Đề tài " Màng mỏng dẫn điện trong suốt ZnO:Al " pptx

Màng mỏng dẫn điện trong suốt Nghiên cứu đầu tiên về màng mỏng dẫn điện trong suốt transparent conducting oxide - TCO bắt đầu từ năm 1907, khi Badeker phát hiện ra các màng mỏng kim lo

Màng mỏng dẫn điện trong

suốt ZnO:Al

Học viên: Nguyễn Đức Hảo

Màng mỏng dẫn điện trong suốt

 Nghiên cứu đầu tiên về màng mỏng dẫn điện trong suốt

(transparent conducting oxide - TCO) bắt đầu từ năm 1907, khi Badeker phát hiện ra các màng mỏng kim loại Cd được

tráng phủ trong buồng phát sáng cĩ thể bị ơxy hố trở thànhtrong suốt trong khi vẫn dẫn điện [1]

 Kể từ đĩ, danh sách các vật liệu TCO tiềm năng đã được mở rộng: ZnO:Al, GdInOx, SnO2 , In2O3 pha tạp F …

 Hiện nay, một trong những loại TCO được sủ dụng rộng rãinhất cho các ứng dụng thiết bị quang điện tử là oxide kẽm phatạp nhơm (Aluminum-doped zinc oxide – ZnO:Al) Đây là mộtloại vật liệu dồi dào, giá rẻ, cĩ khả năng dẫn điện tốt và đợ

trong suốt cao, kết hợp với tính ổn định mơi trường

Definition of TCO:

 A thin film is Transparent to visible light (220

-1100 nm) and conducting to electricity is called a

Transparent Conductor

 The basic Electromagnetic Theory does not permit a material to be both conducting and transparent

simultaneously!!

 For example : Copper or Silver cannot be transparent

 NaCl, CaF2, , In2O3, TiO2 cannot conduct !

The basic Physics of TCO Films:

 Maxwells Equations demand that NO

visible light) and Conducting (to electricity)

So How to get a Transparent Conductor??

The Materials Scientist has the Answer:

 All Metal Oxides are Transparent

 All Metals are conducting

 Mix a metal Oxide and a Metal !!

Modify a transparent material for electrical conduction

Metal Oxides have a large Optical Band Gap

 They are all insulators

 They are all stable inorganic materials

If Oxygen is NOT Sufficient ??

 It forms a NON Stoichiometric Metal Oxide film

 The metal ions are not balanced in valence

 Each metal has excess electrons

 These electrons are available for conduction

 Charge Neutrality condition MUST be satisfied :Over all, the Oxygen vacancies (+vely charged) balance the charge neutrality

The TCO Thin films are

 Wide band gap materials

Basic Properties:

 N - type, Degenerate direct band gap semiconductors

 Eg = 3.0 - 4.1 eV

 Electron concentration ~ 1018 - 1021 /cc

 Infra red reflectors (metallic property)

 Radiation resistance to ,, radiations

 Surface resistivity is very senstive to Oxygen or oxygen related species : alcohol

 Good adherence to many types of substrates : glass,

plastic, polycarbonates, etc.

Các loại vật liệu chế tạo màng mỏng dẫn điện trong suốt

 Các màng mỏng oxide dẫn điện trong suốt gồm hai cấu tử như ZnO, SnO2 và In2O3

 Các màng pha tạp như ZnO pha tạp Al (ZnO dopped

Al – ZnO:Al), SnO hay Sb (SnO2:F hay SnO2:Sb),

In2O3 pha tạp Sn (indium tin oxide - ITO), ZnO:Al và ZnO:Ga…

 Hợp chất ba cấu tử như Zn2SnO4, MgIn2O4,

CdSb2O6:Y, ZnSnO3, GaInO3, Zn2In2O5 và

In4Sn3O12 và các oxide đa cấu tử khác.

Applications of TCO thin films:

 Passive Coatings:

 Transparent electrodes (LCD, Flat Panel Displays and Plasma Displays)

 Ohmic contacts and optical couplers in Solar cells

 Oxygen and alcoholic sensors

 Infra red reflectors (Heat Mirrors) / Energy Efficient Windows

 Nuclear reactor Windows

 Optical coatings on lenses and filters

 Space Technology (Satellite communication) :

 Electro Static Discharge

Các ứng dụng hiện nay của màng TCO

Diode phát sáng hữu cơ (Organic Light Emitting Diode – OLED)

 Màng mỏng ZnO:Al trong ứng dụng này yêu cầu có độ truyền qua cao (> 90%) trong vùng ánh sáng khả kiến và điện trở thấp (1 – 3 x 10-4 Ώcm)

 Yêu cầu phụ là độ đồng đều cao (± 5%)

Pin mặt trời

Cửa sổ điện sắc (Electrochromic - EC)

Các phương pháp chế tạo màng TCO

Các phương pháp đánh giá cấu trúc và tính chất của màng mỏng TCO

 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

2d sin θ = nλ

Phương pháp đánh giá tính chất quang của màng TCO

 Amorphous InGaZnO4 Transparent Oxide Semiconductor

 Deposited by pulsed laser deposition at RT

 Bandgap = 3.1eV, hall = 15cm 2 /Vs

Transparent Conducting Oxide

Phương pháp đánh giá tính chất quang của màng TCO

Phương pháp đo đặc tính điện của màng TCO

Màng dẫn điện trong suốt ZnO:Al chế tạo bằng phương pháp sol-gel của một số tác giả trên thế giới [8,9,10]

CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA MÀNG MỎNG ZnO:Al

ZnO là bán dẫn loại n có độ rộng vùng cấm lớn (direct wide

band gap), Eg=3,37eV ở nhiệt độ phòng Pha tạp Al, Ga, In

cải thiện được tính chất điện của ZnO

Oxide kẽm pha tạp nhôm ZnO:Al

không phải là hỗn hợp rắn của

oxide kẽm và oxide nhôm, nghĩa

là một oxide không hợp thức

(non stoechiometrique) với công

thức là ZnO:Al (với hàm lượng

Al thay đổi theo điều kiện chế

tạo), chúng là oxide kẽm được

pha tạp nhôm

Al3+ thay thế Zn2+ hoạt động như một donor loại n

 Nồng độ hạt tải dao động trong khoảng 1019 đến

1021.cm-3 và độ linh động Hall trong khoảng từ 0,5 đến 30 cm2V-1s-1 Nồng độ hạt tải và độ linh động thay đổi dẫn đến sự thay đổi độ dẫn điện

Tính chất quang

 ZnO là bán dẫn có độ rộng vùng cấm tương đối

lớn (3,3 – 4 eV) và có độ truyền qua cao (>80%) trong vùng ánh sáng khả kiến (0,4 < λ < 0,8 µm) Độ truyền qua giảm mạnh khi λ < 0,4 µm do sự hấp thụ riêng của bán dẫn Tăng hàm lượng pha tạp Al gây nên sự tăng phản xạ đồng thời giảm độ truyền qua trong vùng hồng ngoại

Sự tạo sai hỏng trong tinh thể chất bán dẫn ZnO

 Sai hỏng điểm trong cấu trúc (point defects): 2 dạng

 -Sai hỏng Frenkel: nguyên tử dời khỏi nút mạng và xen lẫngiữa mạng, để lại nút khuyết tại vị trí nút mạng (không cónguyên tử)

 -Sai hỏng Schottky: nguyên tử dời khỏi mạng tinh thể, để lại nút khuyết ở nút mạng

Khi T>0K,

luôn tồn tạisai hỏng điểmtrong các tinhthể thực!!!

Sai hỏng điện tử, sự tạo vật liệu bán dẫn

 Khi pha tạp Al vào mạng tinh thể ZnO, các ion dương Al3+ và

Zn2+ có bán kính ion gần bằng nhau (0.53 và 0.72 tương

ứng), do đó ion Al3+ dễ dàng sát nhập mạng lưới ZnO bằng

cách thay thế ion Zn2+ mà không phân biệt được trong cấu trúccủa đơn vị cấu thành Kết quả của việc thay thế Zn bằng Al cũng có tính chất quyết định trong việc ngăn cản sự hình thànhdung dịch rắn (VD: Al2O3 - ZnO) hoặc trộn lẫn các thành phầnvới ôxy làm ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật liệu:

Al + Zn •• →Al Zn • →Al Zn +e

 Như thế, mỗi ion Al3+ khi thay thế vào vị trí của Zn2+ trong

mạng tinh thế ZnO sẽ cho một electron tự do, làm tăng nồngđộ electron do đó làm tăng độ dẫn điện của vật liệu

Mở rộng vùng cấm, hiệu ứng Burstein

Moss-Nguyên nhân: sự gia

tăng nồng độ hạt tải

trong màng ZnO pha

tạp Al

1 Thin-Film deposition of 300+ meter rolls

4 System Integration and Marketing

Global Solar’s CIGS PV

CHARGING FIELD BATTERIES

FOR SINCGARS (PRC-119) and VARIOUS

OTHER FIELD EQUIPMENT

• Rechargeables like the BB390 replaces the BA5590, a widely used

power source

FUEL-FREE, PORTABLE ENERGY FOR PORTABLE COMPUTERS

• Enables extended Battery Life, OR

• Recharges Replacement Batteries

PORTABLE, 24-HOUR, SUSTAINED

ENERGY SUPPLY

“Solar-Charged, Portable

Battery/Inverter supports 12VDC and 120VAC loads”

ANTI-GLARE AND

CAMOUFLAGE SURFACES

SURVIVABILITY INCREASE

•10X Lower Spectral Reflection

•Shading, Color-Blend Increased

SOLARIZED PORTABLE WATER PURIFIER

TACS SOLAR ARRAY DEPLOYMENT

VERSATILITY OF TACS

SOLAR ARRAY DEPLOYMENT

Tall Grass and Weeds

Any Open Area

Woodland Environment

SOLARIZED TEMPER TENT

Transportable

Expandable

Modular

PERsonnel Tent

Springerville Generating Station

 Springerville, Arizona USA

Solar Home Systems

Domestic Grid Connected

Building Integrated PV (BIPV)

West Oxfordshire District Council Offices, UK

The Welsh Optics Centre

Other BIPV Systems

Large Field Arrays

Record 14% Efficiency for Flexible CIGS Solar Cells on Plastic

-200 0 200 400 600 800

-30 -20 -10 0 10 20

30

Voc=765 mV

Jsc=20.9 mA/cm2FF=71%

Flexible cell on Upilex (11.4%)

That’s all.

 Thanks for listening!