Luận văn nghiên cứu chế tạo và tính chất bán dẫn từ pha loãng của hệ vật liệu nano zno pha tạp carbon

13ên cạnh nghiên cứu tính chất từ, tính chất huỳnh quang của hệ mảng móng, ZmO phú tạp C chế tạo bằng phương pháp quay phủ cũng đã được khảo sát với các lượng C pha tạp khác nhau.. 13ên

NGHIEN CUU CHE TAO VA TINH CHAT BAN DAN TU PHA

LOANG CUA ITE VAT LIEU NANO ZnO PIA TAP CARBON

LUẬN VĂN THẠC SĨ KIOA HỌC CIIUYEN NGANIL VAT LÝ KỸ THUẬT CHƯƠNG TRÌNH: KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NANO

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYEN BUC DUNG

TIà Nội — 2016

MUC LUC

TRANG BIA PHU

MỤC LỤC

LOI CAM DOAN

DANH MUC CAC KY HIỆU, CHỮ VIET TAT:

DANH Muc CAC BANG:

Chương 1 - TONG QUAN VE Zn0

1.3 Cẩn trúc vùng măng trạng của ZnO với cầu trúc tỉnh thd Inc gide wurtzite

1.3 Tink chất quang của vật liện ZnQ và ZnO phụ tạp

1.4 Tính chất tù: của vật ifn ZnO va ZnO pha tap

1.4.1 M6 ttinh Stoner

1.4.2 Tĩnh xắt tả: của hệ cô diện tử với dộ linh dộng nhẽ

1.4.4 Từ tính củu hệ vật liệu ZnO pha tạp C -25 Chương 2~ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .¬o

3.1 Phương phúp khăa sát cắn trúc, lành thái, thành phần của mẫu 32

2.3 Phường pháp do phỗ hưỳnh quang PL

3.4 Phuong phép do tir ké mau rang VSM (Vibrating Sample Magnetometer)

Chwong 3— KET QUA VA THAO LUAN

4.1 Tink chat quang ctia ming méng ZuO pha tap C

4.1.1 Cấu trúc, Ainh thai, thank phan cia mang mong ZnO pha tap C

3.1.2 Điều khiển vùng phát quang do sai hông thông qua ph« tạp C

éu ZnO pha tap C

3.2.1 Himi thái, câu trúc và các liên kết trang mẫu chế tạo

3.2.2 Tink sit tir pha lodng của vật liệu ZnO pha tap C

KẾT LUẬN

TÀI LIỆT THAXI KHẢO

CAC CONG RO KHOA HOC

LOI CAM BOAN

Tôi xin cam doan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sư

hưởng dẫn khoa học của 15 Nguyễn [ức Dũng Cáo nội dung nghiên cứu, kết quả

trong để tài này là hoàn loàn trưng thực

Ngoài ra, trong hiện văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như sổ

liệu của các tác giả khác đều có trích dẫn phí rõ trong tài liệu tharn khảo

TNếu phát hiện có bát kỳ sự gian lậu nào tối xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về

nội dung luận vẫn của mình

MO PAU

Diện tử là một trong những hạt cơ bán cầu thành nên nguyên tử và được đặc trưng bởi nhiều đại lượng vật lý rửnz điện tích, spíi Bằng cách điều khiển Irạng thái của diện tử thông qua diện trường, kich thích quang, hay tử trưởng ta co thé quan sát nhiều tính chất thú vị của vật liệu như tính bán dẫn, tính chất huỳnh quang, hay tính chất từ ở các vật liệu Vì vậy, các nghiên cứu với các bán dẫn từ pha loãng (Diluted Magnetic Semiconductor - DMS), ma trong dé két hop đồng thời cá tính:

'bán dân và tính sắt tù, đang nhận được nhiêu sự chú ý [1,2] Theo đự đoán của Dietl

etal, ZnO duoc coi là một trong sé il cdc vat, ligu DMS lia hen co nhiệt độ chuyển

pha sắt từ - thufin ti 4 nhiét 49 phong (Room ‘Temperature - RT) [3] Trong nghién cứu này, vật ligu ZnO kich thuée nano duoc tién hanh pha tap carbon va nghién cia

tỉnh chất từ Bên cạnh phan chính của luận án là nghiên cứu tinh chat Lis, tinh chat quang cũng dược khảo sát để làm rõ thêm ảnh hưởng của C pha tạp lên tính chất của

vặt liệu

Nhiều nghiên cửu gần đây đã chí ra rằng chi có một vai chit pha tap chẳng, than như các kim loại chuyển liếp (TMR) có thế tạo ra hệ DMS trong ZnÕ Những hệ

ZnO pha tạp các TMs như Co, Mn, e, dược bao cao là quan sát dược tỉnh sắt từ

11-7] Tuy nhiên, nguồn gốc từ tính của các hệ ZmO được công bổ rất đa đạng vả đôi lủc không thẳng nhất với nhau Đề giải quyết vấn đẻ này nguyên tổ pha tạp không

có tính sắt từ là C được chọn thay cho các TMs để nghiên cứu Với ZnO pha tạp C,

Pan ef al [8] đã công bỏ cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm rằng hệ vật liệu này là chát

sắt Lừ và tính gắt Lừ này đến từ sự thay thế của Ở vào lỗ trồng O Tuy nhiên, Zlưng

et ai [9] lại cho rằng tính sắt của hệ ZnO cũng có thể xuất phát từ các khuyết tật

vồn có của 7nO như điển kẽ Zn hay khuyết thiên O Do đó, nghiên cứu này chọn C

ANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐƠ THỊ:

Tình 1: Cáo cầu trúc lính thể ZaO: (a) Tập phương đơn giãn kiểu NaCt (B1),

(b) lập phương giả kẽm (B3), (e) Lục giác wurtzite (34)

Hình 2: (a) Cấu trúc lục gide wurtzite cia ZnO, (b) Gian dé biéu điển của

cầu trúc wurtzite ZnO cĩ a, c và tham số u

11inh 3: Cầu trúc vùng năng lượng ctia ZnO

Hình 4: Biểu đỗ các phát xạ do sai hồng trong tỉnh thé ZnO

Hình 5: Dạng hình học nũa các sai hơng lự nhiên trong Zm©: (a) Lễ khuyết Ĩ

ở rạng thái trung hịa (b) Lễ khuyết O ở trạng thải tích điện 2+ (e) Lễ khuyết Zn ở

trạng thái tích điện 2- (4) và (e) Zn điển kế trọng trạng thái tích điện 21 ở vị trí bát

điện ẫn định, (4) hình nhìn ngang vuơng gĩe với true e, (6) hình nhìn song song với trục ư (Ð và (g) Zn antiste ở trang thai tích điện 2¬, (f) hình nhìn ngang vuơng gĩc

với trục c, (g) hình nhìn song song với trục ec (h) Ở amisile Oza @ trạng thái tích

điện 2- (Oøs”) (1) và (k) © điển kế khơng mang diện, (0) ở trạng thải câu hình ơn định nhất [Oi{spliÐ)], (j} ở cầu hình giá ổn định Oil[(split)*] (k) Dang hinh học

trguyên Lữ Ở điển kế định xú ở dạng oclahedral |OZ (oc0]

Tĩnh 6: So sánh phố PL của mảng 15 lép oda ZnO với ZnO pha tạp C

Tĩnh 7: Sự thay đổi mức năng lượng giữa spin up vả spin down quanh mức

Fermi cia dam điện tử linh động,

Hình 8: Ham phan bé Fermi-Dirac theo E4

1Hinh 9: Dường A4/1,17? vẽ theo /1/AM11,1)

Jlinh 10: Duong AF theo M

Hình 11: (a) Sự thay déi eda dung AF theo Af tai cdc tir trréng ngoai kháo nhau, (b) Đường biểu diễn À/ theo #7

(hình vong trén réng) va thanh phan nghịch từ của gả giữ mẫu (hình qua tran day) Tlinh chén thé hién chuyén pha giả bên từ ở từ trường 77 = 19.2 kOe

Tĩnh 37: Dường từ trễ của vật liệu đo ở nhiệt độ phỏng Dường từ trễ thực

nghiệm được thế hiện bởi đường đứt nét và đường từ trễ của mẫu sau khi loại bô thành phan nghịch tù của gá giữ mẫu được thẻ hiện bằng đường liên nét Hình ím

nhỏ là phóng đại của đường từ trễ trong dải từ trưởng H tir -0.2 dén 0.2 kOe

Hình 38: dường từ nhiệt với từ trường 2# = 5 kÓe Hai nhiệt độ chuyển pha từ

(nhiệt độ Curie) có thẻ quan sát được trong các đải nhiệt độ 520-560°C và 580- 620°C:

Hình 39: Tỉnh toán mật độ trạng thái của C pha tạp vả Zn lân cận, vị trí mức

Fermi duge thé hién bang duéng dứt nét

DASH MUC CAC KY IDEU, CHU VI

DMS _ Diluted Magnetic Semiconductor

EDS Energy Dispersive X-ray Spectrum

FESEM Field Emission Scanning Electron Microscope

FFT — Fast Fourrier Transformation

FWHM — Full Width at Half Maximum

HRTEM — High Resolution Transmission Electron Microscope

PL Photoluminescence

RY Room Temparature

TM — Transilional Mclal

VSM — Vibratiny Sample Magnclometer

XPS — X-ray Photoelectron Spectroscopy

XRD — X-ray Diffraction

DANH MUC CAC BANG:

Bing 1: Các hằng số mạng đo đạc va tinh (oan va gia tri u cia mang ZnO

wintzite

Tăng 2: Tỉnh chất của ZmO có và không cé pha tap carbon

Bang 3: Các mẫu mảng đã ché tạo đề khảo sát tỉnh chất quang

hạt có kích thước khác nhau Một loại kết tính với kich thude ~: 20 nm vá một loại

kết tỉnh với kích thước ~ 80-120 nm Vật liệu thế hiện tính chất của ban dfn tir pha

loãng (DMS) Đường từ trễ cho thây lục kháng từ Z7; = 60 Oe Thêm vào đó, có

xuất hiện một chuyển pha giá bên từ ở từ trường / = 18.5-19.5 kOe trong nhiều

điều kiện nhiệt độ khác nhan Dưởng cong từ nhiệt chỉ ra rằng có hai điểm nhiệt độ

Cuie, một ở trong khoảng 500-540°%Œ và muội trong khoâng 580-620 Trong khoảng nhiệt dộ phỏng, từ độ chỉ thay đổi nhỏ theo nhiệt dộ Tính chất từ pha loãng của vật liệu ZnO pha tạp C đã được thảo luận

13ên cạnh nghiên cứu tính chất từ, tính chất huỳnh quang của hệ mảng móng,

ZmO phú tạp C chế tạo bằng phương pháp quay phủ cũng đã được khảo sát với các lượng C pha tạp khác nhau Bước dâu đã diều khiển dược cường dộ vùng phát quang đo sai hỏng của ZnO thông qua pha tạp Những kết quả này mang định

hướng ứng dụng quan trong, va đã được công bê một phân trên các tạp chí trong,

nước và quốc tế,

DASH MUC CAC KY IDEU, CHU VI

DMS _ Diluted Magnetic Semiconductor

EDS Energy Dispersive X-ray Spectrum

FESEM Field Emission Scanning Electron Microscope

FFT — Fast Fourrier Transformation

FWHM — Full Width at Half Maximum

HRTEM — High Resolution Transmission Electron Microscope

PL Photoluminescence

RY Room Temparature

TM — Transilional Mclal

VSM — Vibratiny Sample Magnclometer

XPS — X-ray Photoelectron Spectroscopy

XRD — X-ray Diffraction

DANH MUC CAC BANG:

Bing 1: Các hằng số mạng đo đạc va tinh (oan va gia tri u cia mang ZnO

wintzite

Tăng 2: Tỉnh chất của ZmO có và không cé pha tap carbon

Bang 3: Các mẫu mảng đã ché tạo đề khảo sát tỉnh chất quang

hạt có kích thước khác nhau Một loại kết tính với kich thude ~: 20 nm vá một loại

kết tỉnh với kích thước ~ 80-120 nm Vật liệu thế hiện tính chất của ban dfn tir pha

loãng (DMS) Đường từ trễ cho thây lục kháng từ Z7; = 60 Oe Thêm vào đó, có

xuất hiện một chuyển pha giá bên từ ở từ trường / = 18.5-19.5 kOe trong nhiều

điều kiện nhiệt độ khác nhan Dưởng cong từ nhiệt chỉ ra rằng có hai điểm nhiệt độ

Cuie, một ở trong khoảng 500-540°%Œ và muội trong khoâng 580-620 Trong khoảng nhiệt dộ phỏng, từ độ chỉ thay đổi nhỏ theo nhiệt dộ Tính chất từ pha loãng của vật liệu ZnO pha tạp C đã được thảo luận

13ên cạnh nghiên cứu tính chất từ, tính chất huỳnh quang của hệ mảng móng,

ZmO phú tạp C chế tạo bằng phương pháp quay phủ cũng đã được khảo sát với các lượng C pha tạp khác nhau Bước dâu đã diều khiển dược cường dộ vùng phát quang đo sai hỏng của ZnO thông qua pha tạp Những kết quả này mang định

hướng ứng dụng quan trong, va đã được công bê một phân trên các tạp chí trong,

nước và quốc tế,

hạt có kích thước khác nhau Một loại kết tính với kich thude ~: 20 nm vá một loại

kết tỉnh với kích thước ~ 80-120 nm Vật liệu thế hiện tính chất của ban dfn tir pha

loãng (DMS) Đường từ trễ cho thây lục kháng từ Z7; = 60 Oe Thêm vào đó, có

xuất hiện một chuyển pha giá bên từ ở từ trường / = 18.5-19.5 kOe trong nhiều

điều kiện nhiệt độ khác nhan Dưởng cong từ nhiệt chỉ ra rằng có hai điểm nhiệt độ

Cuie, một ở trong khoảng 500-540°%Œ và muội trong khoâng 580-620 Trong khoảng nhiệt dộ phỏng, từ độ chỉ thay đổi nhỏ theo nhiệt dộ Tính chất từ pha loãng của vật liệu ZnO pha tạp C đã được thảo luận

13ên cạnh nghiên cứu tính chất từ, tính chất huỳnh quang của hệ mảng móng,

ZmO phú tạp C chế tạo bằng phương pháp quay phủ cũng đã được khảo sát với các lượng C pha tạp khác nhau Bước dâu đã diều khiển dược cường dộ vùng phát quang đo sai hỏng của ZnO thông qua pha tạp Những kết quả này mang định

hướng ứng dụng quan trong, va đã được công bê một phân trên các tạp chí trong,

nước và quốc tế,

ANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐƠ THỊ:

Tình 1: Cáo cầu trúc lính thể ZaO: (a) Tập phương đơn giãn kiểu NaCt (B1),

(b) lập phương giả kẽm (B3), (e) Lục giác wurtzite (34)

Hình 2: (a) Cấu trúc lục gide wurtzite cia ZnO, (b) Gian dé biéu điển của

cầu trúc wurtzite ZnO cĩ a, c và tham số u

11inh 3: Cầu trúc vùng năng lượng ctia ZnO

Hình 4: Biểu đỗ các phát xạ do sai hồng trong tỉnh thé ZnO

Hình 5: Dạng hình học nũa các sai hơng lự nhiên trong Zm©: (a) Lễ khuyết Ĩ

ở rạng thái trung hịa (b) Lễ khuyết O ở trạng thải tích điện 2+ (e) Lễ khuyết Zn ở

trạng thái tích điện 2- (4) và (e) Zn điển kế trọng trạng thái tích điện 21 ở vị trí bát

điện ẫn định, (4) hình nhìn ngang vuơng gĩe với true e, (6) hình nhìn song song với trục ư (Ð và (g) Zn antiste ở trang thai tích điện 2¬, (f) hình nhìn ngang vuơng gĩc

với trục c, (g) hình nhìn song song với trục ec (h) Ở amisile Oza @ trạng thái tích

điện 2- (Oøs”) (1) và (k) © điển kế khơng mang diện, (0) ở trạng thải câu hình ơn định nhất [Oi{spliÐ)], (j} ở cầu hình giá ổn định Oil[(split)*] (k) Dang hinh học

trguyên Lữ Ở điển kế định xú ở dạng oclahedral |OZ (oc0]

Tĩnh 6: So sánh phố PL của mảng 15 lép oda ZnO với ZnO pha tạp C

Tĩnh 7: Sự thay đổi mức năng lượng giữa spin up vả spin down quanh mức

Fermi cia dam điện tử linh động,

Hình 8: Ham phan bé Fermi-Dirac theo E4

1Hinh 9: Dường A4/1,17? vẽ theo /1/AM11,1)

Jlinh 10: Duong AF theo M

Hình 11: (a) Sự thay déi eda dung AF theo Af tai cdc tir trréng ngoai kháo nhau, (b) Đường biểu diễn À/ theo #7

(hình vong trén réng) va thanh phan nghịch từ của gả giữ mẫu (hình qua tran day) Tlinh chén thé hién chuyén pha giả bên từ ở từ trường 77 = 19.2 kOe

Tĩnh 37: Dường từ trễ của vật liệu đo ở nhiệt độ phỏng Dường từ trễ thực

nghiệm được thế hiện bởi đường đứt nét và đường từ trễ của mẫu sau khi loại bô thành phan nghịch tù của gá giữ mẫu được thẻ hiện bằng đường liên nét Hình ím

nhỏ là phóng đại của đường từ trễ trong dải từ trưởng H tir -0.2 dén 0.2 kOe

Hình 38: dường từ nhiệt với từ trường 2# = 5 kÓe Hai nhiệt độ chuyển pha từ

(nhiệt độ Curie) có thẻ quan sát được trong các đải nhiệt độ 520-560°C và 580- 620°C:

Hình 39: Tỉnh toán mật độ trạng thái của C pha tạp vả Zn lân cận, vị trí mức

Fermi duge thé hién bang duéng dứt nét

DASH MUC CAC KY IDEU, CHU VI

DMS _ Diluted Magnetic Semiconductor

EDS Energy Dispersive X-ray Spectrum

FESEM Field Emission Scanning Electron Microscope

FFT — Fast Fourrier Transformation

FWHM — Full Width at Half Maximum

HRTEM — High Resolution Transmission Electron Microscope

PL Photoluminescence

RY Room Temparature

TM — Transilional Mclal

VSM — Vibratiny Sample Magnclometer

XPS — X-ray Photoelectron Spectroscopy

XRD — X-ray Diffraction

DANH MUC CAC BANG:

Bing 1: Các hằng số mạng đo đạc va tinh (oan va gia tri u cia mang ZnO

wintzite

Tăng 2: Tỉnh chất của ZmO có và không cé pha tap carbon

Bang 3: Các mẫu mảng đã ché tạo đề khảo sát tỉnh chất quang

hạt có kích thước khác nhau Một loại kết tính với kich thude ~: 20 nm vá một loại

kết tỉnh với kích thước ~ 80-120 nm Vật liệu thế hiện tính chất của ban dfn tir pha

loãng (DMS) Đường từ trễ cho thây lục kháng từ Z7; = 60 Oe Thêm vào đó, có

xuất hiện một chuyển pha giá bên từ ở từ trường / = 18.5-19.5 kOe trong nhiều

điều kiện nhiệt độ khác nhan Dưởng cong từ nhiệt chỉ ra rằng có hai điểm nhiệt độ

Cuie, một ở trong khoảng 500-540°%Œ và muội trong khoâng 580-620 Trong khoảng nhiệt dộ phỏng, từ độ chỉ thay đổi nhỏ theo nhiệt dộ Tính chất từ pha loãng của vật liệu ZnO pha tạp C đã được thảo luận

13ên cạnh nghiên cứu tính chất từ, tính chất huỳnh quang của hệ mảng móng,

ZmO phú tạp C chế tạo bằng phương pháp quay phủ cũng đã được khảo sát với các lượng C pha tạp khác nhau Bước dâu đã diều khiển dược cường dộ vùng phát quang đo sai hỏng của ZnO thông qua pha tạp Những kết quả này mang định

hướng ứng dụng quan trong, va đã được công bê một phân trên các tạp chí trong,

nước và quốc tế,

Hinh 12: Ms (T) = M: (5K) dối với nhiệt độ mẫu B va C Đường cong khung,

nhỏ là đường từ trễ của mẫn ñ ở 300 K

Tĩnh 13: Từ độ M bão hòa ở nhiệt độ phòng vả mornent từ mỗi nguyên tử

carbon ở trạng thải carbide phụ thuộc mật độ carbon đo được của mẫu pha tạp earbon Mật độ carbon trong muẫu được ưức Linh bằng phép do SIMS, trong khi phần trim carbon trong trang thải carbide được ước tỉnh bằng phép do XPS

Hình 14: (a) Đường từ hỏa cửa các mảng Zns(ZnO)x với các giá trị x khác nhau ở 300 K; (b) từ độ bão hòa theo giá trị của x ở 300 K; và (e) đường từ trễ của

xấu với gid trix 0.31 6 các ửuột độ khác nhau

Hình 15 Sơ để quy trình chế tạo mẫu

tình 16: Hình ãnh một số mẫu đã chế tạo

Hình 17: Hệ lò ủ nhiệt ỡ viện ALST

Hình 18: Hệ XRD D8 Advanee Hruker tại dại học khoa học tự nhiên Hà Nội Hình 19: Minh họa dịnh luật VulÊ-Brapg,

Hình 20: Máy FESEM-JEOI.-ISM7600F tại viện AIST

Hình 21: Hệ HRTEM Tecnai-G2F20-FRI tại viện AIST

Hình 22: Các quá trinh phục hếi của phân tử bị kích thich

11ình 23: LIệ PL-LIR320 6 vién AIST

Hinh 24: (a) So dé khối từ kế mẫu rung, (b) Hệ VSM ở viện AlST

Hình 25: Ảnh SEM của mẫu màng mông 15 lớp của (m) ZnO va (b) ZnO pha Tạp carben với tỷ lệ 2/1

Hình 26: Phỏ XRD của mẫu mang mỏng 21 lớp của ZnO, ZnO pha tạp Ở tý

lệ 2/1 và ZnO pha tạp C tắt cả các lớp

Hình 27: Phổ EDB của mẫu mảng mỏng 15 lớp của (a) ZnO và (b) 2nO pha tạp carben với tỷ lệ 2/1

Tinh 28: Anh SEM và Mapping IDS ngang theo bể đày ctia miu mang ZnO

Linh 29; Anh LIRTEM, Fast fourier ‘Transform (111) va phé LDS cia miu vat iéu ZO pha tap carbon

Hinh 30: Sw dich dinh do chuyén mize vang- ving trong phé PL của mẫu

mảng nông 10 lớp của ZnO có và không có pha tạp carbon

Hình 31: Phổ PT, của các mẫu màng mồng 15 lớp của ZnO, ZmO pha tap Cy

lệ 2⁄1 và ZnO pha tạp C tất cả các lớp

Hình 32: Phd XRD cia miu ZnO pha lap C thd hiện cấu trúc wurtzile đặc

trumg etia ZnO

Hình 33: Ảnh FESHM với hai loại hạt ⁄nO Loại tứ nhất có kích thước nhé

hơn cỡ 20 nm và có hinh lục giác Loại thú hai có kích thước hạt lớn hỡn cỡ 80-120

1uu và có hình tròn Phỏ EDS trong hình nhỏ chỉ ra sự tồn tại của 3 nguyên tố: Zn,

Ó vàC trong mẫu

Hình 34: Ảnh HRLEM của (a) nhóm các hạt loại to hơn và (b) hình phỏng to vũng ô vuông của hạt bao bọc bởi C vô định hình (e) Nhóm cáo hạt loại nhỏ hơn và (b) bình phóng to vùng õ vuông của hạt không bị bao bọc bởi Ở vô định hình với

ảnh EET của bạt tỉnh thé

Hình 35: (a) Phổ XPS tổng qual cia hat nano ZnO pha tap Ở với các đỉnh

của liên kết các orbital Z, và C (b) Phổ XPS của orbital C7z Hàm Gauss 6 cdc

vị trí năng lượng liên kết (BE) 248.8 eV và 286 8 eV lần lượi lương ứng với orbual

C1z trong các liên kết C-C (carbon tự do) và C-O/C-O Ham Gauss & BE 283.3 eV

được xác định là của orbital C1s trong liên kết C và Zn

Hình 36: Đường từ hóa cơ bán của hạt nano ZnO pha tạp Ở ở 25°C Đường

từ hóa thực nghiệm (hình quả trám rễng) là kết hợp của thành phần sắt từ từ mẫu

MO PAU

Diện tử là một trong những hạt cơ bán cầu thành nên nguyên tử và được đặc trưng bởi nhiều đại lượng vật lý rửnz điện tích, spíi Bằng cách điều khiển Irạng thái của diện tử thông qua diện trường, kich thích quang, hay tử trưởng ta co thé quan sát nhiều tính chất thú vị của vật liệu như tính bán dẫn, tính chất huỳnh quang, hay tính chất từ ở các vật liệu Vì vậy, các nghiên cứu với các bán dẫn từ pha loãng (Diluted Magnetic Semiconductor - DMS), ma trong dé két hop đồng thời cá tính:

'bán dân và tính sắt tù, đang nhận được nhiêu sự chú ý [1,2] Theo đự đoán của Dietl

etal, ZnO duoc coi là một trong sé il cdc vat, ligu DMS lia hen co nhiệt độ chuyển

pha sắt từ - thufin ti 4 nhiét 49 phong (Room ‘Temperature - RT) [3] Trong nghién cứu này, vật ligu ZnO kich thuée nano duoc tién hanh pha tap carbon va nghién cia

tỉnh chất từ Bên cạnh phan chính của luận án là nghiên cứu tinh chat Lis, tinh chat quang cũng dược khảo sát để làm rõ thêm ảnh hưởng của C pha tạp lên tính chất của

vặt liệu

Nhiều nghiên cửu gần đây đã chí ra rằng chi có một vai chit pha tap chẳng, than như các kim loại chuyển liếp (TMR) có thế tạo ra hệ DMS trong ZnÕ Những hệ

ZnO pha tạp các TMs như Co, Mn, e, dược bao cao là quan sát dược tỉnh sắt từ

11-7] Tuy nhiên, nguồn gốc từ tính của các hệ ZmO được công bổ rất đa đạng vả đôi lủc không thẳng nhất với nhau Đề giải quyết vấn đẻ này nguyên tổ pha tạp không

có tính sắt từ là C được chọn thay cho các TMs để nghiên cứu Với ZnO pha tạp C,

Pan ef al [8] đã công bỏ cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm rằng hệ vật liệu này là chát

sắt Lừ và tính gắt Lừ này đến từ sự thay thế của Ở vào lỗ trồng O Tuy nhiên, Zlưng

et ai [9] lại cho rằng tính sắt của hệ ZnO cũng có thể xuất phát từ các khuyết tật

vồn có của 7nO như điển kẽ Zn hay khuyết thiên O Do đó, nghiên cứu này chọn C

ANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐƠ THỊ:

Tình 1: Cáo cầu trúc lính thể ZaO: (a) Tập phương đơn giãn kiểu NaCt (B1),

(b) lập phương giả kẽm (B3), (e) Lục giác wurtzite (34)

Hình 2: (a) Cấu trúc lục gide wurtzite cia ZnO, (b) Gian dé biéu điển của

cầu trúc wurtzite ZnO cĩ a, c và tham số u

11inh 3: Cầu trúc vùng năng lượng ctia ZnO

Hình 4: Biểu đỗ các phát xạ do sai hồng trong tỉnh thé ZnO

Hình 5: Dạng hình học nũa các sai hơng lự nhiên trong Zm©: (a) Lễ khuyết Ĩ

ở rạng thái trung hịa (b) Lễ khuyết O ở trạng thải tích điện 2+ (e) Lễ khuyết Zn ở

trạng thái tích điện 2- (4) và (e) Zn điển kế trọng trạng thái tích điện 21 ở vị trí bát

điện ẫn định, (4) hình nhìn ngang vuơng gĩe với true e, (6) hình nhìn song song với trục ư (Ð và (g) Zn antiste ở trang thai tích điện 2¬, (f) hình nhìn ngang vuơng gĩc

với trục c, (g) hình nhìn song song với trục ec (h) Ở amisile Oza @ trạng thái tích

điện 2- (Oøs”) (1) và (k) © điển kế khơng mang diện, (0) ở trạng thải câu hình ơn định nhất [Oi{spliÐ)], (j} ở cầu hình giá ổn định Oil[(split)*] (k) Dang hinh học

trguyên Lữ Ở điển kế định xú ở dạng oclahedral |OZ (oc0]

Tĩnh 6: So sánh phố PL của mảng 15 lép oda ZnO với ZnO pha tạp C

Tĩnh 7: Sự thay đổi mức năng lượng giữa spin up vả spin down quanh mức

Fermi cia dam điện tử linh động,

Hình 8: Ham phan bé Fermi-Dirac theo E4

1Hinh 9: Dường A4/1,17? vẽ theo /1/AM11,1)

Jlinh 10: Duong AF theo M

Hình 11: (a) Sự thay déi eda dung AF theo Af tai cdc tir trréng ngoai kháo nhau, (b) Đường biểu diễn À/ theo #7

Hinh 12: Ms (T) = M: (5K) dối với nhiệt độ mẫu B va C Đường cong khung,

nhỏ là đường từ trễ của mẫn ñ ở 300 K

Tĩnh 13: Từ độ M bão hòa ở nhiệt độ phòng vả mornent từ mỗi nguyên tử

carbon ở trạng thải carbide phụ thuộc mật độ carbon đo được của mẫu pha tạp earbon Mật độ carbon trong muẫu được ưức Linh bằng phép do SIMS, trong khi phần trim carbon trong trang thải carbide được ước tỉnh bằng phép do XPS

Hình 14: (a) Đường từ hỏa cửa các mảng Zns(ZnO)x với các giá trị x khác nhau ở 300 K; (b) từ độ bão hòa theo giá trị của x ở 300 K; và (e) đường từ trễ của

xấu với gid trix 0.31 6 các ửuột độ khác nhau

Hình 15 Sơ để quy trình chế tạo mẫu

tình 16: Hình ãnh một số mẫu đã chế tạo

Hình 17: Hệ lò ủ nhiệt ỡ viện ALST

Hình 18: Hệ XRD D8 Advanee Hruker tại dại học khoa học tự nhiên Hà Nội Hình 19: Minh họa dịnh luật VulÊ-Brapg,

Hình 20: Máy FESEM-JEOI.-ISM7600F tại viện AIST

Hình 21: Hệ HRTEM Tecnai-G2F20-FRI tại viện AIST

Hình 22: Các quá trinh phục hếi của phân tử bị kích thich

11ình 23: LIệ PL-LIR320 6 vién AIST

Hinh 24: (a) So dé khối từ kế mẫu rung, (b) Hệ VSM ở viện AlST

Hình 25: Ảnh SEM của mẫu màng mông 15 lớp của (m) ZnO va (b) ZnO pha Tạp carben với tỷ lệ 2/1

Hình 26: Phỏ XRD của mẫu mang mỏng 21 lớp của ZnO, ZnO pha tạp Ở tý

lệ 2/1 và ZnO pha tạp C tắt cả các lớp

DASH MUC CAC KY IDEU, CHU VI

DMS _ Diluted Magnetic Semiconductor

EDS Energy Dispersive X-ray Spectrum

FESEM Field Emission Scanning Electron Microscope

FFT — Fast Fourrier Transformation

FWHM — Full Width at Half Maximum

HRTEM — High Resolution Transmission Electron Microscope

PL Photoluminescence

RY Room Temparature

TM — Transilional Mclal

VSM — Vibratiny Sample Magnclometer

XPS — X-ray Photoelectron Spectroscopy

XRD — X-ray Diffraction

DANH MUC CAC BANG:

Bing 1: Các hằng số mạng đo đạc va tinh (oan va gia tri u cia mang ZnO

wintzite

Tăng 2: Tỉnh chất của ZmO có và không cé pha tap carbon

Bang 3: Các mẫu mảng đã ché tạo đề khảo sát tỉnh chất quang

DASH MUC CAC KY IDEU, CHU VI

DMS _ Diluted Magnetic Semiconductor

EDS Energy Dispersive X-ray Spectrum

FESEM Field Emission Scanning Electron Microscope

FFT — Fast Fourrier Transformation

FWHM — Full Width at Half Maximum

HRTEM — High Resolution Transmission Electron Microscope

PL Photoluminescence

RY Room Temparature

TM — Transilional Mclal

VSM — Vibratiny Sample Magnclometer

XPS — X-ray Photoelectron Spectroscopy

XRD — X-ray Diffraction

DANH MUC CAC BANG:

Bing 1: Các hằng số mạng đo đạc va tinh (oan va gia tri u cia mang ZnO

wintzite

Tăng 2: Tỉnh chất của ZmO có và không cé pha tap carbon

Bang 3: Các mẫu mảng đã ché tạo đề khảo sát tỉnh chất quang

(hình vong trén réng) va thanh phan nghịch từ của gả giữ mẫu (hình qua tran day) Tlinh chén thé hién chuyén pha giả bên từ ở từ trường 77 = 19.2 kOe

Tĩnh 37: Dường từ trễ của vật liệu đo ở nhiệt độ phỏng Dường từ trễ thực

nghiệm được thế hiện bởi đường đứt nét và đường từ trễ của mẫu sau khi loại bô thành phan nghịch tù của gá giữ mẫu được thẻ hiện bằng đường liên nét Hình ím

nhỏ là phóng đại của đường từ trễ trong dải từ trưởng H tir -0.2 dén 0.2 kOe

Hình 38: dường từ nhiệt với từ trường 2# = 5 kÓe Hai nhiệt độ chuyển pha từ

(nhiệt độ Curie) có thẻ quan sát được trong các đải nhiệt độ 520-560°C và 580- 620°C:

Hình 39: Tỉnh toán mật độ trạng thái của C pha tạp vả Zn lân cận, vị trí mức

Fermi duge thé hién bang duéng dứt nét

Hinh 12: Ms (T) = M: (5K) dối với nhiệt độ mẫu B va C Đường cong khung,

nhỏ là đường từ trễ của mẫn ñ ở 300 K

Tĩnh 13: Từ độ M bão hòa ở nhiệt độ phòng vả mornent từ mỗi nguyên tử

carbon ở trạng thải carbide phụ thuộc mật độ carbon đo được của mẫu pha tạp earbon Mật độ carbon trong muẫu được ưức Linh bằng phép do SIMS, trong khi phần trim carbon trong trang thải carbide được ước tỉnh bằng phép do XPS

Hình 14: (a) Đường từ hỏa cửa các mảng Zns(ZnO)x với các giá trị x khác nhau ở 300 K; (b) từ độ bão hòa theo giá trị của x ở 300 K; và (e) đường từ trễ của

xấu với gid trix 0.31 6 các ửuột độ khác nhau

Hình 15 Sơ để quy trình chế tạo mẫu

tình 16: Hình ãnh một số mẫu đã chế tạo

Hình 17: Hệ lò ủ nhiệt ỡ viện ALST

Hình 18: Hệ XRD D8 Advanee Hruker tại dại học khoa học tự nhiên Hà Nội Hình 19: Minh họa dịnh luật VulÊ-Brapg,

Hình 20: Máy FESEM-JEOI.-ISM7600F tại viện AIST

Hình 21: Hệ HRTEM Tecnai-G2F20-FRI tại viện AIST

Hình 22: Các quá trinh phục hếi của phân tử bị kích thich

11ình 23: LIệ PL-LIR320 6 vién AIST

Hinh 24: (a) So dé khối từ kế mẫu rung, (b) Hệ VSM ở viện AlST

Hình 25: Ảnh SEM của mẫu màng mông 15 lớp của (m) ZnO va (b) ZnO pha Tạp carben với tỷ lệ 2/1

Hình 26: Phỏ XRD của mẫu mang mỏng 21 lớp của ZnO, ZnO pha tạp Ở tý

lệ 2/1 và ZnO pha tạp C tắt cả các lớp

Hình 27: Phổ EDB của mẫu mảng mỏng 15 lớp của (a) ZnO và (b) 2nO pha tạp carben với tỷ lệ 2/1

Tinh 28: Anh SEM và Mapping IDS ngang theo bể đày ctia miu mang ZnO

Linh 29; Anh LIRTEM, Fast fourier ‘Transform (111) va phé LDS cia miu vat iéu ZO pha tap carbon

Hinh 30: Sw dich dinh do chuyén mize vang- ving trong phé PL của mẫu

mảng nông 10 lớp của ZnO có và không có pha tạp carbon

Hình 31: Phổ PT, của các mẫu màng mồng 15 lớp của ZnO, ZmO pha tap Cy

lệ 2⁄1 và ZnO pha tạp C tất cả các lớp

Hình 32: Phd XRD cia miu ZnO pha lap C thd hiện cấu trúc wurtzile đặc

trumg etia ZnO

Hình 33: Ảnh FESHM với hai loại hạt ⁄nO Loại tứ nhất có kích thước nhé

hơn cỡ 20 nm và có hinh lục giác Loại thú hai có kích thước hạt lớn hỡn cỡ 80-120

1uu và có hình tròn Phỏ EDS trong hình nhỏ chỉ ra sự tồn tại của 3 nguyên tố: Zn,

Ó vàC trong mẫu

Hình 34: Ảnh HRLEM của (a) nhóm các hạt loại to hơn và (b) hình phỏng to vũng ô vuông của hạt bao bọc bởi C vô định hình (e) Nhóm cáo hạt loại nhỏ hơn và (b) bình phóng to vùng õ vuông của hạt không bị bao bọc bởi Ở vô định hình với

ảnh EET của bạt tỉnh thé

Hình 35: (a) Phổ XPS tổng qual cia hat nano ZnO pha tap Ở với các đỉnh

của liên kết các orbital Z, và C (b) Phổ XPS của orbital C7z Hàm Gauss 6 cdc

vị trí năng lượng liên kết (BE) 248.8 eV và 286 8 eV lần lượi lương ứng với orbual

C1z trong các liên kết C-C (carbon tự do) và C-O/C-O Ham Gauss & BE 283.3 eV

được xác định là của orbital C1s trong liên kết C và Zn

Hình 36: Đường từ hóa cơ bán của hạt nano ZnO pha tạp Ở ở 25°C Đường

từ hóa thực nghiệm (hình quả trám rễng) là kết hợp của thành phần sắt từ từ mẫu

hạt có kích thước khác nhau Một loại kết tính với kich thude ~: 20 nm vá một loại

kết tỉnh với kích thước ~ 80-120 nm Vật liệu thế hiện tính chất của ban dfn tir pha

loãng (DMS) Đường từ trễ cho thây lục kháng từ Z7; = 60 Oe Thêm vào đó, có

xuất hiện một chuyển pha giá bên từ ở từ trường / = 18.5-19.5 kOe trong nhiều

điều kiện nhiệt độ khác nhan Dưởng cong từ nhiệt chỉ ra rằng có hai điểm nhiệt độ

Cuie, một ở trong khoảng 500-540°%Œ và muội trong khoâng 580-620 Trong khoảng nhiệt dộ phỏng, từ độ chỉ thay đổi nhỏ theo nhiệt dộ Tính chất từ pha loãng của vật liệu ZnO pha tạp C đã được thảo luận

13ên cạnh nghiên cứu tính chất từ, tính chất huỳnh quang của hệ mảng móng,

ZmO phú tạp C chế tạo bằng phương pháp quay phủ cũng đã được khảo sát với các lượng C pha tạp khác nhau Bước dâu đã diều khiển dược cường dộ vùng phát quang đo sai hỏng của ZnO thông qua pha tạp Những kết quả này mang định

hướng ứng dụng quan trong, va đã được công bê một phân trên các tạp chí trong,

nước và quốc tế,

Hình 27: Phổ EDB của mẫu mảng mỏng 15 lớp của (a) ZnO và (b) 2nO pha tạp carben với tỷ lệ 2/1

Tinh 28: Anh SEM và Mapping IDS ngang theo bể đày ctia miu mang ZnO

Linh 29; Anh LIRTEM, Fast fourier ‘Transform (111) va phé LDS cia miu vat iéu ZO pha tap carbon

Hinh 30: Sw dich dinh do chuyén mize vang- ving trong phé PL của mẫu

mảng nông 10 lớp của ZnO có và không có pha tạp carbon

Hình 31: Phổ PT, của các mẫu màng mồng 15 lớp của ZnO, ZmO pha tap Cy

lệ 2⁄1 và ZnO pha tạp C tất cả các lớp

Hình 32: Phd XRD cia miu ZnO pha lap C thd hiện cấu trúc wurtzile đặc

trumg etia ZnO

Hình 33: Ảnh FESHM với hai loại hạt ⁄nO Loại tứ nhất có kích thước nhé

hơn cỡ 20 nm và có hinh lục giác Loại thú hai có kích thước hạt lớn hỡn cỡ 80-120

1uu và có hình tròn Phỏ EDS trong hình nhỏ chỉ ra sự tồn tại của 3 nguyên tố: Zn,

Ó vàC trong mẫu

Hình 34: Ảnh HRLEM của (a) nhóm các hạt loại to hơn và (b) hình phỏng to vũng ô vuông của hạt bao bọc bởi C vô định hình (e) Nhóm cáo hạt loại nhỏ hơn và (b) bình phóng to vùng õ vuông của hạt không bị bao bọc bởi Ở vô định hình với

ảnh EET của bạt tỉnh thé

Hình 35: (a) Phổ XPS tổng qual cia hat nano ZnO pha tap Ở với các đỉnh

của liên kết các orbital Z, và C (b) Phổ XPS của orbital C7z Hàm Gauss 6 cdc

vị trí năng lượng liên kết (BE) 248.8 eV và 286 8 eV lần lượi lương ứng với orbual

C1z trong các liên kết C-C (carbon tự do) và C-O/C-O Ham Gauss & BE 283.3 eV

được xác định là của orbital C1s trong liên kết C và Zn

Hình 36: Đường từ hóa cơ bán của hạt nano ZnO pha tạp Ở ở 25°C Đường

từ hóa thực nghiệm (hình quả trám rễng) là kết hợp của thành phần sắt từ từ mẫu

Hinh 12: Ms (T) = M: (5K) dối với nhiệt độ mẫu B va C Đường cong khung,

nhỏ là đường từ trễ của mẫn ñ ở 300 K

Tĩnh 13: Từ độ M bão hòa ở nhiệt độ phòng vả mornent từ mỗi nguyên tử

carbon ở trạng thải carbide phụ thuộc mật độ carbon đo được của mẫu pha tạp earbon Mật độ carbon trong muẫu được ưức Linh bằng phép do SIMS, trong khi phần trim carbon trong trang thải carbide được ước tỉnh bằng phép do XPS

Hình 14: (a) Đường từ hỏa cửa các mảng Zns(ZnO)x với các giá trị x khác nhau ở 300 K; (b) từ độ bão hòa theo giá trị của x ở 300 K; và (e) đường từ trễ của

xấu với gid trix 0.31 6 các ửuột độ khác nhau

Hình 15 Sơ để quy trình chế tạo mẫu

tình 16: Hình ãnh một số mẫu đã chế tạo

Hình 17: Hệ lò ủ nhiệt ỡ viện ALST

Hình 18: Hệ XRD D8 Advanee Hruker tại dại học khoa học tự nhiên Hà Nội Hình 19: Minh họa dịnh luật VulÊ-Brapg,

Hình 20: Máy FESEM-JEOI.-ISM7600F tại viện AIST

Hình 21: Hệ HRTEM Tecnai-G2F20-FRI tại viện AIST

Hình 22: Các quá trinh phục hếi của phân tử bị kích thich

11ình 23: LIệ PL-LIR320 6 vién AIST

Hinh 24: (a) So dé khối từ kế mẫu rung, (b) Hệ VSM ở viện AlST

Hình 25: Ảnh SEM của mẫu màng mông 15 lớp của (m) ZnO va (b) ZnO pha Tạp carben với tỷ lệ 2/1

Hình 26: Phỏ XRD của mẫu mang mỏng 21 lớp của ZnO, ZnO pha tạp Ở tý

lệ 2/1 và ZnO pha tạp C tắt cả các lớp

DASH MUC CAC KY IDEU, CHU VI

DMS _ Diluted Magnetic Semiconductor

EDS Energy Dispersive X-ray Spectrum

FESEM Field Emission Scanning Electron Microscope

FFT — Fast Fourrier Transformation

FWHM — Full Width at Half Maximum

HRTEM — High Resolution Transmission Electron Microscope

PL Photoluminescence

RY Room Temparature

TM — Transilional Mclal

VSM — Vibratiny Sample Magnclometer

XPS — X-ray Photoelectron Spectroscopy

XRD — X-ray Diffraction

DANH MUC CAC BANG:

Bing 1: Các hằng số mạng đo đạc va tinh (oan va gia tri u cia mang ZnO

wintzite

Tăng 2: Tỉnh chất của ZmO có và không cé pha tap carbon

Bang 3: Các mẫu mảng đã ché tạo đề khảo sát tỉnh chất quang

Hình 27: Phổ EDB của mẫu mảng mỏng 15 lớp của (a) ZnO và (b) 2nO pha tạp carben với tỷ lệ 2/1

Tinh 28: Anh SEM và Mapping IDS ngang theo bể đày ctia miu mang ZnO

Linh 29; Anh LIRTEM, Fast fourier ‘Transform (111) va phé LDS cia miu vat iéu ZO pha tap carbon

Hinh 30: Sw dich dinh do chuyén mize vang- ving trong phé PL của mẫu

mảng nông 10 lớp của ZnO có và không có pha tạp carbon

Hình 31: Phổ PT, của các mẫu màng mồng 15 lớp của ZnO, ZmO pha tap Cy

lệ 2⁄1 và ZnO pha tạp C tất cả các lớp

Hình 32: Phd XRD cia miu ZnO pha lap C thd hiện cấu trúc wurtzile đặc

trumg etia ZnO

Hình 33: Ảnh FESHM với hai loại hạt ⁄nO Loại tứ nhất có kích thước nhé

hơn cỡ 20 nm và có hinh lục giác Loại thú hai có kích thước hạt lớn hỡn cỡ 80-120

1uu và có hình tròn Phỏ EDS trong hình nhỏ chỉ ra sự tồn tại của 3 nguyên tố: Zn,

Ó vàC trong mẫu

Hình 34: Ảnh HRLEM của (a) nhóm các hạt loại to hơn và (b) hình phỏng to vũng ô vuông của hạt bao bọc bởi C vô định hình (e) Nhóm cáo hạt loại nhỏ hơn và (b) bình phóng to vùng õ vuông của hạt không bị bao bọc bởi Ở vô định hình với

ảnh EET của bạt tỉnh thé

Hình 35: (a) Phổ XPS tổng qual cia hat nano ZnO pha tap Ở với các đỉnh

của liên kết các orbital Z, và C (b) Phổ XPS của orbital C7z Hàm Gauss 6 cdc

vị trí năng lượng liên kết (BE) 248.8 eV và 286 8 eV lần lượi lương ứng với orbual

C1z trong các liên kết C-C (carbon tự do) và C-O/C-O Ham Gauss & BE 283.3 eV

được xác định là của orbital C1s trong liên kết C và Zn

Hình 36: Đường từ hóa cơ bán của hạt nano ZnO pha tạp Ở ở 25°C Đường

từ hóa thực nghiệm (hình quả trám rễng) là kết hợp của thành phần sắt từ từ mẫu

hạt có kích thước khác nhau Một loại kết tính với kich thude ~: 20 nm vá một loại

kết tỉnh với kích thước ~ 80-120 nm Vật liệu thế hiện tính chất của ban dfn tir pha

loãng (DMS) Đường từ trễ cho thây lục kháng từ Z7; = 60 Oe Thêm vào đó, có

xuất hiện một chuyển pha giá bên từ ở từ trường / = 18.5-19.5 kOe trong nhiều

điều kiện nhiệt độ khác nhan Dưởng cong từ nhiệt chỉ ra rằng có hai điểm nhiệt độ

Cuie, một ở trong khoảng 500-540°%Œ và muội trong khoâng 580-620 Trong khoảng nhiệt dộ phỏng, từ độ chỉ thay đổi nhỏ theo nhiệt dộ Tính chất từ pha loãng của vật liệu ZnO pha tạp C đã được thảo luận

13ên cạnh nghiên cứu tính chất từ, tính chất huỳnh quang của hệ mảng móng,

ZmO phú tạp C chế tạo bằng phương pháp quay phủ cũng đã được khảo sát với các lượng C pha tạp khác nhau Bước dâu đã diều khiển dược cường dộ vùng phát quang đo sai hỏng của ZnO thông qua pha tạp Những kết quả này mang định

hướng ứng dụng quan trong, va đã được công bê một phân trên các tạp chí trong,

nước và quốc tế,

DASH MUC CAC KY IDEU, CHU VI

DMS _ Diluted Magnetic Semiconductor

EDS Energy Dispersive X-ray Spectrum

FESEM Field Emission Scanning Electron Microscope

FFT — Fast Fourrier Transformation

FWHM — Full Width at Half Maximum

HRTEM — High Resolution Transmission Electron Microscope

PL Photoluminescence

RY Room Temparature

TM — Transilional Mclal

VSM — Vibratiny Sample Magnclometer

XPS — X-ray Photoelectron Spectroscopy

XRD — X-ray Diffraction

DANH MUC CAC BANG:

Bing 1: Các hằng số mạng đo đạc va tinh (oan va gia tri u cia mang ZnO

wintzite

Tăng 2: Tỉnh chất của ZmO có và không cé pha tap carbon

Bang 3: Các mẫu mảng đã ché tạo đề khảo sát tỉnh chất quang

ANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐƠ THỊ:

Tình 1: Cáo cầu trúc lính thể ZaO: (a) Tập phương đơn giãn kiểu NaCt (B1),

(b) lập phương giả kẽm (B3), (e) Lục giác wurtzite (34)

Hình 2: (a) Cấu trúc lục gide wurtzite cia ZnO, (b) Gian dé biéu điển của

cầu trúc wurtzite ZnO cĩ a, c và tham số u

11inh 3: Cầu trúc vùng năng lượng ctia ZnO

Hình 4: Biểu đỗ các phát xạ do sai hồng trong tỉnh thé ZnO

Hình 5: Dạng hình học nũa các sai hơng lự nhiên trong Zm©: (a) Lễ khuyết Ĩ

ở rạng thái trung hịa (b) Lễ khuyết O ở trạng thải tích điện 2+ (e) Lễ khuyết Zn ở

trạng thái tích điện 2- (4) và (e) Zn điển kế trọng trạng thái tích điện 21 ở vị trí bát

điện ẫn định, (4) hình nhìn ngang vuơng gĩe với true e, (6) hình nhìn song song với trục ư (Ð và (g) Zn antiste ở trang thai tích điện 2¬, (f) hình nhìn ngang vuơng gĩc

với trục c, (g) hình nhìn song song với trục ec (h) Ở amisile Oza @ trạng thái tích

điện 2- (Oøs”) (1) và (k) © điển kế khơng mang diện, (0) ở trạng thải câu hình ơn định nhất [Oi{spliÐ)], (j} ở cầu hình giá ổn định Oil[(split)*] (k) Dang hinh học

trguyên Lữ Ở điển kế định xú ở dạng oclahedral |OZ (oc0]

Tĩnh 6: So sánh phố PL của mảng 15 lép oda ZnO với ZnO pha tạp C

Tĩnh 7: Sự thay đổi mức năng lượng giữa spin up vả spin down quanh mức

Fermi cia dam điện tử linh động,

Hình 8: Ham phan bé Fermi-Dirac theo E4

1Hinh 9: Dường A4/1,17? vẽ theo /1/AM11,1)

Jlinh 10: Duong AF theo M

Hình 11: (a) Sự thay déi eda dung AF theo Af tai cdc tir trréng ngoai kháo nhau, (b) Đường biểu diễn À/ theo #7

(hình vong trén réng) va thanh phan nghịch từ của gả giữ mẫu (hình qua tran day) Tlinh chén thé hién chuyén pha giả bên từ ở từ trường 77 = 19.2 kOe

Tĩnh 37: Dường từ trễ của vật liệu đo ở nhiệt độ phỏng Dường từ trễ thực

nghiệm được thế hiện bởi đường đứt nét và đường từ trễ của mẫu sau khi loại bô thành phan nghịch tù của gá giữ mẫu được thẻ hiện bằng đường liên nét Hình ím

nhỏ là phóng đại của đường từ trễ trong dải từ trưởng H tir -0.2 dén 0.2 kOe

Hình 38: dường từ nhiệt với từ trường 2# = 5 kÓe Hai nhiệt độ chuyển pha từ

(nhiệt độ Curie) có thẻ quan sát được trong các đải nhiệt độ 520-560°C và 580- 620°C:

Hình 39: Tỉnh toán mật độ trạng thái của C pha tạp vả Zn lân cận, vị trí mức

Fermi duge thé hién bang duéng dứt nét

Hinh 12: Ms (T) = M: (5K) dối với nhiệt độ mẫu B va C Đường cong khung,

nhỏ là đường từ trễ của mẫn ñ ở 300 K

Tĩnh 13: Từ độ M bão hòa ở nhiệt độ phòng vả mornent từ mỗi nguyên tử

carbon ở trạng thải carbide phụ thuộc mật độ carbon đo được của mẫu pha tạp earbon Mật độ carbon trong muẫu được ưức Linh bằng phép do SIMS, trong khi phần trim carbon trong trang thải carbide được ước tỉnh bằng phép do XPS

Hình 14: (a) Đường từ hỏa cửa các mảng Zns(ZnO)x với các giá trị x khác nhau ở 300 K; (b) từ độ bão hòa theo giá trị của x ở 300 K; và (e) đường từ trễ của

xấu với gid trix 0.31 6 các ửuột độ khác nhau

Hình 15 Sơ để quy trình chế tạo mẫu

tình 16: Hình ãnh một số mẫu đã chế tạo

Hình 17: Hệ lò ủ nhiệt ỡ viện ALST

Hình 18: Hệ XRD D8 Advanee Hruker tại dại học khoa học tự nhiên Hà Nội Hình 19: Minh họa dịnh luật VulÊ-Brapg,

Hình 20: Máy FESEM-JEOI.-ISM7600F tại viện AIST

Hình 21: Hệ HRTEM Tecnai-G2F20-FRI tại viện AIST

Hình 22: Các quá trinh phục hếi của phân tử bị kích thich

11ình 23: LIệ PL-LIR320 6 vién AIST

Hinh 24: (a) So dé khối từ kế mẫu rung, (b) Hệ VSM ở viện AlST

Hình 25: Ảnh SEM của mẫu màng mông 15 lớp của (m) ZnO va (b) ZnO pha Tạp carben với tỷ lệ 2/1

Hình 26: Phỏ XRD của mẫu mang mỏng 21 lớp của ZnO, ZnO pha tạp Ở tý

lệ 2/1 và ZnO pha tạp C tắt cả các lớp

MO PAU

Diện tử là một trong những hạt cơ bán cầu thành nên nguyên tử và được đặc trưng bởi nhiều đại lượng vật lý rửnz điện tích, spíi Bằng cách điều khiển Irạng thái của diện tử thông qua diện trường, kich thích quang, hay tử trưởng ta co thé quan sát nhiều tính chất thú vị của vật liệu như tính bán dẫn, tính chất huỳnh quang, hay tính chất từ ở các vật liệu Vì vậy, các nghiên cứu với các bán dẫn từ pha loãng (Diluted Magnetic Semiconductor - DMS), ma trong dé két hop đồng thời cá tính:

'bán dân và tính sắt tù, đang nhận được nhiêu sự chú ý [1,2] Theo đự đoán của Dietl

etal, ZnO duoc coi là một trong sé il cdc vat, ligu DMS lia hen co nhiệt độ chuyển

pha sắt từ - thufin ti 4 nhiét 49 phong (Room ‘Temperature - RT) [3] Trong nghién cứu này, vật ligu ZnO kich thuée nano duoc tién hanh pha tap carbon va nghién cia

tỉnh chất từ Bên cạnh phan chính của luận án là nghiên cứu tinh chat Lis, tinh chat quang cũng dược khảo sát để làm rõ thêm ảnh hưởng của C pha tạp lên tính chất của

vặt liệu

Nhiều nghiên cửu gần đây đã chí ra rằng chi có một vai chit pha tap chẳng, than như các kim loại chuyển liếp (TMR) có thế tạo ra hệ DMS trong ZnÕ Những hệ

ZnO pha tạp các TMs như Co, Mn, e, dược bao cao là quan sát dược tỉnh sắt từ

11-7] Tuy nhiên, nguồn gốc từ tính của các hệ ZmO được công bổ rất đa đạng vả đôi lủc không thẳng nhất với nhau Đề giải quyết vấn đẻ này nguyên tổ pha tạp không

có tính sắt từ là C được chọn thay cho các TMs để nghiên cứu Với ZnO pha tạp C,

Pan ef al [8] đã công bỏ cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm rằng hệ vật liệu này là chát

sắt Lừ và tính gắt Lừ này đến từ sự thay thế của Ở vào lỗ trồng O Tuy nhiên, Zlưng

et ai [9] lại cho rằng tính sắt của hệ ZnO cũng có thể xuất phát từ các khuyết tật

vồn có của 7nO như điển kẽ Zn hay khuyết thiên O Do đó, nghiên cứu này chọn C

ANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐƠ THỊ:

Tình 1: Cáo cầu trúc lính thể ZaO: (a) Tập phương đơn giãn kiểu NaCt (B1),

(b) lập phương giả kẽm (B3), (e) Lục giác wurtzite (34)

Hình 2: (a) Cấu trúc lục gide wurtzite cia ZnO, (b) Gian dé biéu điển của

cầu trúc wurtzite ZnO cĩ a, c và tham số u

11inh 3: Cầu trúc vùng năng lượng ctia ZnO

Hình 4: Biểu đỗ các phát xạ do sai hồng trong tỉnh thé ZnO

Hình 5: Dạng hình học nũa các sai hơng lự nhiên trong Zm©: (a) Lễ khuyết Ĩ

ở rạng thái trung hịa (b) Lễ khuyết O ở trạng thải tích điện 2+ (e) Lễ khuyết Zn ở

trạng thái tích điện 2- (4) và (e) Zn điển kế trọng trạng thái tích điện 21 ở vị trí bát

điện ẫn định, (4) hình nhìn ngang vuơng gĩe với true e, (6) hình nhìn song song với trục ư (Ð và (g) Zn antiste ở trang thai tích điện 2¬, (f) hình nhìn ngang vuơng gĩc

với trục c, (g) hình nhìn song song với trục ec (h) Ở amisile Oza @ trạng thái tích

điện 2- (Oøs”) (1) và (k) © điển kế khơng mang diện, (0) ở trạng thải câu hình ơn định nhất [Oi{spliÐ)], (j} ở cầu hình giá ổn định Oil[(split)*] (k) Dang hinh học

trguyên Lữ Ở điển kế định xú ở dạng oclahedral |OZ (oc0]

Tĩnh 6: So sánh phố PL của mảng 15 lép oda ZnO với ZnO pha tạp C

Tĩnh 7: Sự thay đổi mức năng lượng giữa spin up vả spin down quanh mức

Fermi cia dam điện tử linh động,

Hình 8: Ham phan bé Fermi-Dirac theo E4

1Hinh 9: Dường A4/1,17? vẽ theo /1/AM11,1)

Jlinh 10: Duong AF theo M

Hình 11: (a) Sự thay déi eda dung AF theo Af tai cdc tir trréng ngoai kháo nhau, (b) Đường biểu diễn À/ theo #7