Luận văn thạc sĩ Kaisone

Đề tàiChế tạo màng mỏng SrTi1-xMxO3 M = Ni, Fe bằng phương pháp bốc bay xung laser và khảo sát hình thái bề mặt bằng ảnh hiển vi lực nguyên tử Học viên: Kaisone SONTHIKHUOMMAN GVHD : PGS

BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

Đề tài

Chế tạo màng mỏng SrTi1-xMxO3 (M = Ni, Fe)

bằng phương pháp bốc bay xung laser và khảo sát hình thái bề mặt bằng ảnh hiển vi lực nguyên tử

Học viên: Kaisone SONTHIKHUOMMAN GVHD : PGS.TS Nguyễn Văn Minh

Hà Nội - 2011

Nội dung báo cáo

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Một trong các hướng nghiên cứu đang được triển khai thực hiện tại Trung tâm khoa học và công nghệ nano là chế tạo các vật liệu màng mỏng bằng phương pháp bốc bay xung laser (PLD) Việc khảo sát hình thái, mật độ phân bố hạt trên bề mặt được chúng tôi nghiên cứu thông qua ảnh AFM trên hệ NAVITAR được trang bị tại Trung tâm.

Với những lí do trên và dựa vào điều kiện trang thiết bị tại

cơ sở, tôi đã chọn đề tài: “Chế tạo màng mỏng STO bằng

phương pháp bốc bay xung laser và khảo sát hình thái bề mặt bằng ảnh hiển vi lực nguyên tử” làm luận văn của mình.

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

 Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của AFM

 Chế tạo bia SrTi1-xNixO3 và SrTi1-xFexO3 bằngphương pháp gốm

 Chế tạo màng SrTi1-xNixO3 và SrTi1-xFexO3 bằngphương pháp bốc bay xung Laser

 Khảo sát hình thái bề mặt của các màng tạo được bằngảnh AFM

TỔNG QUAN

 Kính hiển vi lực nguyên tử

Lịch sử phát triển

 AFM lần đầu tiên được phát triển vào năm 1985

 Năm 1987, T Albrecht đã lần đầu tiên phát triển AFM đạt

độ phân giải cấp độ nguyên tử

 Năm 1988, AFM chính thức được thương mại hóa bởiPark Scientific (Stanford, Mỹ)

Sơ đồ cấu tạo của AFM

Cấu tạo

Nguồn laser, gương phản xạ (mirror ), đầu thu tín hiệu

(photodiod), mũi dò (tip), cần rung (cantilever ) và bộ quét

áp điện

Nguyên tắc hoạt động của AFM

Khi mũi nhọn quét gần bề mặt

mẫu vật, sẽ xuất hiện lực

VanderWaals giữa các nguyên tử

tại bề mặt mẫu và nguyên tử tại

đầu mũi nhọn (lực nguyên tử) làm

rung thanh cantilever Lực này phụ

thuộc vào khoảng cách giữa đầu

mũi dò và bề mặt của mẫu.

Sự phụ thuộc của lực tương tác giữa đầu mũi dò

vào khoảng cách tới bề mặt mẫu

Dao động của thanh rung do lực tương tác được ghi lại nhờ

một tia laser chiếu qua bề mặt của thanh rung, dao động của

thanh rung làm thay đổi góc lệch của tia laser và được detector ghi lại Việc ghi lại lực tương tác trong quá trình thanh rung quét trên bề mặt sẽ cho hình ảnh cấu trúc bề mặt của mẫu vật.

Các chế độ ghi ảnh

 Chế độ tiếp xúc

 Chế độ không tiếp xúc

 Chế độ đánh dấu

 AFM khắc phục nhược điểm của STM, có thể chụp ảnh

bề mặt của tất cả các loại mẫu kể cả mẫu không dẫn điện

 AFM không đòi hỏi môi trường chân không cao, có thểhoạt động ngay trong môi trường bình thường

 AFM cũng có thể tiến hành các thao tác di chuyển và

xây dựng ở cấp độ từng nguyên tử, một tính năng mạnhcho công nghệ nano Đồng thời AFM cũng hoạt động màkhông đòi hỏi sự phá hủy hay có dòng điện nên còn rất

hữu ích cho các tiêu bản sinh học

Ưu điểm của AFM

Hạn chế của AFM

 AFM quét ảnh trên một diện tích hẹp (tối đa đến 150

micromet)

 Tốc độ ghi ảnh chậm do hoạt động ở chế độ quét

 Chất lượng ảnh bị ảnh hưởng bởi quá trình trễ của bộ

quét áp điện

 Đầu dò rung trên bề mặt nên kém an toàn, đồng thời

đòi hỏi mẫu có bề mặt sạch và sự chống rung

Ứng dụng của AFM

 AFM có các ứng dụng như: Chụp ảnh cắt lớp nhanh,

mô tả, phân tích, xác định đặc điểm bề mặt, kiểm soát

chất lượng, kiểm tra khuyết tật vật liệu, đo cơ học đơn

phân tử

 AFM có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: côngnghệ nano, công nghệ bán dẫn, dược phẩm, sinh học,

công nghệ vật liệu

Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp bốc bay xung laser

Nguyên lí hoạt động của hệ PLD

Sơ đồ nguyên lý bốc bay xung laser

a Sơ đồ hệ bốc bay

b Dạng xung laser

c Hình thành vùng sáng elip và xuyên sâu vào bia của chùm tia laser

Ưu điểm của phương pháp PLD

Phương pháp bốc bay laser có nhiều ưu điểm vượt trội

so với các phương pháp khác là vật liệu để làm bia rất đadạng và cấu trúc của bia lại rất đơn giản: vật liệu bia cóthể đơn chất hoặc hợp chất, một hoặc nhiều thành phần;bia có thể là vật liệu bột, vật liệu đa hoặc đơn tinh thể,viên ép sau khi đã tổng hợp thiêu kết Năng suất bốc bay(số nguyên tử lắng đọng trên một photon) là đại lượng rấtnhạy với hình thái học bề mặt bia

THỰC NGHIỆM

 Chế tạo mẫu

 Mẫu khối SrTi 1-x Ni x O 3 và SrTi 1-x Fe x O 3

Quy trình chế tạo mẫu:

Cân các hoá chất theo đúng hợp phần

 Chế tạo mẫu màng SrTi1-xNixO3 và SrTi1-xFexO3

• Chế tạo bia của hệ mẫu SrTi 1-x Ni x O 3 và SrTi 1-x Fe x O 3

Quy trình chế tạo bia SrTi 1-x Ni x O 3 và SrTi 1-x Fe x O 3

Cân hoá chất theo đúng thành phần

Nghiền trộn hỗn hợp hoá chất trong

dung môi êtannol trong 4giờ/mẫu

Ép viên và nung sơ bộ lần 1ở 600 o C (thời

gian 6 giờ )

Nghiền trộn hỗn hợp hoá chất trong dung

môi êtannol trong 4giờ/mẫu

2 Nguồn Laser 4 Tủ điều khiển

Phép đo nhiễu xạ tia X

Sơ đồ nguyên lý nhiễu xạ tia X.

Hệ AFM NAVITAR

Hiển vi lực nguyên tử (AFM)

 Kết quả chế tạo mẫu khối SrTi 1-x Ni x O 3 và SrTi 1-x Fe x O 3

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chúng tôi đã chế tạo được các mẫu khối với nồng độ thay thế khác nhau (x = 0.0 -> 0.5) Các viên mẫu khối này sẽ được dùng làm bia để bốc bay laser chế tạo các màng mỏng

Kết quả chế tạo mẫu khối

SrTi1-xNixO3

Kết quả chế tạo mẫu khối

SrTi1-xFexO3

Tính chất cấu trúc

Cấu trúc perovskite SrTiO 3 lý

tưởng ở nhiệt độ phòng.

Tại nhiệt độ phòng, vật liệu

STO có cấu trúc lập phương,

thuộc nhóm không gian tinh

thể học Pm3m (O1h)

Các đỉnh nhiễu xạ xuất hiện tại các vị trí tương ứng

với góc 2θ vào khoảng: 22.50 , 25.40 , 32.080 , 40.10 và

660 Kết quả tính toán và đối chiếu với thể chuẩn cho

thấy, các mẫu này đều có cấu trúc lập phương

Hằng số mạng của các mẫu

Mẫu (nồng độ hay thế)

Kết quả tính toán đã chỉ ra, khi nồng độ thay thế tăng thì hằng

số mạng của tinh thể giảm, chứng tỏ nồng độ thay thế đã ảnh hưởng lên kích thước và cấu trúc của tinh thể Điều này có thể do

sự khác nhau về bán kính ion của Ni thay thế cho Ti và ion của

Fe nhỏ hơn của Ti.

Khảo sát bề mặt hệ mẫu SrTi 1-x Fe x O 3

Ảnh AFM của mẫu STO tinh khiết nung ở 1000 o C

trong 1h

Ảnh hiển vi lực nguyên tử của hệ mẫu chế tạo theo phương

pháp bốc bay xung laser

Ảnh AFM bề mặt màng mỏng của hệ

SrTi 1-x Fe x O 3 với x = 0,0

Ở Mẫu tinh khiết x = 0.0 ta quan sát thấy các hạt hình que,

khi nồng độ thay thế tăng, ảnh bề mặt cho thấy xuất hiện các hạt hình cầu, số hạt hình que giảm dần kết quả này cho phép ta dự

đoán các hạt Fe hình cầu có mật độ tăng dần trên bề mặt mẫu khi nồng độ thay thế tăng.

Ảnh AFM bề mặt màng mỏng của hệ

SrTi 1-x Fe x O 3 với x = 0,1

KẾT LUẬN

1 Chúng tôi đã tìm hiểu nguyên lý hoạt động, các phương pháp ghi ảnh và bước đầu sử dụng hệ AFM được trang bị tại Trung tâm khoa học và công nghệ Nano để nghiên cứu vi cấu trúc và hình thái bề mặt các mẫu.

2 Chúng tôi đã tìm hiểu quy trình và vận hành được hệ bốc bay xung laser để chế tạo các màng mỏng bằng phương pháp PLD.

3 Chúng tôi đã chế tạo được các mẫu khối SrTi1-xNixO3 và SrTi1-xFexO3

với x = 0,0 ÷ 0,5 có chất lượng bảo đảm, đồng thời sử dụng các mẫu khối này làm bia để chế tạo các màng mỏng SrTi1-xNixO3

và SrTi1-xFexO3 bằng phương pháp bốc bay xung Laser với hệ

Laser ASX – 750.

4 Kết quả nhiễu xạ tia X cho thấy, các mẫu đều có cấu trúc lập

phương với nhóm không gian Pm3m, hằng số mạng cỡ 0,38 

0,39 nm Khi thay thế Ni hoặc Fe cho Ti, hằng số mạng giảm khi nồng độ thay thế tăng.

5 Chúng tôi đã ghi được ảnh AFM của các mẫu màng, từ đó đưa

ra các bàn thảo về hình thái bề mặt và hình dạng các hạt phân

vô cùng quý báu của bản thân tôi trong giảng dạy và nghiên

cứu khoa học trên quê hương, đất nước mình sau này.

KẾT LUẬN

Em xin chân thành cảm ơn !