Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật lý của vật liệu nano tinh thể sixge1 x trên nền sio2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Trương Thị Thanh Thủy NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU NANO TINH THỂ Six Ge1-x TRÊN NỀN SiO2 LUẬN VĂN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Trương Thị Thanh Thủy

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU

NANO TINH THỂ Six Ge1-x TRÊN NỀN SiO2

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Trương Thị Thanh Thủy

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU

NANO TINH THỂ SixGe1-x TRÊN NỀN SiO2

Chuyên ngành: Quang học

Mã số: 60440109

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS NGÔ NGỌC HÀ

Hà Nội – Năm 2015

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn - TS Ngô Ngọc

Hà - Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS) – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (ĐHBKHN) đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận văn này Xin chân thành cảm ơn NCS Nguyễn Trường Giang, Viện ITIMS đã giúp tôi đọc, góp ý và chỉnh sửa các lỗi chính tả cũng như bố cục của luận văn

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới TS Nguyễn Đức Dũng – Viện Tiên tiến

về khoa học và công nghệ (AIST), ĐHBKHN và các bạn của tôi đã dành thời gian hướng dẫn, hỗ trợ tôi trong việc đo đạc, xử lý số liệu Những góp ý quý báu của bạn đã giúp tôi hoàn thành quyển luận văn này một cách tốt nhất

Tôi muốn gửi lời cảm ơn tới tất cả các thành viên trong nhóm quang điện

tử, Viện ITIMS đã giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn

Tôi cũng xin được cảm ơn các Thầy cô giáo trong khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đã dạy dỗ, dìu dắt tôi trong suốt thời gian học tập chương trình thạc sĩ tại đây Xin được cảm ơn Ban giám đốc Viện ITIMS và toàn thể các Thầy cô giáo của Viện đã tạo điều kiện cho tôi được làm việc tại đây để hoàn thiện cuốn luận văn này

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tới chồng con và toàn thể gia đình tôi Đây là nguồn động viên to lớn nhất, là sự hỗ trợ không mệt mỏi của tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này!

Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2015

Học viên

Trương Thị Thanh Thủy

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung bản luận văn này là những gì chính tôi đã nghiên cứu trong suốt thời gian học thạc sĩ, các số liệu và kết quả là trung thực chưa được công bố ở công trình nào hoặc cơ sở nào khác dưới dạng luận văn

Người cam đoan

Trương Thị Thanh Thủy

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 Tính chất quang của vật liệu bán dẫn Error! Bookmark not defined 1.1.1 Đặc điểm cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn Error! Bookmark not defined

1.1.2 Các quá trình phát quang xảy ra trong vật liệu bán dẫn Error! Bookmark not defined

1 2 Giới thiệu về vật liệu bán dẫn Silic: Error! Bookmark not defined 1.2.1 Vật liệu bán dẫn Silic tinh thể khối Error! Bookmark not defined

1.2.2 Cấu trúc vùng năng lượng và tính chất quang của Silic tinh thể khối

Error! Bookmark not defined 1.3 Giới thiệu về vật liệu Ge Error! Bookmark not defined 1.3.1 Vật liệu Germani tinh thể khối Error! Bookmark not defined

1.3.2 Cấu trúc vùng năng lượng và tính chất quang của Germani tinh thể

khối Error! Bookmark not defined 1.4 Vật liệu Si có cấu trúc nano Error! Bookmark not defined 1.4.1 Các cấu trúc thấp chiều của vật liệu Silic Error! Bookmark not defined

1.4.2 Một số phương pháp chế tạo vật liệu Silic có cấu trúc nano Error! Bookmark not defined

1.4.3 Tính chất quang của vật liệu Silic có cấu trúc nano Error! Bookmark not defined

1.5 Điôxit- Silic (SiO2) Error! Bookmark not defined

Từ bảng 1.3, chúng tôi thấy vật liệu SiO 2 hoàn toàn phù hợp làm vật liệu nền

có độ rộng vùng cấm rộng cho các nano tinh thể Si và Ge Error! Bookmark not

defined

CHƯƠNG 2 – PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined

2.1 Phương pháp chế tạo vật liệu Error! Bookmark not defined 2.1.1 Phương pháp phún xạ catốt Error! Bookmark not defined 2.1.2 Bia phún xạ Error! Bookmark not defined 2.1.3 Ưu điểm và hạn chế của phún xạ Error! Bookmark not defined 2.2 Phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu Error! Bookmark not defined 2.2.1 Nhiễu xạ Tia X Error! Bookmark not defined 2.2.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM Error! Bookmark not defined 2.2.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Error! Bookmark not defined 2.2.4 Quang phổ kế UV-VIS Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined

3.1 Sự hình thành cấu trúc tinh thể đơn pha của vật liệu Error! Bookmark not defined

3.2 Quá trình dịch chuyển độ rộng năng lượng trực tiếp Error! Bookmark not defined

Qua (Hình 3.8) ta thấy rằng khi hàm lượng Ge tăng và Si giảm thì giá trị khe năng lượng tăng lên từ giá trị của Ge tới giá trị của Si Với nhiệt độ ủ tăng thì kích thước hạt thay đổi và hiệu ứng lượng tử do kích thước hạt cũng có ảnh hưởng tới cấu trúc vùng năng lượng Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

EDS The energy-dispersive x-ray

spectroscopy Phổ tán xạ năng lượng tia X

FFT Fourier Transformation Biến đổi Fourier nhanh

FCC Face-centered cubic Tinh thể lập phương tâm mặt

HR-TEM

High-resolution Transmission Electron Microscopy

Hiển vi điện tử truyền qua độ

phân giải cao

vùng

SEM Scanning Electron Microscope Hiển vi điện tử quét

TEM Transmission Electron

Microscopy

Kính hiển vi điện tử truyền

qua

DANH MỤC ĐỒ THỊ Chương 1

Hình 1.1: Mô hình tái hợp chuyển mức thẳng 7

Hình 1.2: Mô hình tái hợp chuyển mức xiên 8

Hình 1.3: Mô hình cấu trúc tinh thể 10

Hình 1.4: Giản đồ vùng năng lượng của Silic 11

Hình 1.5: Giản đồ vùng năng lượng của Germani 14 Hình 1.6: Sơ đồ mạng tinh thể Germani 14 Hình 1.7: Mô tả cấu trúc thấp chiều của Silic 17

Hình 1.8: Mô tả sự phụ thuộc của SiO 2 theo nhiệt độ ủ 18 Hình 1.9: Mô tả sự phụ thuộc huỳnh quang của mẫu màng SiO 2 19

Hình 1.10: Mô hình cấu trúc thạch anh 21 Hình 1.11: Mô hình cấu trúc Tridymite 21 Hình 1.12:Mô hình cấu trúc critobalite 22 Chương 2 Hình 2.1: Sơ đồ nguyễn lý cơ bản của quá trình phún xạ 27

Hình 2.2: Giản đồ nhiễu xạ tia X bởi các mặt phẳng nguyên tử 30

Hình 2.3: Sơ đồ đo của thiết bị nhiễu xạ tia X 30

Hình 2.4: Kính hiển vi điện tử quét SEM 30

Hình 2.5: Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM 32

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của quang phổ kế UV-VIS 35

Chương 3 Hình 3.1: Ảnh nhiễu xạ tia X ứng với mẫu M3 37

Hình 3.2: Ảnh nhiễu xạ tia X khi thành phần x thay đổi ứng với các mẫu 38

Hình 3.3: Sự phụ thuộc của tỉ phần Si, x đối với hằng số mạng a tương ứng. 40

Hình 3.4: Sự phụ thuộc của kích thước tinh thể vào nồng độ tỉ phần Si,x 42

Hình 3.5: Ảnh TEM, HR-TEM, SAED 43

Hình 3.6: Cấu trúc vùng năng lượng của Germani trong vùng E1 44

Hình 3.7: Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào năng lượng photon hấp thụ của mẫu tại 600 o C 45

Hình 3.8: Năng lượng hấp thụ được xác định cho phép chuyển đổi trực tiếp E1 mẫu M1-4 khi ủ ở 600 , 800 , và 1000 ° C Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào năng lượng photon hấp thụ của mẫu tại 600 o C 48

DANH MỤC BẢNG BIỂU Chương 1

Bảng 1.1: Các thông số vật lý cơ bản của Silic 9 Bảng 1.2: Các thông số vật lý cơ bản của Germani 13

Bảng 1.3: Các thông số tính chất vật lý của SiO 2 23

Chương 3

Bảng 3.1: Các mẫu vật liệu hợp kim Si x Ge 1-x 36

Bảng 3.3: Giá trị phụ thuộc của kích thước tinh thể vào thành phần x trong

1

MỞ ĐẦU

Khi các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ đang dần cạn kiệt, nguồn cung cấp không ổn định với những bất lợi về điều kiện địa lý và công nghệ khai thác, nhiều nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng sinh học, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều và sóng biển,… đang được quan tâm nghiên cứu và khai thác, trong đó và đặc biệt nhất là một nguồn năng

lượng gần như vô tận – năng lượng mặt trời

Sự phát triển nhanh chóng về khoa học và công nghệ, điện năng sinh ra từ nguồn năng lượng mặt trời không còn quá đắt đỏ đối với người tiêu dùng Hơn nữa, việc khai loại năng lượng này chỉ yêu cần đầu tư ban đầu một lần và có thể dùng được trong nhiều năm tùy thuộc vào chất lượng và sự ổn định của vật liệu

và linh kiện chế tạo Nằm trên vùng khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới, Việt nam

có giải phân bổ ánh nắng mặt trời thuộc loại cao trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, tiềm năng khai thác năng lượng mặt trời được đánh giá rất lớn

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị thu nhận năng lượng mặt trời và chuyển đổi thành điện năng Cấu tạo của pin mặt trời cơ bản gồm các điốt p-n Dưới ánh sáng mặt trời nó có khả năng tạo ra dòng điện nhờ các điện tử và lỗ trống được sinh ra dựa trên hiệu ứng quang điện Các pin năng lượng mặt trời có rất nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà mạng lưới điện chưa vươn tới, các loại thiết bị viễn thám, cầm tay như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, điện thoại di động, Pin năng lượng mặt trời thường được chế tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời nhằm tạo ra các tấm pin có diện tích tiếp xúc với ánh sáng mặt trời lớn Vật liệu dùng để chế tạo pin mặt trời hiện nay chủ yếu là Si, mặc dù hiệu suất của loại vật liệu này chưa cao, khoảng 15% cho các sản phẩm thương mại Hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời lý thuyết có thể lên đến

2

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt

[1] Lê Công Dưỡng (2000), “Vật liệu học”, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội [2] Phùng Hồ, Phan Quốc Phô (2001), “Vật lý bán dẫn”, NXB Khoa học và kỹ

thuật, Hà Nội

[3] Nguyễn Đức Chiến, Phạm Thành Huy, Dư Thị Xuân Thảo, Nguyễn Như Toàn, Trần Kim Anh, Nguyễn Ngọc Trung, Phạm Nguyên Hải, Trịnh Xuân Anh,

Vũ Anh Minh, Lương Hữu Bắc, “Nghiên cứu vật lý và công nghệ chế tạo vật liệu quang điện tử và quang điện tử tổ hợp”, Đề án nghiên cứu cơ bản 2001-2002, Bộ

Khoa học công nghệ và môi trường, mã số: KHCB 42.17.01

[4] Vũ Đình Cự (1997), “Vật lý chất rắn”, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội [5] Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh (2004), “Công nghệ nano điều khiển đến từng phân tử nguyên tử”, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

[6] Nguyễn Hoàng Nghị (2003), “Các phương pháp thực nghiệm phân tích cấu trúc” NXB Giáo dục, Hà Nội

[7] Vũ Đăng Độ - Triệu Thị Nguyệt (2010), “ Hóa học vô cơ, Quyển 1, Các nguyên tố s và p” NXB Giáo dục Việt Nam

Tiếng Anh

[8] N N Ha, N T Giang, T.T.T Thuy, N N Trung, N D Dung, S Saeed and

T Gregorkiewicz, “Single phase Si 1−x Ge x nanocrystals and the shifting of the E 1 direct energy transition”, Nanotechnology 26 (2015) 375701

[9] K Seeger (1991), “Semiconductor Physics”, 5 the edition, Springer - Verlag [10] J I Pankove (1971), “Optical Properties in Semiconductors”, Dover

Publications, New York

[11] Lorenzo Pavesi (2005), “Photonics applications of nano-silicon”,

Dipartimento di Fisica, Universita di Trento, via Sommarive 14, 38050

Povo (Trento), Italy.url: http:\\science.unitn.it\semicon

3

[12] A Irrera, D Pacifici, M Miritello, G Franzu, F Priolo, F Iacona, D

Sanfilippo, G Di Stefano and P.G Fallica (2003), “Light emitting devices based

on silicon nanostructures”, NATO Science Series II: Mathematics,

Physics and Chemistry, Vol 93, Kluwer Academic Publishers

[13] L T Canham (1990), “Si quantum wire arrays fabrication by

electrochemical and chemical dissolution of wafers”, Appl., Phys., Lett., Vol 57,

pp 1046 - 1048

[14].S Z Weisz, R K Soni, L F Fonseca, O Resto, M Buzaianu (1999), “Size

- dependent optical properties of silicon nanocrystals”, J Lumi., Vol 83- 84,

pp 187 – 191

[15] B D Cullity (1978) “Elements of X-Ray diffraction”, 2nd edition, Addison - Wesley, Reading, MA

[16] F Hippert, E Geissler, J L Hodeau, E Lelievre, J R Regnard (2006),

“Neutron and X-Ray Spectroscopy”, Springer

[17] R Braunstein, A R Moore, F Herman, (1958), “Intrinsic optical

absorption in germanium-silicon alloys”, Phys Rev 109, 695

[18] T Ebner, K Thonke, R Sauer, F Schaffler, H.-J Herzog, (1998),

“Electroreflectance spectroscopy of strained Si x Ge 1-x layers on silicon”, Phys

Rev B 57, 15448

[19] C Pickering, R T Carline, D J Robbins, W Y Leong, S J Barnett, A D

Pitt, and A G Cullis, (1993), “Spectroscopic ellipsometry characterization of

[20] B S Meyerson, (1994), “High speed silicon germanium electronics”,

Scientific American 270, 42-47

[21] S Takeoka, K Toshikiyo, M Fujii, S Hayashi, and K Yamamoto, (2000),

“Photoluminescence from Si 1−x Ge x alloy nanocrystals”, Phys Rev B 61, 15988

4

[22] R Weigand, M Zacharias, P Veit, J Christen, J Wendler J, (1998), “On

Superlattices Microstruct 23, 349

[23] K L Wang, D Cha, J Liu, C Chen, (2007), “Ge/Si self-assembled quantum dots and their optoelectronic device applications”, Proceedings of the

IEEE 95, 1866

[24] G Bauer, F Schäffler, (2006), “Self-assembled Si and SiGe nanostructures:

New growth concepts and structural analysis”, Phys Stat Sol (a) 203, 3496