Màng mỏng ZnO trên đế Si có lớp Ti đệm

Màng mỏng ZnO trên đế Si có lớp Ti đệm

MỤC LỤC

TRANG

Chương I – Tổng quan

1.1.Màng mỏng ZnO trên đế Si có lớp Ti đệm

1.1.1.Giới thiệu

1.1.2.Tác dụng đệm của Ti lên màng ZnO trên Si

1.1.3.Ứng dụng

1.1.4.Ưu điểm của ZnO

1.2.Tạo màng bằng phương pháp phún xạ MAGNETRON DC

1.2.1.Cơ chế vật lí của phún xạ

1.2.2.Hiệu suất phún xạ

1.2.3.Cấu tạo hệ phún xạ

1.2.4.Kĩ thuật phún xạ

1.2.5.Đặt trưng của phún xạ

1.3.Quá trình tạo bia gốm ZnO

1.4.Phép đo hall xác định đặt tính điện

1.5.Phương pháp bốn đấu dò xác định đặt tính điện

1.6.Tính chất điện

1.7.Đặt tính quang

1.8 Cấu trúc ZnO

Chương II – Thực nghiệm và kết quả bàn luận 2.1.Chế tạo bia gốm ZnO

2.1.1.Chuẩn bị vật liệu bột Oxit

2.1.2.Nghiền trộn bột Oxit

2.1.3.Định hình bia ZnO

2.1.4.Nung bia ZnO

2.2.Bia kim loại Ti

Luận văn tốt nghiệp Đại học

2

2.3.Làm sạch lam thủy tinh và Silic

2.4.Các bước trong quá trình phún xạ

2.5.Môi trường chế tạo màng mỏng ZnO/Si và ZnO/Ti/Si

2.6.Kết quả và thảo luận

2.6.1.Chế tạo màng ZnO trên đế thủy tinh

2.6.2.Chế tạo màng ZnO trên đế Si (111) và (100)

2.6.3.Chế tạo màng ZnO trên đế silic có lớp đệm Ti

Chương III – Kết luận – hướng phát triển Tài liệu tham khảo

Phụ lục

hệ đời mới (LDs).

Màng ZnO được tạo ra trên những đế khác nhau, như là: Ngọc bích (sapphire),

Si, ScAlMgO4, GaAs, CaF và SiO2 cho đến bây giờ đế sapphire được dùng phổ biến nhất.Tuy nhiên do dộ dẫn nhiệt kém, khó cắt ra mành nhỏ và giá thành cao, nên đế sapphire có vẻ không thích hợp để phủ ZnO cho ứng dụng công nghiệp Từ quan điểm này, Si thích hợp hơn cho việc thay thế, vì giá rẻ và độ dẫn nhiệt tuyệt vời, độ kết tinh cao, có thể có kích thước lớn được Tuy nhiên ZnO phủ lên Si là một kỹ thuật khó do

bề mặt Si dễ bị Oxi hóa trong suốt quá trình phủ màng Sự Oxi hóa bề mặt Si hình thành một lớp SiOx vô định hình, lớp này làm giảm chất lượng của màng ZnO phủ trên đế Si

Do đó, Một vài lớp đệm như: Zn, Al, Ru, AlN, MgO, CaF2, ZnS, và GaN, đã được đưa vào để ngăn ngừa bề mặt chất nền Si khổi bị Oxi hóa trong quá trình phủ màng ZnO Trong những loại lớp đệm, chú ý rằng còn một vài lớp kim loại, như là: Zn, Al, Ru được dùng để làm lớp nền rất tốt

Trong bài nghiên cứu này của chúng tôi, lớp kim loại mỏng Ti được đưa vào làm lớp đệm kim loại mới cho sự phủ màng mỏng ZnO trên đế Si Yếu tố tác đông để dùng

Ti làm lớp đệm ban đầu, là do nó có điện trở hóa học cao Điểm nóng chảy cao (1668Co) và có cùng cấu trúc lục giác xiếc chặt (HCP) như của ZnO Ngoài ra, sự lệch mạng giữa Ti và ZnO là 10%, nhỏ hơn sự lệch mạng giữa Si và ZnO (15%) và do đó sẽ giảm tác động của sự lệch mạng

Trong công trình này, màng mỏng ZnO định hướng mạnh theo trục c được phủ lên lớp nền Si (111) bằng cách đưa vào lớp mỏng Ti làm lớp đệm ban đầu cho sự lắng động phún xạ Magnetron DC So sánh với màng mỏng ZnO phủ lên đế Si (111) mà không có lớp đệm Ti, cấu trúc và tính chất quang học của màng mỏng ZnO phủ trên Ti/Si (111) cho ta được mẫu cải tiến, có tính chất tốt hơn

1.1.2.Tác dụng đệm của Ti lên màng ZnO trên Si.

Lớp Ti mỏng được dùng làm lớp đệm để bảo vệ bề mặt Si (111 ) khổi bị Oxi

hóa và sự sai mạng giữa chất nền Si và màng mỏng ZnO Tác động của lớp mỏng Ti lên chất lượng màng mỏng ZnO được nghiên cứu đánh giá bởi phương pháp: Khúc xạ tia X (XRD) Đã có nhiều công trình nghiên cứu trường hợp này

Luận văn tốt nghiệp Đại học

4

ZnO phủ lên Si là một kỹ thuật khó do bề mặt Si dễ bị Oxi hóa trong suốt quá trình phủ màng Sự Oxi hóa bề mặt Si hình thành một lớp SiOx vô định hình, lớp này làm giảm chất lượng của màng ZnO phủ trên đế Si Trong bài nghiên cứu này, lớp kim loại mỏng Ti được đưa vào làm lớp đệm kim loại mới cho sự phủ màng mỏng ZnO trên

đế Si Yếu tố tác động để dùng Ti làm lớp đệm ban đầu, là do nó có điện trở hóa học cao Điểm nóng chảy cao (1668Co) và có cùng cấu trúc lục giác xiếc chặt (HCP) như của ZnO Ngoài ra, sự lệch mạng giữa Ti và ZnO là 10%,nhỏ hơn sự lệch mạng giữa Si

và ZnO (15%) và do đó sẽ giảm tác động của sự lệch mạng

1.1.3.Ứng dụng.

Xa hơn, ZnO đã được xem xét như một vật liệu đầy hứa hẹn cho nhiều ứng dụng khác nhau như là pin mặt trời, những sensors khí, máy tạo dao động siêu âm và máy chuyển đổi năng lượng Màng mỏng ZnO là vật liệu được biết là tốt được dùng cho kích thích áp điện và tách dao động của thiết bị cộng hưởng ZnO là một vật liệu thú vị trong ứng dụng bởi vì nó kết hợp hệ số máy năng lượng cao với IC-based quá trình dao động Ứng dụng đặc biệt là máy đầu dò micro, dùng để đo độ lớn như là : Lực, áp suất

và gia tốc Có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng màng ZnO

1.1.4.Ưu điểm của ZnO.

ZnO được chú ý bởi nó chứa đựng rất nhiền ưu điểm:

-Là hợp chất có nhiều trong tự nhiên và rẻ tiền hơn so với các vật liệu khác như: GaAs, ITO, In

-Không độc hại, trong khi đó một số loại màng gây hại cho sức khỏe như: Màng Cd

-Dể gia công sản xuất bằng kĩ thuật phún xạ, một kĩ thuật khá phổ biến hiện nay.-Có khả năng hấp thụ tia tử ngoại

1.2.Tạo màng bằng phương pháp phún xạ MAGNETRON DC.

1.2.1.Cơ chế vật lí của phún xạ.

- Phún xạ là hiện tượng mà những nguyên tử bị bức ra khỏi bề mặt của một vật liệu bất

kì khi nó bị bắn phá bởi những ion

-Có hai loại phún xạ: Phún xạ phản ứng và phún xạ không phản ứng

+Phún xạ không phản ứng là: Các ion bắn phá vào vật liệu bia là những ion khí trơ, do đó trong lúc chuyển động đập vào bia nó không phản ứng với bia

Vd: Màng Al, Cu, Ag trong môi trường phún xạ là khí trơ, với bia kim loại tương ứng, ion bắn phá là ion khí trơ

+Phún xạ phản ứng là: Các ion bắn phá vào vật liệu bia có phản ứng với bia tạo hợp chất.

Vd: Màng Al2O3, ZnO, TiO2 với bia kim loại tương ứng, ion bắn phá tạo phản ứng là ion Oxi

Hình 1: Cơ chế vật lí của sự phún xạ.

Hình2:

Những hạt phún xạ.

Luận văn tốt nghiệp Đại học

-Độ xuyên sâu của những ion

+Độ xuyên sâu của những ion phụ thuộc vào:

•Năng lượng của những ion

•Góc tới của ion

•Khối lượng của ion so với khối lượng của nguyên tử,phân tử bia

Độ xuyên sâu trung bình của ion khoảng 10 - 40 nm

Hình 4: Mô tả quá trình xuyên sâu của ion.

+Góc tới

Hình 5: Biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất phún xạ vào năng lượng ion Ar.

Luận văn tốt nghiệp Đại học

8

Hình 6: Biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất vào năng lượng tới của ion bắn bia.

Hình 7: Sự phụ thuộc của hiệu suất vào góc tới của ion tới.

Tỉ lệ hiệu suất (

0

Y Y

α

) cao nhất ở khoảng 720

1.2.3.Cấu tạo hệ phún xạ.

-Hệ Magnetron bao gồm:

+Bản cathode: Dùng làm nguồn điện tử

+Bản anode: Nơi thu nhận điện tử

+Kết hợp với điện từ trường vuông góc nhau

Hình 8: Mô tả điện trường và từ trường vuông góc trong hệ Magnetron.

Một số loại hệ Magnetron thông thường Các loại này thường có bên trong lò Viba

Luận văn tốt nghiệp Đại học

10

Hình 9: Một số hệ Magnetron thông dụng.

Hình 10: Sơ đồ hệ phún xạ MAGNETRON

-Vật liệu cần phủ hay vật liệu màng (bia): Dùng để phún xạ được gắn chặt với một bản giải nhiệt (bàn này được áp điện thế vào) Toàn bộ bia, bản giải nhiệt  là cathode Cathode được cách điện với đất

-Từ trường do một vòng nam châm bên ngoài bao quanh và đối cực với một lỗi nam châm ở giữa Chúng được nối từ với nhau bằng một tấm sắt (việc nối từ có tác dụng khép kín đường sức từ phía dưới)

-Bằng cách bố trí thích hợp vị trí giữa các nam châm  tạo ra các giá trị khác nhau của cường độ từ trường trên bề mặt bia

-Vật liệu được phủ (đế): Được nối đất (áp điện thế dương)

Hình 11: Sơ đồ minh họa của hệ phún xạ magnetron.

Luận văn tốt nghiệp Đại học

+Những điện tử và ion tạo thành thác lũ điện tử, những ion đập vào Kathode và giải phóng các điện tử thứ cấp, các điện tử này được gia tốc trong điện trường đồng thời

bị tác động của từ trường ngang, từ trường này sẽ giữ điện tử ở gần cathode theo quỹ đạo xoắn trôn ốc Nhờ vậy chiều dài quãng đường đi của điện tử đã được tăng lên nhiều lần trước khi nó đến anode

+Trong quá trình chuyển động của điện tử, điện tử sẽ va chạm với các nguyên tử khí và sinh ra những ion (sự ion hóa) Các ion này được gia tốc đến Kathode và làm phát xạ ra những điện tử thứ cấp Như vậy, nồng độ điện tử tăng, khi số điện tử được sản sinh bằng với số điện tử mất đi do quá trình tái hợp, lúc đó phóng điện tự duy trì Lúc này khí phát sáng trên bề mặt bia, thế phóng điện giảm và dòng tăng nhanh Những điện tử năng lượng cao sinh ra nhiều ion và những ion năng lượng cao đập vào Kathode làm phún xạ vật liệu bia và bức xạ các điện tử thứ cấp để tiếp tục duy trì phóng điện Lúc này khi tăng thế rất nhỏ dòng sẽ tăng đáng kể

Sự ion hóa diễn ra trong điện từ trường vuông góc nhau tạo thành Plasma

+Plasma là đám gồm ion dương và những điện tử tạo thành trạng thái gần như trung hòa về điện.

+Vùng Plasma hình thành trong điện từ trường vuông góc nhau

+Với những ứng dụng tạo màng trong môi trường Plasma, ion dương được sinh

ra bởi quá trình va chạm giữa các hạt trung hòa và những điện tử mang năng lượng

+Những điện tử trong môi trường Plasma có độ linh động rất lớn Điều khiển các điện tử có độ linh động lớn này chính là đang điều khiển được Plasma

Hình 13: Bài toán tìm phương trình chuyển động của điện tử trong điện từ trường

vuông góc nhau.

Luận văn tốt nghiệp Đại học

,

e e

a) Chân không được tạo bởi 2 loại bơm

-Bơm sơ cấp (bơm rote,bơm quay dầu)

-Bơm turbo (bơm khuyếch tán)

Ngưỡng phún xạ phụ thuộc rất ít vào khối lượng ion, nhưng lại phụ thuộc vào bản chất của từng loại bia kim loại.

Ngưỡng phún xạ nói chung nằm trong khoảng 10eV đến 30eV

b) Hệ số phún xạ:

Sự phún xạ được đặt trưng bởi hệ số phún xạ s, là tỉ số giữa số nguyên tử

bị phún xạ na với số ion ni đập vào bế mặt cathode, tính trong cùng một khoảng thời gian

a i

n s n

Luận văn tốt nghiệp Đại học

16

i

It n e

Từ đó ta có :

a i

s It

∆

s s e

µ

Thì hệ số phún xạ s hay s’ phụ thuộc vào bản chất của vật liệu phún xạ, loại ion và năng lượng của ion oanh tạc lên bia, gốc đập ion lên bế mặt cathode

và phụ thuộc vào áp suất khí làm việc

c) Sự phân bố theo góc của các hạt phún xạ:

Theo năng lượng bắn phá của các ion mà các hạt phún xạ sẽ phân bố theo các góc khác nhau Khi năng lượng ion càng lớn thì sự phân bố góc của các hạt phún xạ càng gần với định luật cosin

d) Năng lượng hạt phún xạ:

Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của màng mỏng được chế tạo bằng phương pháp phún xạ là năng lượng của các nguyên tử được phún

xạ Một số công trình cho thấy, hàm phân bố theo năng lượng của các hạt phún

xạ có cực đại trong khoảng từ 1-2eV và trải rộng đến hàng trăm eV

Áp suất khí cũng ảnh hưởng đến năng lượng phún xạ Ở áp suất cao, tần

số va chạm giữa các nguyên tử được phún xạ với các nguyên tử khí gia tăng, làm giảm đáng kể năng lượng của dòng hơi tạo màng

e) Vận tốc phún xạ:

tronng vùng năng lượng thường sử dụng trong phún xạ (200-400V), vận tốc phún xạ tăng chậm theo năng lượng của các ion, nhưng tăng rất nhanh theo mật độ dòng xác định số ion bắn phá bia Vận tốc phún xạ khoảng 5.10-4gcm-2s-1

nó nhỏ so với vận tốc bốc bay (10-2gcm-2s-1) đạt được nhờ một thiết bị bốc bay chùm điện tử

Theo Gurmin vận tốc phún xạ trong trường hợp ion có năng lượng từ thấp

dN l S

S: Hiệu suất phóng xạ m2 : Khối lượng ion

I : Dòng ion E : Năng lượng ionE: Điện tích của điện tử E0 : Nhiệt thăng hoa

γ : Hàm của m1/m2 β : Hệ số tỉ lệV: Điện áp m1 : Khối lượng của nguyên tử bia

1.3 Quá trình chế tạo bia gốm ZnO.

Quá trình chế tạo bia gốm gồm có 3 giai đoạn :

+ Chuẩn bị vật liệu: Trộn, nghiền, rây

+Định hình vật liệu: Ép bột kim loại  thành hình tròn hoặc hình vuông

Hình 14: Sản phẩm bia ZnO sau khi hoàn thành.

+Cuối cùng là nung: Kết khối vật liệu

Trong quá trình chế tạo bia gốm thì quá trình nung (quá trình kết khối ) là quá trình quang trọng nhất, quyết định tính chất bia phún xạ Quá trình kết khối là quá trình rắn chắc lại của các phân tử dạng bột dưới tác dụng của nhiệt hoặc áp suất Vật liệu kết khối có cường độ cơ học cao, độ xốp và khả năng hút nước thấp, mật độ thể tích lớn Hiện tượng kết khối bao gồm nhiều quá trình hóa lý rất phứ tạp xảy ra kế tiếp nhau, không thể tách riêng từng quá trình Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết khối: Thành phần hóa học, khoáng vật, trạng thái bề mặt riêng, điều kiện nung Trong đó

Luận văn tốt nghiệp Đại học

18

điều kiện nung là quang trọng nhất Vế mặt hóa học vật thể kết khối hoàn toàn khác với trước khi nung Hiện tượng kết khối chỉ xảy ra ở trang thái rắn (dạng Oxit tinh khiết) Nói chung sản phẩm muốn kết khối trong điều kiện thông thường phải nung đến nhiệt

độ không nhỏ hơn 0.8Tnc (Tnc: Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu)

Những dấu hiệu đặt trưng của sản phẩm đã kết khối: Giảm thể tích, sản phẩm rắn chắc lại (độ bền cơ tăng)

Khoảng kết khối: Hiệu số nhiệt kết thúc quá trình và nhiệt độ bắt đầu kết khối Nhiệt độ bắt đầu kết khối là nhiệt độ ứng với nó, các tính chất bắt đầu thay đổi đột ngột Nhiệt độ kết thúc quá trình kết khối là nhiệt độ, ở đó các tính chất của sản phẩm nung bắt đầu đạt cực đại hay cực tiểu Các tính chất mô tả cấu trúc của sản phẩm nung:

Độ xốp, mật độ và khả năng hút nước Cũng có những trường hợp độ bền cơ cũng được dùng để xem xét quá trình kết khối của sản phẩm Trong các tính chất này khả năng hút nước thường được coi là tiêu chuẩn đầu tiên để so sánh mức độ so sánh của sản phẩm nung Trong kĩ thuật nung, khoảng kết khối có ý nghĩa đặt biệt Khoảng kết khối rộng thì quá trình nung dễ dàng hơn (đối với đất sét và cao lanh có thể hàng trăm độ), ngược lại khoảng kết khối hẹp khó nung (sản phẩm chứa SiO2 khoảng kết khối chỉ 10-150C) Khoảng kết khối có thể tính toán khi biết thành phần hóa học hoặc xác định bằng thực nghiệm khi nghiên cứu mẫu nhỏ bằng phương pháp DTA (Differntial Thermal Analysis) hoặc TGA (Thermal Gravimetric Analysis)

Có một vài lý thuyết về kết khối, nhưng lý thuyết khuếch tán đã được chấp nhận

và sử dụng rãi nhất Lý thuyết này cho rằng, kết khối là cơ chế kết tụ của các hạt khi tiếp xúc Trước khi kết khối, nơi đó đã tập hợp các “Ốc đảo” có kích thước khác nhau,

và sau đó các “Ốc đảo” lớn hơn sẽ tăng trưởng bằng cách “nuốt” các ốc đảo nhỏ hơn

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung:

-Thành phần hóa học: Lý thuyết và thự nghiệm đều cho rằng thành phần hóa học của sản phẩm là yếu tố chủ yếu quyết định nhiệt độ và khoảng kết khối

-Kích thước và thành phần hạt: Kích thước và thành phần hạt chẳn những có tác dụng đến việc sắp xếp các hạt trong sản phẩm lúc mới tạo hình mà còn là nhân tố khá quan trọng ảnh hưởng đến quá trình kết khối Kích thước hạt càng bé, sản phẩm càng kết khối tốt

-Mật độ của sản phẩm: Độ sít chặt của sản phẩm có ảnh hưởng đến quá trình kết khối Mật độ càng cao, kết khối càng thuận lợi

-Nhiệt độ nung cực đại và thời gian lưu: Nhiệt độ nung cực đại và thời gian lưu

là yếu tố rất cơ bản, có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng sản phẩm nung và chính

do thành phần hóa học của sản phẩm quyết định

-Thời gian lưu sản phẩm ở nhiệt độ nung cực đại ngắn hay dài quá đều có ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm Với sản phẩm có khoảng kết khối hẹp, nên nung ở