Báo cáo thực hành vật lý hạt nhân 2

Báo cáo thực hành vật lý hạt nhân

BÀI TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU DỤNG CỤ

ĐIỆN TỬ

Câu 1: Phương pháp tạo màng bằng phún xạ Catod.

Khi động năng vượt quá 4H hì bắt đầu xẩy ra sự đánh bật và giải phóng nguyên tử khỏi bề mặt để chuyển sang pha hơi Hiện tượng này được gọi là hiện tượng phún xạ(Sputtering)

Quá trình phún xạ thường kéo theo sự dịch chuyển của các nguyên tử trên bề mặt và sự hư hỏng tạm thời hoặc vỉnh viển

Có nhiều phương pháp tạo màng khác nhau như phương pháp Epitaxi, phương pháp Planar trong đó có phương pháp phún xạ

Các hiện tượng xảy ra ở đây phụ thuộc và năng lượng bắn phá chủ yếu là động năng (do thế năng bằng 0)

Động năng của ion dùng cho quá trình tạo màng phún xạ thường nằm trong khoảng từ mức ngưởng cho tới khoảng 5Kev

Do m ion > m e-, năng lượng bắn phá m vôn: m ion = mv2/2 >m e- để đạt được mức năng lượng bắn phá lớn thì chỉ cần gia tốc vận tốc v

Cơ chế là dùng Ion bắn phá và bản cực đó là Catod (-) và ion (+) do đó bản thân nguyên tử bị bắn phá đã gia tốc nên gây ra hiện tượng phún xạ hay bay hơi (bay hơi không phải do nhiệt mà do bắn phá) Động năng bắn phá xấp xĩ mức ngưỡng 5Kev

# Hiệu suất phún xạ: Hiệu suất phún xạ được đánh giá bằng số nguyên tử được giải phóng khỏi bề mặt vật liệu đó dưới tác dụng của ion

Hiệu suất phún xạ thay đổi theo ion nhiều hơn là theo loại nguyên tử vật liệu làm bia và nó phụ thuộc vào góc tới của ion, góc tới tăng thì hiệu suất

e

-E, ion, ntử, phần tử Hạt bắn phá

ntử

Hệ này nằm trong mô hình hút chân không

Hạt bắn

phá e,

ion

(được gia

tốc

thường)

tăng theo.Đặc biệt khi năng lượng ion cao hơn thì việc tăng góc tới sẻ giới hạn sựbtăng tương tác bề mặt và do vậy hịeu suất củng được tăng lên Hiệu suất phún xạ phụ thuộc vào ion khí trở (cụ thể là Ar+), Ar cho được hiệu suất cao nhất (cột cuối của bảng tuần hoàn(7,8: cột cuối)) Do đó phải cung cấp một năng lượng lớn nhưng chỉ còn vài % năng lượng là có ích còn lại phải cung cấp cho tấm kim loại, để biến thành nhiệt Ngoài ra hiệu suất phún xạ còn phụ thuộc vào điện áp trên Catod

Đặc biệt phương pháp phún xa không dùng nhiệt vì hiệu suất phún xạ phụ thuộc rất ít vào nhiệt độ

Tóm lại hiệu suất () phún xạ phụ thuộc chủ yếu Ion đạn (hiện nay lý thuyết chưa giải thích được) góc bắn phá hay góc tán xạ (hiểu theo cơ chế của sự tán xạ)

Ta phải hút chân không để tránh sự va chạm giữa các điện tích với phân tử khí Hiện tượng này xảy ra tương tự như hiện tượng phóng điện trong khí kém (áp xuất thấp) Đối với những hạt có bức xạ cao đòi hỏi mức năng lượng trung bình nghĩa là phải nhỏ hơn những bức xạ khác

# Ngưởng phún xạ: Là năng lượng nhỏ nhất của ion bắn phá có thể gây ra hiện tượng phún xạ Mổi loại có một hiện tượng phún xạ khác nhau và ngưởng phún xạ nó liên quan đến thế năng tương tác của vật liệu vì vậy phải có ngưởng phún xạ

Câu 2: Giải thích các thành ngữ trong hiện tượng phóng điện khí kém cùng

với Ao, vùng sáng catod, vùng tối Crook

Hầu hết các thiết bị tạo màng trên co sở phún xạ đều ít nhiều có liên quan đến quá trình phóng điện khí kém có hai điện cực được nối với điện áp cap một chiều, điện cực nới với cực âm catod, điện ngược nối với cực dương anod Khi điện áp tăng quá giá trị mức ngưỡng gọi là đánh thủng Khi số lượng ion đủ lớn nó sẽ tích tụ phía trước catod, tạo ra một vùng điện tích không gian cục bộ làm cho điện trường phía trước catod tăng mạnh Và khi hiện tượng đánh thủng xuất hiện thì số luợng e- thứ cấp tạo ra ở catod đủ lớn để duy trì quá trình phóng điện suy ra gọi là quá trình phóng điện duy trì

Vùng tối crook là vùng mà có các ion dương tính tập trung nhiều, chiều dài của nó xấp xỉ với chiều dài quảng đường trung bình mà e- đi qua kể từ catod cho tới khi thực hiện va chạm ion hoá đầu tiên Do điện trường trong vùng tối crook lớn nên e- đi qua vùng này khá nhanh khi các e đi tới mép

của vùng sáng âm cực và bắt đầu tạo ra một số lượng cặp e- - ion đáng kể thì ưu thế của điện tích dương sẽ bị giảm nhanh Khi các ion dương đi tới mép của vùng tối crook (do hiệu ứnh khuyếch tán chứ không phải do tác dụng của điện trường) thì no sẽ bị hút bởi điện thế âm của catod Khi cac e

-bay tới vùng sánh âm cực thì nhận được gần như toàn bộ năng lượng của vùng sụt thế catod suy ra năng lượng này sẽ bị mất dần sau các va chạm ion hoá và kích thích Cuối cùng năng lượng e- không đủ để tạo nên ion (xảy ra tại mép của vùng sánh âm cực) do đó các e- bắt đầu tích tụ ở đó tạo

ra một vùng có điện tích không gian hơi âm suy ra đó là vùng tối thứ hai – vùng tối faraday

Ơû phần còn lại của ống phóng điện từ mép xa vùng tối faraday cho tới anod sẽ có nguồn cấp cho các e một cách ổn định và có điện trường nhỏ

Do đó sau khi khuếch tán qua vùng Faraday các e- lại được gia tốc và được mô tả bằng phương trình

d: Khoảng cách giữa hai đện cực

: số e

Hầu hết quá trình phún xạ dùng để tạo màn nằm âu trong vùng dị thường Nếu làm việc ở chế độ tiêu chuan thì mật độ dòng điện quá nhỏ để có thể phún xạ vật liệu catod (với một vận tốc đủ lớn) Ngoài ra vì sụt áp trên catod khá nhỏ nên hiệu suất phún xạ cũng nhỏ

plasma

Cato

Ano

d

+V a

Vùng tối anod

Vùng tối faraday

Vùng tối

artor

Vùng tối crook

Ioexp(d)

1 – γ [exp(exp(d)- 1]I =

Câu 3: Quá trình phún xạ điện tự duy trì phụ thuộc vào cá yếu tố.

Quá trình phóng điện yêu cầu mật độ dòng điện phải tối thiểu để tạo ra các e- thứ cấp đủ cho việc tự duy trì Nếu công suất cấp cho ống phóng điện tăng thì ống phóng điện sẽ tự điều chỉnh bằng cách tăng tiết diện vùng sáng âm cực sao cho mật điện ở vùng catod không đổi Nếu mật độ dòng điện không tăng lên thì điện áp ở vùng tối không đổi điện áp này gọi là

“sụt áp catod chuẩn" nó là giá trị tối thiểu để duy trình quá trình phóng điện Quá trình phóng điện tự duy trì còn phụ thuộc vào số lượng e- phát xạ tại catod bở các ion dương từ vùng sáng âm cực, do đó vị trí ở anod ít ảnh hưởng tới đặc tính điện ở vùng phóng điện Nếu anod dịch chuyển ngày càng gần tới anod Thì tới một lúc nào đó coat dương sẽ bị triệt tiêu và vùng tối Paraday sẽ bị biến mất

Do đó để duy trì quá trình phóng điện cần tăng điện áp cao hơn nữa nhằm tăng hệ số phát xạ e- thứ cấp để bù cho số ion dương bị giảm Còn nếu anod được đẩy tiếp vào mép của vùng tối thì không có ion được tạo ra và sẽ không có sự phóng điện tự duy trì, điều này xảy ra ngay cả khi điện áp đặt vào là rất lớn

Câu 4: vật liệu Nanomet

Cấu trúc của tinh thể nanomet có điểm gì khác so với tinh thể thông thường các đặc trưng vật lý của tinh thể nanomét có những gì khác so với tinh thể thường – giải thích

Ta thấy rằng tính chất của các vật liệu như kim loại, vật liệu từ, hợp kim cũng sẽ thay đổi nếu các tinh thể tạo nên chúng có kích thước nhỏ cở nanomet Các vật liệu đa tinh thể thường có kích thước cở các hạt tinh thể lớm hơn một m Do các hạt tinh thể trong vật liệu nanomet có kích thước nhỏ nên tỷ lệ số nguyên tử nằm trong vùng biên hạt sẽ lớn hơn rất nhiều

Do đó mà các tính chất điện, từ, cơ, nhiệt của các vật liệu tih thể nanomet sẽ khác hẳn các vật liệu đơn tinh, đa tinh hoặc vô định hình thông thường Các vật liệu tinh thể có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp trong đó có phương pháp kết rắn Dựa trên phương pháp này mà cấu trúc của tinh thể bao gồm các tinh thể thuộc thành phần tinh thể, được tạo nên bởi các nguyên tử định sứ ở các nút mạng tinh thể vá các nguyên tử thuộc thành phần biên hạt (gồm các nguyên tử nằm ở biện giữa các hạt tinh thể)

Thành phần biên hạt được coi là trạng thái rắn mới không có trật tự gần cũng như ở xa do đó trạng thái rắn này sẽ bị những tính chất lý hoá đặc

trưng riêng khác với trạng thái tinh thể hoặc vô định hình do vỉ cấu trúc biên hạt phụ thuộc vào tương quan định hướng giữa các hạt tinh thể nanomet và độ dốc nghiêng của biên Nếu các hạt tinh thể có định hướng ngẩu nhiên thì vi cấu trúc biên hạt (khoảng không gian trống của các hạt tinh thể) sẽ rất khác nhau giữa các biên hạt khác nhau

Câu 5: Công nghệ chế tạo vật liệu tinh thể nanomet có những đặc điểm

giống và khác nhau so với công nghệ vật liệu chế tạo màng mỏng như sau: Công nghệ chế tạo vật liệu tinh thể nanomet cũng được chế tạo bằng phưng pháp phún xạ nhưng phún xạ các bia đặt đối diện Hệ phún xạ catod này thì nó đơn giản hơn vì chỉ bao gồm một buồng chân không, một bia chế tạo từ vật liệu dùng để phún xạ tạo màng và một đế để lắng động màng và để nâng cao hiệu suất thì người ta đưa vào buồng phún xạ một từ trường để điều khiển chùm điện tử để nâng cao hiệu suất ion hoá phí của chùm điện tử suy ra hiệu suất cao

Trong khi đó phún xạ catod cho hiệu suất thấp (hiệu suất cao nhất khi các ion nằm ở coat cuối bảng tuần hoàn) Cơ chế của phương pháp phún xạ các bia đặt đối diện (OST) cũng giống như phún xạ catod là dùng ion để bắn phá (các ion được gia tốc trường), các ion khí mang điện tích sẻ được gia tốc trong điện trường và đập vào bia catod truyền năng lượng và bắn các nguyên tử của bia ra ngoài Đối với phương pháp (OST) này đế được nối đất hoặc treo lơ lửng có thể làm lạnh hoặc nung nóng đến một nhiệt độ nhất định tùy theo yêu cầu vật liệu màng cần chế tạo(dưới 80ok) Còn đối với phún xạ catod thì không dùng nhiệt vì hiệu suất phụ thuộc rất ít vào nhiệt độ

Câu 6: Dự đoán vật liệu tinh thể nanomet có những tính chất đặc biệt sau:

Bao gồm tính: Siêu dẻo, siêu thuận từ, siêu cứng, siêu dẩn và siêu điện môi

Các vật liệu mà được chế tạo từ các tinh thể có kích thước nhỏ cở nanomet có thể chịu được một lực kéo tương đối mà không bị phá huỷ, chiều dài của nó có thể tăng lên 100% lần mà không bị phá huỷ do đó vật liệu này có tính chất siêu dẻo(dể biến dạng) bởi vì do các hạt có kích thước cực nhỏ, nên các vật liệu có kích thước cở nanomet thường có bề mặt liên kết rất lớn và vì vậy chúng níu kéo nhau nhờ các lực liên kết bề mặt này

Vì vậy nếu giữa các có tạp chất thì tính siêu dẻo sẻ bị giảm đáng kể

Sự đống góp của năng lượng biên của các domen từ sẻ tăng lên khi kích thước hạt nhỏ đi Tuy nhiên, nếu kích thước của các hạt vật liệu càng nhỏ thì việc hình thành các biên domen sẻ không thuận lợi Khi đó ta có loại vật liệu từ với momen từ đơn độc Momen từ  không phải là momen từ của một nguyên tử mà là momen từ của một hạt đơn độc giữa hàng ngàn nguyên tử liên kết sắt từ với nhau và có giá trị rất lớn Do có sự giống và khác nhau này nên trong trạng thái cân bằng nhiệt này gọi là trạng thái siêu thuận từ

Đặc điểm của nó là các đường từ hoá đo ở các nhiệt độ khác nhau sẽ chồng lên nhau Khi nhiệt độ lớn (T> 2500k) thì đường từ hoá sẽ chồng lên nhau và các hạt ở trạng thái siêu thuận từ và ngược lại

Điện trở suất cũng như sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở suất trong các vật liệu kim loại nanamet được xác định bởi sự tán xạ của điện tử không phải chỉ ở trong lòng các hạt mà còn ơ biên Các vật liệu nanomet có điệt trở suất cao hơn rất nhiều và hệ số nhiệt điện trở cao hơn rát nhiều so với các vật liệu khác Ngoài ra các vật liệu tinh thể nanomet cũng cách điện rất tốt