

Phạm Thị Kim Hằng

iii

MỞ ĐẦU

Với độ rộng vùng cấm trực tiếp lớn (3,37 eV), năng lương liên kết exciton lớn (60 meV), độ ổn định nhiệt và hóa học tuyệt vời, ZnO là một trong nhưng chất bán dẫn đa chức năng quan trọng nhất do có nhiều ứng dụng quang điện hóa tiềm năng như ánh sáng- điốt phát quang, ống dân sóng quang học, tế bào quang điện nhạy cảm với thuốc nhuộm, cảm biến khí dân điện và trong suốt, v.v [1] Do đó, việc chế tạo cấu trúc thanh nano ZnO trong các mảng có định hướng, liên kết và có trật tự cao có ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển của các thiết bị mới Hơn thế nưa, việc dần cải tiến chế tạo vật liệu này đang là tiền đề để phát triển hơn nhưng ứng dụng trong tương lai.

Trong số các phương pháp chế tạo vật liệu này, phương pháp phún xạ đươc lựa chọn sử dụng nhiều cho các công trình nghiên cứu nhờ khả năng tạo mâu sạch [9], có định hướng tốt và khả năng lập lại mâu cao Ngoài ra, nó thúc đẩy sự hình thành tinh thể trục c và kích thước hạt lớn, làm tăng vận chuyển hạt tải điện với khả năng kiểm soát tốt và phù hơp [13] Các thông số mọc mâu và tùy loại đế cũng ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng tạo thanh nano ZnO Vì vậy, chế tạo khảo sát cấu trúc tinh thể và tính chất bề mặt của thanh nano ZnO trên các loại đế như Si (111), Si (100) và SiO2 cùng sự thay đổi các nhiệt độ mọc là vô cùng cấp thiết vì đây là nhưng tính chất quan trọng quyết định tính chất điện và quang của thanh.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung nghiên cứu sự phụ thuộc của cấu trúc tinh thể và tính chất bề mặt của thanh zinc oxide (ZnO) trên các loại đế Si (100), Si (111) và SiO2 và sự thay đổi nhiệt độ mọc trên đế Si (100) Sự khác nhau

về hình thái bề mặt và cấu trúc tinh thể của các thanh đã đươc tìm thấy khi mọc cùng một điều kiện như công suất phún, thời gian phún trên các loại đế khác nhau

mọc bằng phương pháp phún xạ RF- magnetron thực hiện phún xạ ZnO trên 3 loại đế: Si (100), Si (111) và SiO2 ở cùng một nhiệt độ và cùng các thông số Kết quả của chúng tôi cho thấy tất cả các thanh nano ZnO đươc phát triển theo hướng thẳng đứng dọc theo trục c Các mẫu đều có một mật độ thanh khác nhau cũng như kích thước và hình thái tùy theo loại đế sử dụng Hình ảnh SEM và phổ XRD cũng cho thấy mâu mọc trên đế Si (111) có độ kết tinh và có hình thái cấu trúc bề mặt thanh nano ZnO tốt hơn ở các mâu còn lại Nghiên cứu của chúng tôi chỉ ra rằng việc kiểm soát tốt nhiệt độ và sử dụng đế phù hơp thông qua hình thái bề mặt và đặc tính cấu trúc của vật liệu ZnO, sẽ giúp ích cho vật liệu này có triển vọng ứng dụng trong các thiết bị tương lai.

v

MỤC LỤC

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI i

MỞ ĐẦU iv

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

Chương 1 Giới thiệu tổng quan vật liệu ZnO 1

1.1 Tổng quan về vật liệu khối ZnO 1

1.1.1 Cấu trúc tinh thể 1

1.1.2 Tính chất điện của ZnO 2

1.1.3 Tính chất quang của ZnO 5

Chương 2 Chế tạo và các phương pháp khảo sát của màng mỏng ZnO 10

2.1 Chế tạo màng mỏng ZnO 10

2.1.1 Phương pháp phún xạ RF-magnetron 10

2.1.2 Quá trình chế tạo màng mỏng ZnO 14

2.1.2.1 Giai đoạn khởi động máy và bơm chân không trong buồng 17

2.1.2.2 Giai đoạn tạo plasma và phủ ZnO lên Si(100) 17

2.1.2.3 Giai đoạn tắt máy 18

2.1.2.4 Giai đoạn lấy mẫu 18

2.2 Các phương pháp khảo sát vật liệu 19

2.2.1 Phép đo nhiễu xạ tia X 19

2.2.2 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) 21

CHƯƠNG 3 Sự phụ thuộc của cấu trúc tinh thể và bề mặt của màng mỏng ZnO theo nhiệt độ mọc khác nhau 24

3.2 Sự phụ thuộc của thanh nano ZnO trên các đế Si (100), Si (111), và SiO2 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

vii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

RF Radio Frequency

SEM Scanning Electron Microscopy

XRD X-ray diffraction

LED Light-Emitting Diodes

FET Field-Effect Transistor

EDX energy-dispersive x-ray

FWHM full width at half maximum

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tóm tắt các thông số dẫn điện của ZnO 4

Bảng 2.1 Thông tin các loại hóa chất sử dụng trong thí nghiệm 15Bảng 2.2 Các thông số phún xạ thực hiện trong nghiên cứu 16Bảng 3.1 Bảng tóm tắt các thông số của 3 mẫu ZnO/Si (100), ZnO/Si (111) và

ZnO/SiO2 từ ảnh SEM. 28Bảng 3.2 Tóm tắt các thông số tính toán ZnO/Si (100), ZnO/Si (111) và ZnO/SiO2 thuđược phép đo XRD 32

Bảng 3.3 Hằng số mạng a và c, microstrain dọc theo trục a và c và ứng suất của các

mẫu ZnO trên các đế Si (100), Si (111) và SiO2. 33

ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể Wurtzite ZnO. 1

Hình 1.2 Cấu trúc dải điện tử của ZnO [1]. 3

Hình 1.3 Mức độ khuyết tật và sự phát quang liên quan đến mức độ khuyết tật [1]. 3

Hình 2.2 Hệ phún xạ DS DADA DS2000 tại phòng thí nghiệm bộ môn công nghệ vật liệu trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM. 12

Hình 2.3 Quy trình rửa đế Si (100) 15

Hình 2.4 Nguyên tắt làm việc của phép đo nhiễu xạ tia X. 20

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý làm việc của AFM [20] 22

Hình 2.6 Hiển thị chương trình Gwyddion 23

Hình 3.1 Hình ảnh SEM bề mặt mẫu (a) ZnO/Si (100), (b) ZnO/Si (111) và (c) ZnO/SiO2. 26

Hình 3.2 Hình ảnh SEM cắt ngang mẫu (a) ZnO/Si (100), (b) ZnO/Si (111) và (c) ZnO/SiO2. 27

Hình 3.3 Phổ XRD của ZnO nanorods mọc trên 3 đế, với mẫu ZnO/Si (100), ZnO/Si (111) và ZnO/SiO2 theo thứ tự mọc trên đế Si (100), Si (111) và SiO2 32

Chương 1 Giới thiệu tổng quan vật liệu ZnO 1.1 Tổng quan về vật liệu khối ZnO

ZnO là một hợp chất bán dẫn có vùng cấm trực tiếp (direct bandgap) với năng

lượng khá lớn khoảng 3,37 eV và năng lượng exciton khoảng 60 meV ở nhiệt độ phòng[1], [2] Vì vậy, ZnO có khả năng tạo ra ánh sáng ở vùng tử ngoại (UV) [1] Ngoài ra,

độ dẫn điện cao và khả năng truyền ánh sáng khả kiến của ZnO giúp nó nhận được rấtnhiều sự quan tâm và chú ý của các nhà khoa học trong các lĩnh vực khác nhau nhưđiện tử, quang điện tử, và y sinh và cảm biến [1], [2]

1.1.1 Cấu trúc tinh thể

ZnO là chất bán dẫn hợp chất II-VI và có ba dạng cấu trúc tinh thể là wurtzite,Zinc Blende và Rocksalt Cấu trúc zinc blende của ZnO được tạo thành công trên đế cócấu trúc tinh thể lập phương, còn cấu trúc wurtzite trong điều kiện áp suất rất cao thìchuyển pha sang cấu trúc rocksalt Ở điều kiện thường, ZnO tồn tại ổn định nhiệt độnglực học nhất ở cấu trúc Wurtzite [1], [3]

Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể Wurtzite ZnO.

Ở cấu trúc tinh thể wurtzite, 4 ZnO có ô đơn vị lục giác và thuộc về lớp P6 3mc (Hermann–Mauguin symbol) hay 6

(Schoenflies symbol) và có một ô đơn vị lục giác

1

với hai tham số mạng a và c với (a = 0,3296 và c = 0,52065 nm [11]) theo tỷ lệ

8 = 1,633 (trong một cấu trúc wurtzite lý tưởng) Hình 1.1 [12] Nó được đặc trưng

bởi hai tiểu kết liên kết với nhau của Zn2+ và O2−, mỗi ion Zn được bao quanh bởi tứdiện của các ion O, và ngược lại Tứ diện này sự phối hợp làm phát sinh đối xứng cựcdọc theo trục lục giác Cực này đóng vai trò quyết định một số tính chất của ZnO [4]

1.1.2 Tính chất điện của ZnO

ZnO là vật liệu có vùng cấm trực tiếp (direct bandgap) Tại vùng Brillouin với

K = 0, điểm thấp nhất của vùng dẫn và trên cùng của vùng hóa trị nằm ở cùng mộtđiểm Vùng hóa trị (VB) của ZnO được chia thành ba nhánh A, B và C bởi vùng tinhthể lục giác Δcr và tương tác quỹ đạo spin Δso (hình 1.2) [1].cr và tương tác quỹ đạo spin Δcr và tương tác quỹ đạo spin Δso (hình 1.2) [1].so (hình 1.2) [1]

ZnO là chất bán dẫn loại n do có các khuyết tật bên trong là khoảng trống Oxi

(oxi vacancy - V 0 ) và khoảng giữa kẽm (zinc interstitial - Zn i) Nhìn vào Hình 1.3 ta cóthể thấy được các khuyết tật liên quan làm cho ZnO thể hiện các đặc tính loại n và mức

năng lượng liên quan đến nó Zn i và V 0 đều tạo ra trạng thái cho (donor states) nhưng

V 0 tạo ra trạng thái cho sâu hơn của Zn i Ngoài ra, các khuyết tật này là một trongnhững nguyên nhân gây khó khăn trong quá trình chuyển đổi ZnO từ loại n sang loại pvới chất lượng và độ tái lập cao [1]

Độ dẫn điện của vật liệu phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ hạt tải điện và độ linhđộng của các hạt tải Độ linh động của điện tử ZnO dạng khối là 200 - 400 cm.V-1.s-1lớn hơn so với ZnO ở dạng thanh (1 – 100 cm2.V-1.s-1) Sự suy giảm độ linh động củađiện tử trong thanh ZnO là do bề mặt và sự tán xạ biên hạt [5]

Hình 1.2 Cấu trúc dải điện tử của ZnO [1].

Hình 1.3 Mức độ khuyết tật và sự phát quang liên quan đến mức độ khuyết tật [1].

3

Bảng 1.1 Tóm tắt các thông số dẫn điện của ZnO [6].

Nồng độ chất mang 1016 - 1020 cm-3Khối lượng hiệu dụng của các điện tử 0,24 mo

Độ linh động của điện tử Hall 20 - 400 cm2 V-1 s -1

Độ linh động của lỗ trống Hall 5 - 50 cm2 V-1 s -1

1.1.3 Tính chất quang của ZnO

ZnO là chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn và vùng cấm trực tiếp ZnO còn

có chiết suất cao (2,008) vì vậy nó được sử dụng trong các thiết bị quang điện tử [7].ZnO có năng lượng liên kết exciton là 60 meV ở nhiệt độ phòng nên sự tái tổ hợpexciton xảy ra một cách dễ dàng Nhờ vào quá trình exciton đó, ZnO có khả năng phát

xạ trong vùng UV có bước sóng 380 nm trong điều kiện thường ZnO còn phát xạ ánhsáng tím, lam và lục do những khuyết tật nội tại của các trạng thái năng lượng thấp hơnbên trong cấu trúc của nó [1]

1.2 Tổng quan về màng mỏng ZnO

ZnO đã được nghiên cứu từ năm 1912 với số lượng các bài báo và đánh giá ngàycàng tăng ( hình 1.1)[5, 6, 7] Cấu trúc nano của ZnO dưới các dạng khác nhau như: hạtnano, dây, ống, thanh và màng mỏng đã và đang thu hút được nhiều nghiên cứu [1].Màng mỏng ZnO được quan tâm nghiên cứu do các ứng dụng tiềm năng của nó trongđiện tử, quang học và quang điện tử [1,2] Các tính chất của màng mỏng ZnO có thểkhác với các đặc tính của vật liệu dạng khối do hiệu ứng kích thước, có thể được kiểmsoát bởi các kỹ thuật lắng đọng và các loại đế khác nhau [1] Nhiều nghiên cứu đã chếtạo màng mỏng ZnO trên các loại đế khác nhau như thủy tinh [1], nhựa [1], silicon [1,2]

và thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như phun nhiệt phân (spray pyrolysis) [8], phún xạ từ trường RF (Radio Frequency magnetron sputtering), lắng đọng hơi hóa học (chemical vapour deposition), lắng đọng laser xung (pulsed laser deposition), phương pháp bốc bay (thermal evaporation) và quá trình sol-gel (sol–gel process) [1].

Trong số đó, phương pháp phún xạ được lựa chọn sử dụng nhiều cho các công trìnhnghiên cứu nhờ khả năng tạo màng sạch [9], có định hướng tốt và khả năng lập lại mẫucao [10]

5

Hình 1.1 Sự gia tăng số lượng xuất bản về oxit kẽm theo cơ sở dữ liệu tài liệu

SCOPUS [11]

Thông số vật lý Giá trị

Nồng độ pha tạp hạt tải thuần <106 cm-3

Bảng 1.1 Tóm tắt các thông số, tính chất của ZnO [11]

1.1 Ứng dụng của màng mỏng ZnO

Dưới sự phát triển của công nghệ hiện đại, các thiết bị ngày càng được sản xuất ở

kích thước nhỏ, nâng cao hiệu suất, và chi phí rẻ hơn Nhu cầu này đã dẫn đến sự phát

triển mạnh mẽ của công nghệ và vật liệu mới để đáp ứng yêu cầu của ngành công

nghiệp bán dẫn hiện nay, đặc biệt là công nghệ màng mỏng và vật liệu nano Việc chế

tạo màng mỏng ở kích thước nano sẽ tạo ra một số thay đổi trong tính chất điện, nhiệt,

7

từ, và quang của vật liệu nhờ hiệu ứng bề mặt và lượng tử của vật liệu nano Điều nàygiúp thúc đẩy khả năng hấp phụ, tăng hoạt động bề mặt hoặc mặt phân cách của vậtliệu và góp phần tăng hiệu suất trong các thiết bị cảm biến [17] Vì vậy, nghiên cứu vàchế tạo vật liệu dạng màng mỏng với kích thước nano đang thu hút sự quan tâm nghiêncứu.

Các ứng dụng tiêu biểu

mòn, ăn mòn; ăn mòn nhiệt độ cao; thụ động bềmặt; lớp phủ trang trí; lớp phủ xúc tác

(LCD); TFT; bộ nhớ quang học; khuếch đại ánh sángbằng phát xạ kích thích (laze)

Bảng 1 Các ứng dụng tiêu biểu của màng mỏng ZnO [8]

Trong quá trình tạo màng mỏng, đế là một trong những yếu tố quan trọng gópphần hình thành tính chất của màng Đế silicon thường được lựa chọn làm đế để phủmàng [18], vì có những ưu điểm như độ nhám bề mặt thấp, độ tinh khiết cao, dễ giacông, và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp điện tử Chính vì vậy việc chế tạo ZnOtrên đế silicon không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạo màng và xác định đặc tínhcủa mẫu mà còn là tiền đề cho việc ứng dụng màng mỏng vào các thiết bị quang điện

tử [18] Tùy từng nhiệt độ mà màng mỏng ZnO có tính chất và đặc tính riêng Vì vậy,chế tạo khảo sát cấu trúc tinh thể và tính chất bề mặt của màng mỏng ZnO tmọc ở cácnhiệt độ khác nhau là vô cùng cấp thiết vì đây là những tính chất quan trọng quyết địnhtính chất điện và quang của màng

9

Chương 2 Chế tạo và các phương pháp khảo sát của màng mỏng

ZnO 2.1 Chế tạo màng mỏng ZnO

Trong khóa luận này, phương pháp phún xạ RF- magnetron được sử dụng để tạomàng mỏng ZnO ở nhiệt độ 400, 425 và 450oC, nhờ vào sự phổ biến trong công nghiệp

và khả năng chế tạo có khả năng phân cực và độ tái lập tốt [9], [14], [18]

2.1.1 Phương pháp phún xạ RF-magnetron

Phún xạ RF-magnetron là một kỹ thuật lắng đọng thanh, trong đó các hạt từ biavật liệu bị đẩy ra khỏi bề mặt bia do sự bắn phá của các ion khí hiếm Các ion khí hiếmnày được tăng tốc bởi điện trường của nguồn RF có tần số khoảng vài chục MHz(thường là 13,56 Hz) để đến bề mặt bia

Động năng của những ion khí hiếm này rất cao, đủ để va chạm và truyền tới cáchạt ở bề mặt của bia Sau khi nhận năng lượng, các hạt này di chuyển và lắng đọng trên

bề mặt đế Sự đảo ngược của hai cực giữa bia vật liệu và đế trong phún xạ magnetron giúp ngăn chặn sự tích tụ của các ion khí hiếm trên bề mặt của bia và đảmbảo quá trình phún xạ diễn ra liên tục

RF-Từ trường của nam châm có tác dụng bẫy các điện tử và ion lại gần bia và tănghiệu ứng ion hóa, tăng số lần va chạm giữa các ion, điện tử với các nguyên tử khí tại bềmặt bia do đó làm tăng tốc độ lắng đọng, giảm sự bắn phá của điện tử và ion trên bềmặt màng, giảm nhiệt độ đế và có thể tạo ra sự phóng điện ở áp suất thấp hơn (Hình2.1)

Phún xạ RF-magnetron thích hợp để lắng đọng thanh của tất cả các loại vật liệu,

Trong thí nghiệm này, hệ thống phún xạ RF-magnetron được sử dụng là DADADS2000 của phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu trường Đại học Sư phạm Kỹ ThuậtTPHCM (Xem Hình 2.2).

Hình 2.1 Cơ chế phún xạ RF-magnetron

11

Hình 2.2 Hệ phún xạ DS DADA DS2000 tại phòng thí nghiệm bộ môn

công nghệ vật liệu trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM.Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phún xạ

- Năng lượng của các ion tới

- Khối lượng của các ion tới và nguyên tử target

- Năng lượng liên kết của các nguyên tử trong bia chất rắn

- Góc tới của các ion khí hiếm

• Ưu điểm của phún xạ RF

• Nhược điểm của phún xạ RF - Tốc độ phủ màng chậm.

- Nguồn RF đắt tiền và phải có thêm bộ phối hợp trở kháng

- Phải có bộ phận tản nhiệt target do các ion khí hiếm đập vào target có năng lượng cao

- Khó phủ bề mặt có cấu trúc phức tạp

13

2.1.2 Quá trình chế tạo màng mỏng ZnO

Trong nghiên cứu này, các thanh nano ZnO đươc phún trên ba loại đế khác nhau

Si (100), Si (111) và SiO2 ở cùng các điều kiện và thông số lắng đọng Nhằm khảo sát

sự ảnh hưởng của các loại đế Si và SiO2 và đến cấu trúc và hình thái bề mặt của thanhnano ZnO từ đó đưa ra đế tối ưu cho việc phát triển các thanh nano ZnO Đế Si (100) và

Si (111) đươc sử dụng để lắng đọng các thanh nano ZnO Trước khi đươc sử dụng, các

đế này sẽ đươc làm sạch bằng các hóa chất sử dụng trong phòng thí nghiệm Sau khirửa trong nước khử ion (DI) và cồn isopropyl (IPA) đánh siêu âm trong vòng 2 phút, đếsilicon đươc ngâm trong dung dịch H2SO4 5% trong 40 giây Axit bám trên bề mặtđươc loại bỏ bằng IPA trong bể siêu âm trong vòng 2 phút Tiếp theo, đế silicon đươcngâm trong dung dịch HF 20% trong 30 giây Sau khi ăn mòn lớp oxit trên bề mặtsilicon bằng HF, lặp lại các bước rửa trong IPA và DI Sấy khô các đế bằng khí N2 sau

đó nung trong buồng chân không ở áp suất 7,5×10-6 Torr để loại bỏ các chất bẩn và hơinước còn bám trên bề mặt của đế Quá trình làm sạch đế Si (100) và Si (111) đươc trìnhbày trong Hình 2.3

Khác với hai đế Si (100) và Si (111), đế SiO2 sử dụng quy trình rửa đơn giảnhơn vì không cần loại bỏ lớp oxit trên bề mặt Sử dụng Acetone, IPA để rửa đế và đánhsiêu âm lần lươt trong vòng 2 phút Tiếp theo, nhúng đế 3 lần vào dung dịch Etanol đãđược nung nóng đến 60oC Sau quy trình sấy khô bằng khí N2, đế đươc tra vào buồng

và đươc làm nóng trong buồng ở áp suất 7,5×10-6 Torr để đảm bảo không còn bụi bẩn

và hơi nước trên bề mặt đế Quy trình làm sạch đế SiO2 đươc thể hiện ở Hình 2.4

Sau khi gia nhiệt trước đế silicon, như bảng 2.2 Và để mô tả ảnh hưởng của các loại đếkhác nhau lên các đặc tính hình ZnO đươc lắng đọng trên ba loại đế lần lươt là Si