Chế tạo và khảo sát tổ hợp cấu trúc màng Màng NANO ZnO trên màng dẫn điện trong suốt ZnO pha tạp In

Tuy nhiên, hiện nay hiệu suất chuyển đổi năng lượng của loại pin mặt trời này chưa cao cỡ11% và nó lại phụ thuộc rất nhiều vào khả năng hấp thụ quang học của chất nhạy màu cũng như khả n

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Thị Khánh Vân

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TỔ HỢP CẤU TRÚC MÀNG: MÀNG NANO ZnO TRÊN MÀNG DẪN ĐIỆN

TRONG SUỐT ZnO PHA TẠP In

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 3

TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI VÀ VẬT LIỆU NANO ZnO 3

1.1 Các loại pin mặt trời 3

1.1.1 Pin mặt trời truyền thống cấu tạo từ chuyển tiếp p-n của bán dẫn 3

1.1.2 Pin mặt trời dùng chất màu, dựa trên màng bán dẫn oxide có cấu trúc nano DSSC (Dye-Sensitized ) 5

1.2 Vật liệu ZnO 9

1.2.1 Cấu trúc mạng tinh thể của ZnO 9

1.2.2 Cấu trúc vùng năng lượng 12

1.2.2.1 Cấu trúc vùng năng lượng của mạng tinh thể dạng lục giác Wurtzite: 12

1.2.2.2 Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO: 14

1.2.3 Các tính chất quang của vật liệu bán dẫn: 14

1.2.3.1 Các đặc trưng quang 14

1.2.3.2 Các cơ chế hấp thụ ánh sáng: 15

1.2.3.3 Các quá trình tái hợp bức xạ 19

Chương 2 22

PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 22

2.1 Chế tạo màng dẫn trong suốt ZnO pha tạp Indium bằng phương pháp phún xạ Magnetron 22

2.1.1 Phương pháp phún xạ Magnetron 22

2.1.2 Quy trình chế tạo mẫu: 24

2.2 Phương pháp chế tạo màng nano ZnO trên lớp màng dẫn trong suốt ZnO:In 25

2.2.1 Các dụng cụ và hóa chất sử dụng 25

2.2.2 Phương pháp hóa siêu âm chế tạo màng nano ZnO trên lớp màng dẫn trong suốt ZnO:In 26

2.2.2.1 Phương pháp hóa siêu âm 26

2.2.2.2 Quá trình chế tạo màng bằng phương pháp hóa siêu âm 28

2.2.3 Phương pháp thủy nhiệt chế tạo màng ZnO 29

2.2.3.1 Phương pháp thủy nhiệt 29

2.2.3.2 Quy trình chế tạo màng bằng phương thủy nhiệt 29

2.3 Các phương pháp khảo sát 31

2.3.1 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 31

2.3.2 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 32

2.3.3 Phổ hấp thụ và phổ truyền qua 34

2.3.4 Phổ huỳnh quang 36

Chương 3 37

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37

3.1 Tính chất màng dẫn trong suốt ZnO:In chế tạo bằng phương pháp phún xạ RF magnetron 37

3.2 Tính chất màng nano ZnO trên lớp màng dẫn điện trong suốt ZnO:In chế tạo bằng phương pháp hóa học 41

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các chỉ số đặc trƣng của vật liệu ZnO ở nhiệt độ phòng 10

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu tạo của pin mặt trời truyền thống 3

Hình1.2 Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời chuyển tiếp p-n 4

Hình 1.3 Cấu tạo của pin mặt trời DSSC [15] 5

Hình 1.4 Cấu trúc mạng tinh thể lục giác kiểu wurtzite (a), mạng tinh thể lập phương đơn giản kiểu NaCl (b), mạng lập phương giả kẽm (c) của ZnO 9

Hình 1.5 Cấu trúc lục giác wurtzite của tinh thể 9

Hình 1.6 Mạng tinh thể lập phương đơn giản kiểu NaCl 11

Hình 1.7 Cấu trúcmạng lập phương giả kẽm của ZnO 12

Hình1.8 Vùng Brillouinthứ nhất của cấu trúc lục giácWurtzite 13

Hình 1.9 Cấu trúc vùng năng lượng của mạng tinh thể lục giác wurtzite 13

Hình 1.10 Cơ chế hấp thụ vùng vùng 17

Hình 1.11 Chuyển mức thẳng (a) và chuyển mức nghiêng (b) 17

Hình 1.12 Các quá trình tái hợp bức xạ cơ bản trong bán dẫn 21

Hình 2.1 Nguyên lý của quá trình phún xạ 23

Hình 2.2 Sơ đồ hệ phún xạ magnetron 24

Hình 2.3 Sự hình thành và phát triển của lỗ hổng trong lòng chất lỏng dưới tác dụng của sóng siêu âm 27

Hình 2.4 Quy trình chế tạo màng nano ZnO trên màng dẫn trong suốt ZnO:In bằng phương pháp hóa siêu âm 28

Hình 2.5 Cấu tạo bình thủy nhiệt 29

Hình 2.6 Quy trình chế tạo màng nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt 30

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điên tử quét 31

Hình 2.8 Sơ đồ của phép đo phổ nhiễu xạ tia X 32

Hình 2.9 Máy Nhiễu xạ tia X SIEMENS D5005, Bruker, Đức 33

Hình 2.10 Hệ quang học của phổ kế UV 2450 PC 35

Hình 2.11 Hệ đo phổ hấp thụ UV – 2450 PC, Shimadzu 35

Hình 2.12 Sơ đồ hệ đo phổ huỳnh quang 36

Hình 3.1 Phổ nhiễu xạ tia X của màng ZnO:In chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron ở các nhiệt độ đế khác nhau (a: 50o C; b: 100oC; c: 150oC; d: 200oC; e: 250oC; f: 300oC) 37

Hình 3.2 (a) Ảnh SEM của mẫu được chế tạo ở nhiệt độ đế Ts = 150 oC; (b)

ảnh SEM mặt cắt vuông góc với mặt phẳng của màng 38 Hình 3.3 Tính chất điện của màng ZnO:In thay đổi theo nhiệt độ 39 Hình 3.4 (a) Phổ truyền qua của màng ZnO:In trong vùng ánh sáng nhìn thấy (b)

Độ rộng vùng cấm của màng ZnO:In được chế tạo ở các nhiệt độ đế khác nhau 40 Hình 3.5 Phổ huỳnh quang của màng ZnO:In ở nhiệt độ phòng 41 Hình 3.6 Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu: V1 - không có màng; V2 - 1 lớp màng ZnO:In ; V3 - 2 lớp màng: màng ZnO:In và màng nano ZnO rung siêu âm 5h ; V4

- 2 lớp màng rung siêu âm trong 8h 42 Hình 3.7 Ảnh SEM của các mẫu khi thời gian rung siêu âm khác nhau: (a)

rung siêu âm trong 5h, (b) rung siêu âm trong 8h 43 Hình 3.8 Phổ truyền qua của các mẫu trong vùng ánh sáng nhìn thấy 41 Hình 3.9 Phổ hấp thụ của các mẫu: V2 – màng dẫn trong suốt ZnO:In; V3 - màng ZnO:In và màng nano ZnO trong 5h; V4 màng ZnO:In và màng nano ZnO trong 8h chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm 45 Hình 3.10 Đồ thị sự phụ thuộc của (αhυ)2 vào năng lượng hυ của các mẫu:

V2;V3;V4 45Hình 3.11 Phổ huỳnh quang của hai mẫu V2 và V4 46 Hình 3.12 Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu: V5 - không có màng;V6 – một lớp màng ZnO:In; V7 - hai lớp màng: màng ZnO:In và màng nano ZnO thủy nhiệt trong 8h;

V8 - hai lớp màng thủy nhiệt trong 16h 47 Hình 3.13 Ảnh SEM của các mẫu đặt ở nhiệt độ 1100 C với thời gian thủy

nhiệt khác nhau: (a) 8h, (b) 16h 49 Hình 3.14 Ảnh SEM của các mẫu với thời gian thủy nhiệt 3h ở nhiệt độ

1100C với lượng PEG là 10mg (a) và 40mg (b) 49 Hình 3.15 Phổ tán sắc năng lượng EDS điển hình của các màng nano ZnO 50 Hình 3.16 Phổ tán xạ Raman của màng nano ZnO điển hình 50

MỞ ĐẦU

Trước mối lo ngại về tác hại từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch và nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu này thì việc sử dụng nguồn nhiên sạch và an toàn là mục tiêu mà các nước trên thế giới đang hướng tới Một trong những nguồn năng lượng

đó là năng lượng mặt trời Ưu điểm của nguồn năng lượng này là sạch, có sẵn trong thiên nhiên, không gây ô nhiễm và không bị cạn kiệt Có 2 cách chính sử dụng năng lượng mặt trời, một là sử dụng dưới dạng nhiệt năng: lò hấp thụ mặt trời, nhà kính Hai là sử dụng thông qua sự chuyển hoá năng lượng các photon thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện: Hệ thống pin mặt trời

Việt Nam là một nước nhiệt đới có vị trí địa lý trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao Điều này đã ưu ái cho Việt Nam nguồn năng lượng mặt trời vô cùng lớn

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, tàu vũ trụ, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa Pin mặt trời được dùng phổ biến hiện nay làm bằng bán dẫn Silic Tuy đã có nhiều cải tiến nhằm tăng hiệu suất, hạ giá thành nhưng xu hướng dùng pin mặt trời silic để sản xuất ra điện năng còn quá tốn kém, không cạnh tranh được với các cách sản xuất điện năng phổ biến hiện nay Chính từ đó mà ý tưởng về việc chế tạo loại pin mặt trời giá thành rẻ, hiệu suất chuyển đổi cao đã ra đời, đó là pin mặt trời sử dụng chất màu (Dye-Sensitized Solar Cell - DSSC) Hai phần chính của nó là lớp màng kim loại oxit (ZnO hoặc TiO2) và chất nhạy màu Tuy nhiên, hiện nay hiệu suất chuyển đổi năng lượng của loại pin mặt trời này chưa cao (cỡ11%) và nó lại phụ thuộc rất nhiều vào khả năng hấp thụ quang học của chất nhạy màu cũng như khả năng truyền điện tử từ chất màu qua lớp bán dẫn đến điện cực

Trong luận văn này chúng tôi tập trung chế tạo và khảo sát lớp màng ZnO trên màng dẫn điện trong suốt ZnO pha tạo In nhằm nâng cao hiệu suất của pin mặt

trời sử dụng chất nhạy màu Luận văn mang tên: “ Chế tạo và khảo sát tổ hợp cấu

trúc màng: màng nano ZnO trên màng dẫn điện trong suốt ZnO pha tạp In”

Màng dẫn trong suốt ZnO pha tạp In đã được nhóm chúng tôi tổng hợp từ trước bằng phương pháp phún xạ Magnetron Sau khi đã có màng dẫn trong suốt đó chúng tôi tiếp tục tạo lớp màng nano ZnO ở trên lớp màng dẫn trong suốt này bằng

2 phương pháp: hóa siêu âm và thủy nhiệt Đây là 2 phương pháp cho phép tổng hợp được vật liệu mà không đòi hỏi các thiết bị quá phức tạp Khóa luận gồm 3 chương:

 Chương 1: Tổng quan

Tổng quan lý thuyết về pin mặt trời truyền thống và đặc biệt là về pin mặt trời

sử dụng chất màu Giới thiệu về vật liệu bán dẫn ZnO và một số nghiên cứu đã có

về cấu trúc vùng năng lượng và tính chất quang của nó

 Chương 2: Thực nghiệm

Các phương pháp kĩ thuật được sử dụng để chế tạo và khảo sát tính chất, hình thái học, cấu trúc của màng nano ZnO

 Chương 3: Kết quả và thảo luận

Phân tích và khảo sát các kết quả thu được từ các phép đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD), ảnh hiển vi điện tử truyền qua (SEM), phổ hấp thụ và truyền qua (UV-vis)

và phổ huỳnh quang Từ đó rút ra khẳng định về việc chế tạo thành công màng nano ZnO Cuối cùng là phần kết luận và tài liệu tham khảo

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI VÀ VẬT LIỆU NANO ZnO

***

1.1 Các loại pin mặt trời

1.1.1 Pin mặt trời truyền thống cấu tạo từ chuyển tiếp p-n của bán dẫn

a Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Pin mặt trời (hay pin quang điện) có cấu tạo giống như một diod bán dẫn loại p-n có lớp n cực mỏng để ánh sáng mặt trời có thể truyền qua và dưới tác dụng của ánh sáng tạo ra dòng điện sử dụng được

Nguyên tắc hoạt động của pin quang điện dựa vào tính chất của lớp chuyển tiếp p-n khi cho hai bán dẫn loại n và p tiếp xúc nhau Khi đó các lỗ trống tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại p sẽ chuyển động khuyếch tán từ bán dẫn loại p sang loại n Đồng thời bán dẫn loại p cũng nhận thêm điện tử từ khối n khuyếch tán sang Kết quả làm khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống, dư điện tử) và khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử, dư thừa lỗ trống) Sự tích điện âm bên khối p và dương bên khối n hình thành một hiệu điên thế tiếp xúc (UTX) Điện trường sinh ra bởi UTX này có hướng từ bán dẫn n sang p để cản trở chuyển động khuyếch tán Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá trình tái hợp thường xảy ra hình thành các nguyên tử trung hòa Vì vậy vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được gọi là vùng nghèo

Hình 1.1 Cấu tạo của pin mặt trời truyền thống

Hình1.2 Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời chuyển tiếp p-n

Khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện một phần ánh sáng bị phản xạ, một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp bán dẫn loại n một phần đến được lớp chuyển tiếp p-n nơi có cặp e và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn Photon của ánh sáng mặt trời chiếu tới với các bước sóng thích hợp sẽ kích thích các điện

tử bật khỏi liên kết trong nguyên tử đồng thời làm xuất hiện lỗ trống Những cặp điện tử và lỗ trống này sinh ra ở gần chỗ tiếp xúc p-n Do đó điện trường tiếp xúc sẽ đẩy electron về bên bán dẫn n và đẩy lỗ trống về bán dẫn p Nhưng cơ bản là electron đã nhảy từ miền hoá trị lên miền dẫn ở mức cao hơn, có thể chuyển động tự

do Càng có nhiều photon chiếu đến thì càng có nhiều electron nhảy lên miền dẫn Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua một phụ tải như đèn) thì electron từ miền dẫn của bán dẫn loại n sẽ qua mạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại p lấp vào các lỗ trống tạo dòng điện

b Đặc điểm

 Vật liệu sử dụng cần có độ rộng vùng cấm phù hợp với phổ mặt trời để thu nhận được nhiều năng lượng nhất và có hệ số hấp thụ ánh sáng lớn (chuyển mức thẳng)

 Tạo ra hai loại hạt tải là điện tử và lỗ trống

 Sự hấp thụ và phân chia hạt tải xảy ra trên cùng một vật liệu

 Vật liệu có thể là đơn tinh thể, đa tinh thể hoặc vô định hình, cần độ sạch cao

và rất ít sai hỏng

 Chiều dày của miền hoạt động (miền đƣợc chiếu sáng) càng dày càng hấp thụ đƣợc nhiều ánh sáng Vì vậy, ví dụ trong Si, chiều dày cần lên đến 300

μm (tốn nguyên vật liệu, giá thành cao)

 Hiệu suất cực đại tính theo lý thuyết của pin chuyển tiếp p-n là 31% Trên thực tế hiệu suất của pin mặt trời (Si) chỉ vào cỡ 12 đến 15% Vì ánh sáng mặt trời có phổ tần số khá rộng nhƣng chỉ những photon có năng lƣợng lớn hơn Eg mới kích thích đƣợc điện tử từ vùng hóa trị lên vùng (đối với bán dẫn

Si Eg cỡ 1.1eV)

 Voc đƣợc xác định từ hiệu số mức Fermi của vùng p và n Vì vậy bán dẫn cần đƣợc pha tạp mạnh Voc cực đại ứng với độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn

Độ rộng vùng cấm càng lớn Voc càng lớn, tuy nhiên tốt nhất là 1.4-1.6eV

1.1.2 Pin mặt trời dùng chất màu, dựa trên màng bán dẫn oxide có cấu trúc nano DSSC (Dye-Sensitized )

a Cấu tạo

+ Điện cực làm việc (anode): Điện cực là thủy tinh có phủ lớp oxit dẫn Điện cực này phải có độ trong suốt cao (để ánh sáng có thể truyền qua ) và dẫn điện Trên điện cực là một màng mỏng bán dẫn xốp (TiO2, ZnO hoặc SnO2) Yêu cầu đối với

Hình 1.3 Cấu tạo của pin mặt trời DSSC [15]

màng này là phải trơ về mặt hóa học và bền để trống chịu được các điều kiện môi trường Ngoài ra nó cần phải có vùng cấm phù hợp để các điện tử có thể tiêm từ chất màu sang Trên bề mặt màng được phủ đơn lớp chất màu (Dye) có nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng và tạo ra các điện tử dẫn Yêu cầu đối với chất màu là phải có độ rộng khe HOMO và LUMO phù hợp để có thể hấp thụ tối đa ánh sáng trong vùng khả kiến và tiêm được điện tử vào vùng dẫn của màng oxit kim loại Chất màu thường dùng là phức kim loại chuyển tiếp và chất thường được chọn là Ru - Polypyridyl, hấp thụ mạnh trong vùng nhìn thấy (400-800nm)

+ Cực đối (cathode): Cũng là điện cực dẫn như anode Trên có phủ một lớp mỏng platinđể xúc tác cho sự khử I3-

+ 2e- -> 3I- + Chất điện giải: Giữa hai điện cực là hệ điện ly chứa cặp oxi hóa khử làm nhiệm vụ tái sinh chất nhạy quang và vận chuyển điện tử giữa các điện cực anode

và cathode Chất điện giải này thực hiện một chu trình oxi hóa khử để tái tạo lại chất màu sau khi bị kích thích và bản thân nó lại được tái tạo về dạng ban đầu bằng điện tử đã dịch chuyển ở mạch ngoài Chất điện giải tốt cho pin cần đáp ứng những yêu cầu sau: chuyển điện tích giữa điện cực anode và cathode nhanh chóng, tái tạo nhanh chất màu, bảo vệ được bề mặt màng nano xốp Chất điện giải hay dùng nhất

là cặp iodide-triodide vì có tốc độ kết hợp với điện tử trong oxit bán dẫn thấp nhất

e S

(1.2)

Phần quan trọng nhất của pin mặt trời DSSC đó chính là lớp màng nano oxit

có tác dụng chuyển điện tử ra ngoài điện cực Các màng này phải trơ về mặt hóa học Một trong những vật liệu được sử dụng nhiều là ZnO vì có nhiều đặc tính đáng quý như: không độc, rẻ tiền, độ rộng vùng cấm lớn (khoảng 3,37eV ở nhiệt độ phòng), chuyển mức điện tử thẳng cho hiệu suất lượng tử phát quang cao, năng lượng liên kết exciton lớn (khoảng 60 meV)…đặc biệt khi nó ở dạng kích thước nano [9,10] Do vậy trong luận văn này chúng tôi sử dụng điện cực trong suốt là màng nano ZnO trên màng dẫn điện trong suốt ZnO pha tạo In

b Đặc điểm

 Chỉ tạo ra một loại hạt tải

 Sự di chuyển của điển tử trong màng nano là do khuyếch tán chứ không có điện trường của vùng nghèo như trong pin mặt trời chuyển tiếp p-n (do kích thước nano của các hạt)

 Hai quá trình hấp thụ ánh sáng và phân tách điện tích là trên hai vật liệu khác nhau: chất màu hấp thụ ánh sáng, chất bán dẫn chuyển điện tích ra điện cực Hai chất này phải có sự phù hợp về mức năng lượng

 Chất bán dẫn cần trơ về mặt hóa học

c Các thông số của pin

Những thông số cơ bản của pin mặt trời là dòng ngắn mạch ISC, thế hở mạch

VOC, hiệu suất chuyển đổi năng lượng η, thừa số lấp đầy ff

+ Dòng ngắn mạch ISC: là dòng được đo khi điện áp hiệu dụng bằng không Khi đó I SC I ph (dòng quang điện) Khi dòng ngắn mạch đồng nghĩa với dòng quang điện tăng

+ Thế hở mạch VOC: được xác định từ hiệu mức Fermi của chất bán dẫn và thế Redox

+ Thừa số lắp đầy ff:

SC OC

m m I V

I V

ff  (1.4) Trong đó Im, Vm là dòng và thế khi công suất cực đạt đại

+ Hiệu suất chuyển đổi năng lượng 

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng đặc trưng cho khả năng chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời Nó được xác định bằng công thức sau:

S

m m S

m P

I V P

P





 (1.5) Trong đó P m là công suất cực đại và P Slà công suất chiếu sáng của ánh sáng mặt trời

d Ưu và nhược của pin mặt trời DSSC so với pin mặt trời truyển thống

+ Ưu:

 Thời gian sống của điện tử trong DSSCs rất dài so với các pin mặt trời thông thường và phụ thuộc vào cường độ ánh sáng Đó là do có các bẫy điện tử trong vùng cấm

 Nguồn nguyên vật liệu chế tạo pin khá phong phú: thủy tinh dẫn, oxit bán dẫn, các hợp chất iodide có sẵn rất nhiều

 Giá thành thấp do vật liệu không đắt tiền

 Ít độc hại với môi trường

Hình 1.4 Cấu trúc mạng tinh thể lục giác kiểu wurtzite (a), mạng tinh thể lập phương đơn giản kiểu NaCl (b), mạng lập phương giả kẽm (c) của ZnO

(a) (b) (c)

(a) (b) (c)

1.2 Vật liệu ZnO

1.2.1 Cấu trúc mạng tinh thể của ZnO

Như đã nói ở trên, trong cấu tạo của pin mặt trời sử dụng chất màu có một phần có tác dụng chuyển điện tử ra ngoài điện cực đó là các màng oxit Các màng

này đòi hỏi phải trơ về mặt hóa học nên vật liệu hay được sử dụng là ZnO

ZnO là chất bán dẫn thuộc nhóm AIIBVI có nhiều tính chất nổi bật như: độ rộng vùng cấm lớn (cỡ 3,37 eV ở nhiệt độ phòng), độ bền vững, nhiệt độ nóng chảy cao, chuyển mức điện tử thẳng cho hiệu suất lượng tử phát quang cao, năng lượng liên kết exciton lớn (khoảng 60 meV) ZnO đã và đang được nghiên cứu một cách rộng rãi vì khả năng ứng dụng của nó

Cấu trúc tinh thể của ZnO tồn tại dưới ba dạng: cấu trúc lục giác Wurtzite ở điều kiện thường, cấu trúc lập phương giả kẽm ở nhiệt độ cao, cấu trúc lập phương đơn giản kiểu NaCl xuất hiện ở áp suất cao Trong luận văn này chúng tôi tập trung nghiên cứu cấu trúc lục giác Wurtzite – kiểu cấu trúc bền ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển

a Cấu trúc mạng lục giác wurtzite

Hình 1.5 Cấu trúc lục giác wurtzite của tinh thể thể ZnO

Cấu trúc lục giác wurtzite là cấu trúc ổn định và bền vững của ZnO ở điều kiện nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển và thuộc về nhóm không gian P63mc hoặc

C46v Mạng lục giác Wurtzite có thể coi là 2 mạng lục giác lồng vào nhau, một mạng chứa các anoin O2-

và một mạng chứa các cation Zn2+ và được dịch đi một khoảng

bằng u = 3/8 chiều cao (trường hợp cấu trúc lý tưởng) Mỗi ô cơ sở có hai phân tử

ZnO trong đó vị trí của các nguyên tử như sau:

Hai nguyên tử Zn: (0,0,0); (1/3,1/3,1/3)

Hai nguyên tử O : (0,0,u); (1/3,1/3,1/3+u) với u ~ 3/8

Mỗi nguyên tử Zn liên kết với 4 nguyên tử O nằm trên 4 đỉnh của một tứ

diện gần đều Khoảng cách từ Zn đến một trong bốn nguyên tử bằng uc, còn ba khoảng cách khác bằng [1/3a3+c2(u-1/2)2]1/2.Hằng số mạng trong cấu trúc được tính

cỡ: a = 3.24256 Å, c = 5,1948 Å Một trong những tính chất đặc trưng của phân mạng lục giác xếp chặt là giá trị tỷ số giữa các hằng số mạng c và a.Nếu c/a = 1.633

và u= 3/8c thì mạng cơ sở là xếp chặt Đối với tinh thể ZnO, c/a=1.602 và u= 0.354

nên các mặt không hoàn toàn xếp chặt khít Tinh thể lục giác ZnO không có tâm đối xứng, do đó trong mạng tồn tại trục phân cực song song với hướng [001] Liên kết của mạng ZnO vừa là liên kết ion vừa là liên kết cộng hóa trị

Các chỉ số đặc trưng của vật liệu ZnO ở nhiệt độ phòng với cấu trúc lục giác Wurtzite là:

Bảng 1.1: Các chỉ số đặc trưng của vật liệu ZnO ở nhiệt độ phòng

Hằng số điện môi 8,656

Độ linh động Hall ở 300K 200 cm2(Vs)-1

b Cấu trúc mạng lập phương đơn giản kiểu NaCl

Cấu trúc mạng lập phương đơn giản kiểu NaCl của ZnO được minh họa như trong hình 1.6 Cấu trúc này xuất hiện ở điều kiện áp suất cao Mạng tinh thể của ZnO loại này gồm 2 phân mạng lập phương tâm mặt của Cation Zn2+ và anion O2-lồng vào nhau một khoảng bằng 1/2 cạnh của hình lập phương Mỗi ô cơ sở gồm bốn phân tử ZnO Số lân cận gần nhất của cation và anion đều bằng 6

Cũng giống như một số chất bán dẫn AIIBVI, ZnO cấu trúc kiểu wurtzite có thể biến đổi sang hình thái cấu trúc giả bền lập phương đơn giản kiểu NaCl ở áp suất cao

và ngược lại

c Cấu trúc mạng lập phương giả kẽm

Cấu trúc mạng lập phương giả kẽm của được minh họa như trên hình 1.7 Cấu trúc này chỉ xuất hiện ở điều kiện nhiệt độ cao Nó gồm hai phân mạng lập phương tâm diện (fcc) xuyên vào nhau 1/4 đường chéo của ô mạng Mỗi ô cơ sở chứa bốn phân tử ZnO với vị trí của các nguyên tử như sau:

4 nguyên tử Zn: (0, 0, 0), (0, 1/2, 1/2), (1/2, 0, 1/2), (1/2, 1/2, 0)

Hình 1.6 Mạng tinh thể lập phương đơn giản kiểu NaCl

BVI giảm khi nguyên tử lƣợng tăng Mạng tinh thể Wurtzite cấu tạo từ hai mạng lục giác lồng vào nhau, một mạng chứa anion một mạng chứa cation Các véc tơ tịnh tiến cơ sở đối với mạng lục giác Wurtzite là:

a ( 1 , 3 , 0 ); a c ( 0 , 0 , 1 )

2

1 a );

0 , 3 , 1 ( a 2

1

Mạng đảo cũng có cấu trúc lục giác với các vec tơ tịnh tiến cơ sở là :

b1 2a1(1, 3,0); b2 2a1(1, 3,0); b3 2c1(0,0,1) (1.7)

Vùng Brillouin thứ nhất là một khối bát diện đƣợc biểu diễn ở hình 1.8

Hình 1.7 Cấu trúcmạng lập phương giả kẽm của ZnO

Bằng phương pháp nhiễu loạn ta có thể tính được vùng năng lượng của mạng lục giác từ vùng năng lượng của mạng lập phương vì cấu trúc tinh thể của mạng lập phương và mạng lục giác khác nhau nên thế năng tác dụng lên điện tử trong hai loại tinh thể khác nhau.Tuy nhiên đối với cùng một chất khoảng cách giữa các nguyên

tử trong hai mạng tinh thể là bằng nhau Liên kết hóa học của các nguyên tử trong hai loại mạng tinh thể cũng như nhau Chỉ sự khác nhau của trường tinh thể và vùng Brilouin gây ra sự khác biệt trong thế năng tác dụng lên điện tử Sơ đồ vùng dẫn (CB) và vùng hóa trị (VB) của hợp chất nhóm AII

BVI với mạng tinh thể lục giác được cho trên hình 1.9

Hình1.8 Vùng Brillouinthứ nhất của cấu trúc lục giácWurtzite

Hình 1.9 Cấu trúc vùng năng lượng của mạng tinh thể lục giác wurtzite

So với sơ đồ vùng của mạng lập phương ta thấy rằng, mức 8 (J = 3/2) và 7 (J = 1/2) của vùng hóa trị do ảnh hưởng của nhiễu loạn trường tinh thể, bị tách thành 3 phân vùng 9(A), 7(B) và 7(C) trong mạng lục giác

1.2.2.2 Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO:

Tinh thể ZnO thường tồn tại ở dạng lục giác kiểu Wurtzite Tinh thể ZnO có đặc điểm chung của các hợp chất AIIBVI là cấu trúc vùng cấm thẳng: cực đại tuyệt đối của vùng hóa trị và cực tiểu tuyệt đối của vùng dẫn cùng nằm tại giá trị k = 0, tức là ở tâm vùng Brilouin

Cấu hình đám mây điện tử của nguyên tử O là: 1s22s22p4 và của Zn là 1s22s22p63s33p63d104s2 Trạng thái 2s,2p và mức suy biến bội ba trong trạng thái 3d của Zn tạo nên vùng hóa trị Trạng thái 4s và suy biến bội ba của trạng thái 3d trong

Zn tạo nên vùng dẫn Từ cấu hình điện tử và sự phân bố điện tử trong các quỹ đạo chúng ta thấy rằng, Zn và Zn2+ không có từ tính bởi vì các quỹ đạo đều được lấp đầy các điện tử, dẫn đến mômen từ của các điện tử bằng không

Theo mô hình cấu trúc năng lượng của ZnO được Birman đưa ra thì cấu trúc vùng dẫn có tính đối xứng Г7 và vùng hóa trị có cấu trúc suy biến bội ba ứng với ba giá trị khác nhau Г9, Г7, Г7 Hàm sóng của lỗ trống trong các vùng con này có đối xứng cầu lần lượt là: Г7→Г7→Г7 Nhánh cao nhất trong vùng hóa trị có cấu trúc đối xứng Г9 còn hai nhánh thấp hơn có cấu trúc đối xứng Г7 Chuyển dời Г7→ Г9 là chuyển dời với sóng phân cực Ec, chuyển dời Г7→Г7 là chuyển dời với mọi phân cực

1.2.3 Các tính chất quang của vật liệu bán dẫn:

)(I/)(I)(

) R 1 ( I ln x

1 ) (

) x exp(

) R 1 ( I ) x (

Có thể xem hệ số hấp thụ () như xác suất hấp thụ photon ánh sáng trên một đơn

vị bề dày của mẫu Hệ số hấp thụ là đại lượng đặc trưng cho môi trường hấp thụ và phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng Hệ số hấp thụ có thứ nguyên là nghịch đảo độ dài, phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, sự phụ thuộc đó gọi là phổ hấp thụ

1.2.3.2 Các cơ chế hấp thụ ánh sáng:

Khi tinh thể bị ánh sáng kích thích chiếu tới, điện tử sẽ nhận được năng lượng của ánh sáng để chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn Quá trình hấp thụ ánh sáng chính là quá trình chuyển đổi năng lượng của photon sang các dạng năng lượng khác của tinh thể Tùy theo năng lượng của ánh sáng mà có thể xảy ra các quá trình hấp thụ sau: hấp thụ riêng (hấp thụ cơ bản), hấp thụ exciton, hấp thụ bởi các hạt tải điện tự do, hấp thụ tạp chất, hấp thụ phonon, hấp thụ plasma [2,4,11]

Hấp thụ cơ bản: Hấp thụ cơ bản (hấp thụ riêng) xảy ra khi năng lượng photon của ánh sáng tới thỏa mãn điều kiện hυEg Sự hấp thụ này xảy ra do chuyển mức của điện tử từ đỉnh vùng hóa trị lên đáy vùng dẫn

Hấp thụ exciton: Liên quan đến sự hình thành hoặc phân hủy các trạng thái kích thích của cặp điện tử lỗ trống Phổ hấp thụ exciton nằm gần bờ hấp thụ

Hấp thụ các hạt tải điện tự do: Liên quan đến chuyển mức của điện tử hoặc

lỗ trống trong vùng năng lượng cho phép hay là giữa các vùng con cho phép

Hấp thụ do tạp chất: liên quan đến chuyển mức của điện tử hay lỗ trống giữa các mức năng lượng cho phép và mức năng năng lượng tạp chất trong vùng cấm, hoặc chuyển mức giữa các mức năng lượng trong vùng cấm Phổ hấp thụ giữa các mức năng lượng cho phép làm cho tạp chất từ trung hòa chuyển sang ion nằm trong vùng hồng ngoại xa Phổ hấp thụ làm cho nguyên tử tạp chất từ ion chuyển sang trung hòa nằm trong vùng gần bờ hấp thụ cơ bản Nếu tâm tạp chất là tâm sâu thì phổ hấp thụ bị dịch về phía sóng dài Phổ hấp thụ với chuyển mức giữa các mức tạp chất cũng nằm gần bờ hấp thụ và nếu tạp chất là tâm sâu thì phổ cũng bị dịch về phía sóng dài

Hấp thụ plasma: liên quan đến việc hấp thụ năng lượng sóng ánh sáng của plasma cặp điện tử-lỗ trống dẫn đến một trạng thái lượng tử cao hơn của plasma

Hấp thụ phonon: liên quan đến sự hấp thụ năng lượng của sóng ánh sáng bởi các dao động mạng tinh thể và tạo thành các phonon mới

ZnO là bán dẫn có chuyển mức năng lượng là chuyển mức thẳng và trong các cơ chế hấp thụ thì nó thuộc loại hấp thụ cơ bản Do đó trong luận văn này chúng tôi xin đề cập chủ yếu đến cơ chế hấp thụ riêng (hấp thụ cơ bản)

* Hấp thụ riêng

Như đã nói ở trên hấp thụ cơ bản là trường hợp hấp thụ xảy ra khi năng lượng ánh sáng chiếu tới thỏa mãn điều kiện hυEg, do vậy trong phổ hấp thụ có một vùng hệ số hấp thụ giảm xuống rất nhanh khi hυEg gọi là bờ hấp thụ Khi hấp thụ photon, 1 điện tử của vùng hóa trị được kích thích lên vùng dẫn để lại một lỗ trống ở vùng hóa trị

Tùy theo cấu trúc vùng năng lượng mà hấp thụ do chuyển mức vùng vùng được chia làm hai loại: chuyển mức thẳng và chuyển mức nghiêng Nếu đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị ở cùng một vecto sóng k thì hấp thụ gây nên được gọi là

chuyển mức thẳng, không cùng một vecto sóng k thì chuyển mức xảy ra được gọi

là chuyển mức nghiêng Hấp thụ cơ bản chuyển mức nghiêng nhất thiết phải có sự tham gia của phonon

Trên quan điểm photon mang tính chất hạt, chuyển động trong môi trường bán dẫn, hệ số hấp thụ α được tính như sau:

g(hν) d(hν) = 2.W(hν).(2m*p)3/2

2л2ħ3 (Ev – E)1/2 |dE| (1.12)

Ta xét dạng phổ hấp thụ trong bán dẫn vùng cấm thẳng Giả sử các trạng thái trong vùng hóa trị bị lấp đầy electron và trong vùng dẫn các mức đều trống Nếu điện tử nằm ở vùng hóa trị có năng lượng E, sau khi tương tác với photon có năng lượng

hν, nhảy lên vùng dẫn với năng lượng E’ thì quá trình này thỏa mãn điều kiện bảo toàn năng lượng :

m*n, m*p : khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống

Áp dụng bảo toàn năng lượng

1m*p ) = Eg +

k2ħ2

2m* (1.14)

Từ công thức (1.14), rút ra các đại lượng thay thế vào biểu thức (1.12), ta có hệ số hấp thụ photon trong chuyển mức thẳng là

α (hν) = (2m*)

3/2

л2ħ3 n

c W (k0) (hν – Eg)1/2 (1.15) Đối với chuyển mức thẳng được phép, ta có xác suất chuyển mức điện tử là hằng số

W (hν) = const = W (k0) Như vậy:

α (hν) = A (hν – Eg)1/2 (1.16)

Từ đây ta thấy rằng ở chuyển mức thẳng không thể có sự hấp thụ ánh sáng nhỏ hơn

độ rộng vùng cấm Năng lượng Eg có thể tính được bằng cách ngoại suy phần tuyến tính của bờ hấp thụ

Đối với ZnO là bán dẫn có vùng cấm thẳng và độ rộng vùng cấm là 3.37 eV tại nhiệt độ thường thì hấp thụ riêng xảy ra trong vùng bước sóng λ368.66 nm

Đối với bán dẫn có vùng cấm nghiêng, cực tiểu vùng dẫn và cực đại vùng hóa trị không cùng nằm tại một điểm của vùng Brilouin.Trong quá trình chuyển dời, năng lượng và véc tơ sóng của điện tử bị thay đổi Chuyển dời này phải có sự tham gia của ba hạt (điện tử, photon và phonon) nên xác suất chuyển mức nghiêng thường nhỏ hơn chuyển mức thẳng

1.2.3.3 Các quá trình tái hợp bức xạ

Khi nguyên tử chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng, các cặp hạt tải điện (điện tử và

lỗ trống) được hình thành Điện tử ở trạng thái kích thích một thời gian ngắn rồi chuyển về trạng thái có năng lượng thấp hơn, quá trình đó gọi là quá trình tái hợp Quá trình tái hợp có bản chất ngược với quá trình hấp thụ, nó làm biến mất các hạt tải điện trong bán dẫn Quá trình tái hợp có thể xảy ra kèm theo bức xạ hay không bức xạ photon Trong trường hợp tái hợp không kèm theo bức xạ, tất cả năng lượng giải phóng ra được truyền cho dao động mạng (phonon), hoặc truyền cho hạt tải điện tự do thứ ba (tái hợp Auger), hoặc được dùng để kích thích các dao động plasma (plasma điện tử - lỗ trống) trong chất bán dẫn (tái hợp plasma) Trong trường hợp tái hợp có kèm theo bức xạ, tất cả hoặc một phần năng lượng được giải phóng dưới dạng lượng tử ánh sáng (photon) Khi đó trong tinh thể xảy ra quá trình phát quang hay quá trình tái hợp bức xạ Phổ hấp thụ và phổ bức xạ của tinh thể có liên quan tới nhau, những điểm đặc biệt trong phổ hấp thụ sẽ gây nên những điểm

đặc biệt trong phổ bức xạ tái hợp Ví dụ trong một vùng phổ nào đó hệ số hấp thụ

có giá trị lớn thì trong vùng phổ đó, bức xạ tái hợp cũng mạnh Điều này giải thích tại sao trong bán dẫn vùng cấm thẳng cường độ bức xạ tái hợp giữa các vùng lại lớn hơn nhiều khi so sánh với trường hợp bán dẫn vùng cấm xiên Chính vì vậy, để có tái hợp bức xạ lớn người ta dùng bán dẫn vùng cấm thẳng Tuy nhiên phổ bức xạ và hấp thụ có một điểm khác nhau quan trọng, đó là: tất cả các trạng thái trong tinh thể đều có thể tham gia vào quá trình hấp thụ, kết quả là gây nên một phổ rộng Trong khi đó, quá trình bức xạ chỉ liên quan đến một vùng hẹp các trạng thái chứa các electron cân bằng nhiệt và một vùng hẹp các trạng thái trống chứa các lỗ trống cân bằng nhiệt, do đó gây ra một phổ hẹp [6]

Lý thuyết vùng của chất rắn và những thực nghiệm nghiên cứu các tính chất của bán dẫn đã chứng tỏ rằng: huỳnh quang của tinh thể và tái hợp bức xạ trong chất bán dẫn có cùng bản chất [3] Do vậy quá trình tái hợp bức xạ ánh sáng được gọi là huỳnh quang Điều kiện cơ bản để xuất hiện huỳnh quang là bán dẫn phải ở trạng thái không cân bằng nhiệt động

Tinh thể sẽ phát quang nếu nó bị kích thích lệch khỏi trạng thái cân bằng Tùy theo phương pháp kích thích, người ta chia huỳnh quang thành các loại: Quang huỳnh quang là hiện tượng phát quang xảy ra khi chiếu vào tinh thể bức xạ có bước sóng thỏa mãn h > Eg, điện huỳnh quang là hiện tượng phát sáng khi mẫu được kích thích bằng dòng điện hay điện trường, catot huỳnh quang là hiện tượng phát quang khi bắn phá mẫu bằng chùm e năng lượng cao (1-100keV), nhiệt huỳnh quang là hiện tượng phát quang khi gia nhiệt cho mẫu Chú ý, huỳnh quang là sự phát quang xảy ra chỉ trong thời gian kích thích, lân quang là sự phát quang còn tiếp diễn một thời gian sau khi ngừng kích thích

Quá trình tái hợp bức xạ trong chất bán dẫn không phụ thuộc vào phương pháp kích thích và được thực hiện qua các cơ chế tái hợp sau (hình 1.12):

+ Tái hợp của các điện tử tự do trong vùng dẫn và lỗ trống tự do trong vùng hóa trị (chuyển dời vùng - vùng, C-V)

+ Tái hợp exciton (exciton tự do, exciton liên kết, phân tử exciton, plasma điện tử-lỗ trống (E-V))

+ Tái hợp của các hạt tải điện tự do với các hạt tải điện định xứ trên các tâm tạp chất – electron tự do trong vùng dẫn với lỗ trống trên acceptor hoặc electron trên donor với lỗ trống tự do trong vùng hóa trị, (chuyển dời vùng - tạp chất, C-A, D-V, DD-V, C-DA)

+ Tái hợp giữa các electron trên donor và các lỗ trống trên acceptor (chuyển dời cặp donor - acceptor, D-A)

+ Tái hợp bên trong các sai hỏng

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

***

Như đã giới thiệu ở phần mở đầu, trong luận văn này chúng tôi sử dụng điện cực dẫn là màng ZnO:In chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron trên đế thủy tinh [2,6,14] Sau đó dùng phương pháp hóa siêu âm và thủy nhiệt để tạo màng nano ZnO trên lớp màng dẫn trong suốt ZnO: In này Đây là hai phương pháp cho phép chế tạo vật liệu không đòi hỏi thiết bị quá phức tạp và rất phù hợp với điều kiện thực nghiệm ở nước ta

2.1 Chế tạo màng dẫn trong suốt ZnO pha tạp Indium bằng phương pháp phún xạ Magnetron

2.1.1 Phương pháp phún xạ Magnetron

Cơ sở vật lý của các phương pháp phún xạ dựa trên hiện tượng va chạm của các hạt có năng lượng cao (các ion khí trơ như Ar, Xe, He, ) với các nguyên tử vật liệu trên bia gốm, và làm bật các nguyên tử (hoặc từng đám vài nguyên tử) của bia

và chuyển động về phía đế mẫu Khi đến đế mẫu chúng lắng đọng lại trên bề mặt đế

và tạo thành màng Về bản chất vật lý, phún xạ là một quá trình hoàn toàn khác với

sự bốc bay - quá trình chuyển hóa xung lượng giữa các ion khí hiếm và các nguyên

tử bên trong vật liệu làm bia Khi các ion bắn phá bề mặt của bia, tương tác giữa các ion khí với các nguyên tử của bia coi như quá trình va chạm Sự va chạm có thể xảy

ra đến độ sâu 5 ÷ 10nm, nhưng sự trao đổi xung lượng chỉ xảy ra trong khoảng cách 1nm từ bề mặt bia Thông thường, các nguyên tử bị phún xạ rời khỏi bia với động năng tương đối lớn, khoảng 3 ÷ 10eV Một phần năng lượng này sẽ bị tiêu hao do quá trình tán xạ với các nguyên tử khí trên đường đi đến đế mẫu Khi đến đế mẫu, năng lượng chỉ còn khoảng 1 ÷ 2eV, cao hơn năng lượng của quá trình bốc bay khoảng hai bậc Năng lượng này làm tăng nhiệt độ đế mẫu và giúp cho các nguyên

tử lắng đọng sẽ bám vào đế mẫu chắc hơn (hình 2.1)

Hình 2.1 Nguyên lý của quá trình phún xạ

Các hệ phún xạ DC và RF có một hạn chế cơ bản là hiệu suất sử dụng điện tử không cao do điện tử chỉ đi theo đường thẳng từ cathode đến anode và do đó chỉ có khả năng ion hóa các phân tử khí trên quãng đường đó Trong các cấu hình phún xạ này, chỉ vài phần trăm nguyên tử khí trơ được ion hóa Tăng khả năng ion hóa chất khí của các điện tử thứ cấp, người ta phải vận hành hệ thống ở áp suất tương đối cao Để nâng cao hiệu suất sử dụng điện tử trong khi vẫn duy trì được áp suất ở mức thấp, người ta dùng từ trường để lái quỹ đạo của các điện tử theo những quỹ đạo cong Thiết bị thực hiện giải pháp kỹ thuật này là phún xạ magnetron (Magnetron Sputerring) Cấu hình của hệ phún xạ manhêtrôn được cải tiến bằng cách đặt một nam châm ở dưới bia vật liệu (hình 2.2) Từ trường của nam châm có tác dụng bẫy các điện tử và ion ở gần bề mặt bia làm tăng số lần va chạm giữa các điện tử và các nguyên tử khí và làm tăng hiệu suất ion hóa của chúng

Hệ phún xạ Magnetron có các ưu điểm như tốc độ lắng đọng cao, sự bắn phá của các điện tử và ion trên màng giảm, hạn chế sự tăng nhiệt độ đế và sự phóng điện phát sáng có thể được duy trì ở áp suất phún xạ thấp hơn Ngoài ra, do hiệu suất ion hóa của các điện tử thứ cấp tăng nên mật độ plasma tăng và trở kháng của khối plasma giảm Kết quả là, với cùng một công suất phát, hoặc là sẽ tăng được dòng phóng điện, hoặc là sẽ giảm được điện áp nuôi hệ thống so với hệ phún xạ không được tăng cường bằng từ trường