Luận án tiến sĩ chế tạo và nghiên cứu các đặc tính của dây nano si (tt)

Ở các hình thái khác nhau cấu trúc của Si với kích thước nanô màng, hạt, thanh hoặc dây xuất hiện thêm nhiều tính chất vật lý và hóa học mới, thu hút sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứ

1

MỞ ĐẦU

Ngày nay, vật liệu nanô với những tính chất quang, tính chất điện với các đặc tính mới so với vật liệu khối đã và đang được các nhà khoa học nghiên cứu, phát triển với nhiều ứng dụng rộng rãi trong y học, quân sự, các ngành công nghiệp Các hình thái của cấu trúc có kích thước nanô bao gồm: dạng hạt nanô (cấu trúc không chiều), dạng dây nanô (cấu trúc một chiều) và dạng màng mỏng (cấu trúc hai chiều) Tuỳ thuộc vào các ứng dụng cụ thể, các nhóm nghiên cứu trong nước

và thế giới tìm hiểu theo định hướng cấu trúc để khai thác hiệu quả tính chất mới của vật liệu

Với kích thước nanô, vật liệu Si thể hiện các tính chất đặc biệt

do hiệu ứng giam giữ lượng tử và hiệu ứng bề mặt Vào năm 1990, Canham [11] đã nghiên cứu sự phát quang mạnh trong vùng nhìn thấy của vật liệu Si xốp với mong muốn ứng dụng vật liệu quang điện tử trong cuộc sống Cấu trúc Si dạng khối phát huỳnh quang trong vùng phổ có năng lượng khoảng 1,12 eV ở nhiệt độ phòng trong khi đó phổ huỳnh quang của các cấu trúc nanô Si như: Si xốp, dây nanô silic (SiNW) hoặc chấm lượng tử lại dịch chuyển về phía năng lượng cao khi thu nhỏ kích thước Ở các hình thái khác nhau cấu trúc của Si với kích thước nanô (màng, hạt, thanh hoặc dây) xuất hiện thêm nhiều tính chất vật lý và hóa học mới, thu hút sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu Do vậy nhiều công trình khoa học đã tập trung nghiên cứu các hạt nanô cũng như các sợi nanô nhằm giải thích nguồn gốc của sự xuất hiện dịch chuyển phổ huỳnh quang cũng như tiềm năng ứng dụng trong khoa học và đời sống

Silic là vật liệu truyền thống đã được nghiên cứu và ứng dụng trong công nghiệp bán dẫn và vi điện tử Hầu hết các linh kiện vi điện

tử, chíp bán dẫn đều được chế tạo dựa trên cơ sở vật liệu Si Tuy nhiên,

do silic có độ rộng vùng cấm hẹp (Eg1,12 eV tại nhiệt độ phòng), cấu trúc vùng cấm xiên, hiệu suất quang lượng tử thấp (10-6) dẫn tới hạn chế khả năng ứng dụng vật liệu silic trong một số linh kiện quang điện

tử như điốt phát quang, laser bán dẫn,…

Thế kỷ XXI và thời đại của vật liệu có kích thước nanô, với công nghệ nanô ngày càng phát triển, vật liệu Si có cấu trúc thấp chiều như thanh, dây và đai nanô Si được quan tâm nghiên cứu Với các ưu điểm như sử dụng vật liệu ít, định hướng tinh thể cao, diện tích bề mặt lớn, độ rộng vùng cấm thay đổi được (bằng cách thay đổi đường kính các cấu trúc nanô một chiều), các cấu trúc nanô Si một chiều được

2

đánh giá là có nhiều tiềm năng đầy hứa hẹn cho các ứng dụng trong lĩnh vực nhuwchees tạo pin mặt trời, cảm biến sinh học, thiết bị quang điện tử,…

Tại Việt Nam đã có một số nhóm nghiên cứu màng silic, silic xốp hoặc SiNW và các tính chất của chúng bằng các phương pháp khác nhau như: màng silic, silic xốp pha tạp ecbi bằng điện hoá và các đặc tính quang huỳnh quang của chúng Nghiên cứu huỳnh quang trong vùng nhìn thấy của silic xốp và huỳnh quang trong vùng hồng ngoại của Si xốp pha tạp ecbi [43, 44] Hoặc nhóm nghiên cứu Đào Trần Cao-Viện Khoa học Vật liệu-Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam nghiên đã chế tạo, nghiên cứu tính chất quang và định hướng ứng dụng trong tán xạ Raman tăng cường bề mặt của các

hệ dây nanô silic xếp thẳng hàng (AsiNW) trên đế Si bằng phương pháp ăn mòn hóa học có sự trợ giúp của kim loại (metal-assisted chemical etching - MACE) và phương pháp ăn mòn điện hóa có sự trợ giúp của kim loại (metal-assisted electrochemical etching - MAECE) [2] Bằng phương pháp bốc bay nhiệt nhóm nghiên cứu của Phạm Thành Huy nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của dây nano Si và Si:Er3+ [3]… Chính vì vậy nên chúng tôi quyết định chọn vật liệu này làm đối tượng nghiên cứu trong công trình của mình Trên cơ sở trang thiết bị sẵn có tại bộ môn Vật liệu Điện tử - Viện Vật lí Kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, nhằm đóng góp một phần hiểu biết chung về công nghệ chế tạo và các tính chất của vật liệu nanô Si nghiên cứu sinh đã thực hiện nội dung của luận án

“Chế tạo và nghiên cứu các đặc tính của dây nano Si”

- Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

Tổng hợp được các SiNW trên đế Si bằng hai phương pháp phún xạ catốt RF và bốc bay nhiệt từ nguồn rắn;

Làm rõ ảnh hưởng của các thông số chế tạo lên hình thái, cấu trúc, tính chất của SiNW;

Tìm hiểu nguồn gốc, cơ chế phát huỳnh quang của SiNW

và sự ảnh hưởng của các thông số chế tạo lên tính chất phát xạ huỳnh quang

Nhằm đạt được một số mục đích trên, một số nội dung nghiên cứu cụ thể sau đã được thực hiện:

- Đối tượng nghiên cứu:

Các SiNW chế tạo bằng hai phương pháp bốc bay nhiệt từ nguồn rắn và phún xạ

3

- Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu của luận án là phương pháp thực nghiệm Với từng nội dung nghiên cứu, phương pháp thực nghiệm đã được lựa chọn phù hợp

 Các phương pháp chế tạo vật liệu:

SiNW được chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt với nguồn vật liệu hỗn hợp Si+C

* SiNW được chế tạo bằng phương pháp phún xạ catốt

 Các phương pháp phân tích tính chất của vật liệu:

- Hình thái bề mặt, thành phần pha tinh thể, thành phần hoá học của các mẫu chế tạo được trong luận án đã được khảo sát sử dụng nhiều các phép đo và thiết bị đo hiện đại như: kính hiển vi điện tử quét (SEM) tích hợp với với thiết bị đo phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ nhiễu xạ tia X và phổ tán xạ Raman

- Tính chất quang huỳnh quang của SiNW đã được khảo sát bằng các phép đo phổ huỳnh quang trong vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại gần Ngoài ra, cơ chế phát quang được đề xuất trong luận án dựa trên các tài liệu công bố

- Ý nghĩa lí luận và thực tiễn của luận án:

Về lý luận những kết quả của luận án đã góp phần làm sáng

tỏ cơ chế phát quang của SiNW nói riêng và của các cấu trúc nanô silic nói chung Luận án cũng chứng minh có thể điều khiển hình thái, cấu trúc và các tính chất của SiNW bằng cách thay đổi chế độ công nghệ tương đối đơn giản

- Những đóng góp mới của luận án:

Việc tổng hợp SiNW bằng phương pháp bốc bay nhiệt đã được nghiên cứu một cách tương đối có hệ thống Cụ thể, đã lần lượt khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp kim loại xúc tác, nhiệt độ tổng hợp, thời gian tổng hợp, lưu lượng khí mang, thành phần nguồn rắn đến hình thái, cấu trúc và tính chất của dây nanô silic Trên cơ sở đó, có thể chọn chế độ công nghệ thích hợp cho sản phẩm dây nanô silic với đặc tính nhất định

Về lý luận, những kết quả của luận án đã góp phần làm sáng

tỏ cơ chế phát quang của SiNW nói riêng và của các cấu trúc nanô silic nói chung Các đỉnh phổ ở vùng bước sóng ngắn từ 400÷650 nm có liên quan đến các sai hỏng, các exciton tự bẫy và có sai hỏng do nút khuyết ôxi Trong khi đó, sự phát xạ ở vùng bước sóng dài có thể liên

4

quan đến hiện tượng giam giữ lượng tử trong lõi Si cho các trường hợp SiNW có đường kính nhỏ hoặc/và liên quan đến các cụm nanô silic trong mạng nền SiOx Từ đó đã thấy rằng sự phát quang này liên quan chặt chẽ với lớp ôxít silic được hình thành trên bề mặt mẫu do quá trình ôxi hóa trong quá trình tổng hợp

Góp phần hiểu biết sâu sắc hơn về vật liệu silic cấu trúc nanô Bước đầu đã chế tạo được các SiNW bằng phương pháp phún xạ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MỘT CHIỀU

TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU Si 1.1 Cơ sở về vật liệu có cấu trúc nanô

1.2 Vật liệu silic

1.2.1 Cấu trúc tinh thể silic

1.2.2 Cấu trúc vùng năng lượng của silic

1.3 Đặc tính của dây nanô Si

1.3.1 Tính chất quang của dây nanô Si

1.3.1.1 Phổ Raman của dây nanô silic

1.3.1.2 Phổ hấp thụ của dây nanô silic

1.3.1.3 Phổ huỳnh quang của dây nanô silic

1.3.2 Tính chất nhiệt của dây nanô silic

1.4.3 Tính chất cơ của dây nanô silic

1.3.4 Tính chất điện tử của dây nanô silic

1.4 Một số ứng dụng của dây nanô silic

1.4.1 Pin mặt trời

1.4.2 Pin Lithium sử dụng dây nanô silic

1.4.3 Cải thiện hiệu suất của cấu trúc FET

1.5.1 Phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi

1.5.2 Phương pháp laser

1.5.3 Phương pháp epitaxy chùm phân tử

1.5.4 Phương pháp phún xạ RF

1.5.5 Phương pháp bốc bay nhiệt từ nguồn rắn

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SiNW BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY NHIỆT TỪ NGUỒN RẮN 2.1 Cơ chế hình thành VLS

2.2 Quy trình chế tạo SiNW trên đế Si bằng phương pháp bốc bay nhiệt từ nguồn rắn

2.3 Hệ thiết bị thí nghiệm và vật liệu hóa chất

2.4 Khảo sát hình thái của SiNW bằng kính hiển vi điện tử quét 2.5 Lựa chọn kim loại xúc tác

Hình 2.8 cho thấy hình thái và sự phân bố các hạt hợp kim trên

đế Si với các độ dày lớp xúc tác kim loại Au khác nhau Ta thấy kích thước hạt không đồng đều, mật độ phân bố hạt phụ thuộc vào độ dày lớp xúc tác Đối với mẫu màng mỏng Au 1 nm và 2 nm, kích thước của các hạt hợp kim xúc tác khoảng từ 20÷50 nm, trong khi đó màng Au có

bề dày 4 nm cho các hạt hợp kim có kích thước lớn hơn 50÷80 nm

Hình 2.8 Hình thái bề mặt của hạt Au trên đế Si(111) với độ dày lớp xúc tác

Au: 1 nm (a),2 nm (b) và 4 nm (c) sau khi ủ nhiệt ở 1100 o C trong thời gian

15 phút

6

Việc hình thành các hạt xúc tác có kích thước và mật độ phân bố không đồng đều có thể được lí giải bởi hai nguyên nhân [124]:

Thứ nhất, việc tụ đám của các hạt kích thước nhỏ hơn khi nhiệt

độ ủ lớn hơn Thứ hai do ảnh hưởng bởi bề dày màng xúc tác Au trên

đế Si(111) Màng càng dày, kích thước hạt hợp kim xúc tác sau quá trình xử lí nhiệt sẽ càng lớn

Hình 2.9 Hình thái bề mặt hạt Au trên đế Si sau khi ủ nhiệt ở 1100 o C,

thời gian ủ khác nhau

Quan sát hình thái bề mặt hạt vàng với thời gian ủ nhiệt khác nhau, chúng tôi thấy rằng khi thời gian ủ kéo dài các hạt hợp kim Au-

Si nóng chảy tạo thành giọt lỏng dần dần hình thành nhú mầm của SiNW theo cơ chế SLS

Hình 2.10 Hình thái bề mặt hạt Au trên đế Si sau khi ủ nhiệt tại các

nhiệt độ khác nhau, thời gian ủ 15 phút

Nhiệt độ ủ ảnh hưởng tới kích thước cũng như sự phân bố của các hạt hợp kim Au-Si Tại ủ nhiệt 900 oC cho thấy các hạt Au-Si có kích thước khoảng 20 nm với mật độ phân bố khá dày, nhưng khi nhiệt

độ ủ tăng 1100 oC cho thấy kích thước hạt Au-Si khoảng 40÷70 nm với mật độ phân bố thấp hơn

2.5 Ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo lên cấu trúc của SiNW trên đế Si

2.5.1 Vai trò kim loại xúc tác

Nhóm nghiên cứu của M Lajvardi [57] tổng hợp SiNW bằng phương pháp ăn mòn dính ướt đã chỉ ra rằng hình thái của các cấu trúc nanô Si trong quá trình chế tạo phụ thuộc nhiều vào độ dày lớp xúc tác

7

Ag, và chỉ ra độ dày lớp tối ưu là 10 nm cần thiết để chế tạo các SiNW Ngoài ra S Leela và đồng nghiệp [59] tổng hợp SiNW bằng phương pháp PECVD sử dụng kim loại xúc tác Au, chỉ ra rằng độ dày lớp xúc tác ảnh hưởng đến kích thước SiNW Quan sát trên ảnh SEM thể hiện

ở Hình 2.13 đối với các mẫu dây Si chúng tôi chế tạo được với độ dày lớp xúc tác Au khác nhau, SiNW hình thành có kích thước to nhỏ đan xen nhau trong khoảng từ 10÷50 nm đồng thời mật độ hình thành ở các vị trí không đồng đều Kết quả hình thái bề mặt của SiNW cho thấy kích thước cũng như mật độ SiNW phụ thuộc vào kích thước, mật

độ phân bố của hạt hợp kim hình thành trên đế Si Kích thước SiNW trong khoảng từ 10÷80 nm, các SiNW nhỏ đan xen các dây lớn, kết quả thu được khá tương đồng với kết quả hình thái hạt vàng

Hình 2.13 Hình thái bề mặt của hệ SiNW tổng hợp tại 1100 o C thời gian

60 phút, lưu lượng khí 150 sccm, tỷ lệ Si:C (4:1), độ dày Au trên đế Si: a)

1 nm, b) 2 nm, c) 4 nm

Chúng tôi tiến hành tổng hợp SiNW không sử dụng xúc tác kim loại Au và sử dụng xúc tác Au Kết quả cho thấy nếu không có xúc tác (màng Au) thì việc hình thành dây trở nên khó khăn hơn (không hình thành) khi có xúc tác nếu tiến hành tạo mẫu trong cùng một điều kiện chế tạo (Hình 2.14)

Hình 2.14 Hình thái bề mặt của SiNW tổng hợp tại 1100 o C, thời gian

60 phút, lưu lượng khí 150 sccm, tỷ lệ Si:C (4:1) với: a) Không xúc

tác, b) xúc tác Au

8

Kết quả thu được của chúng tôi, là thông tin để khẳng định rõ vai trò của kim loại xúc tác trong quá trình tổng hợp SiNW Một số nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng nếu không sử dụng kim loại xúc tác thì điều kiện chế tạo SiNW thành công với nhiệt độ khoảng 1350 oC

và thời gian mọc kéo dài khoảng 2÷3 giờ [4, 32, 62, 82]

2.5.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên cấu trúc của SiNW

Theo giản đồ pha cho thấy tồn tại một trạng thái lỏng giữa kim loại xúc tác vàSi đồng thời sự hình thành hợp chất cùng tinh (eutectic) Khi tăng thành phần Si trong pha lỏng, tạo ra trạng thái quá bão hòa, gây ra sự tách pha giữa Si và kim loại xúc tác Do vậy, việc lựa chọn nhiệt độ trong kỹ thuật bốc bay nhiệt chân không phụ thuộc vào điểm cùng tinh của kim loại đóng vai trò xúc tác Nhóm nghiên cứu của Z

W Pan cùng cộng sự [82] chỉ ra rằng SiNW có thể tổng hợp bằng phương pháp bốc bay nhiệt từ nguồn rắn trong điều kiện nhiệt độ bằng hoặc lớn hơn 1000 oC, còn dưới 900 oC không hình thành SiNW, mà chỉ tạo thành dây SiOx vô định hình

Hình 2.15 Hình thái bề mặt của hệ SiNW tổng hợp tại các nhiệt độ khác

nhau trong khoảng thời gan 60 phút, lưu lượng khí 150 sccm và tỷ lệ

9

cho thấy rằng, nhiệt độ tổng hợp dưới 1000 C, sự phát triển SiNW

là khó và nếu có thể xảy ra với tốc độ rất chậm

Tại nhiệt độ tổng hợp SiNW 1100 oC cho thấy SiNW hình thành với mật độ dây cao hơn, đường kính dây khá nhỏ cỡ khoảng

20 nm Nếu nhiệt độ tổng hợp tiếp tục tăng (khoảng 1200 oC) chúng tôi thấy kích thước và sự đồng đều dây sẽ thay đổi, có thể hình thành các SiNW có kích thước khá lớn dẫn đến dây sẽ bị đứt gãy, các kết quả này chưa thể hiện rõ nên không được trình bày trong luận án Do khả năng của thiết bị nâng nhiệt của hệ chế tạo tối đa 1200 oC, nên chúng tôi không thể tiếp tục khảo sát ở nhiệt độ cao hơn Tuy nhiên các kết quả SiNW hình thành trong vùng nhiệt độ khảo sát 1100 oC đến 1200 oC là phù hợp trong các nghiên cứu của chúng tôi

a) b)

Hình 2.17 Hình thái bề mặt của SiNW dạng bạch tuộc tổng hợp tại nhiệt độ

1100 o C, thời gian 60 phút, lưu lượng khí 150 sccm, tỷ lệ Si:C (4:1) : a)

chưa khử Au, b) khử Au

Nhưng quá trình nâng nhiệt tới nhiệt độ tổng hợp không qua giai đoạn ổn định nhiệt thời gian nâng nhiệt từ nhiệt độ phòng tới nhiệt

độ tổng hợp 50 phút, dẫn đến kết quả SiNW tổng hợp được có cấu trúc dạng bạch tuộc Kết quả này có thể giải thích, trong quá trình nâng nhiệt màng Au nóng chảy co cụm kết tủa thành các đám hoặc đảo Au đồng thời hình thành SiNW dẫn đến cấu trúc nhận được có dạng bạch tuộc

2.5.3 Ảnh hưởng của thời gian tổng hợp lên cấu trúc của SiNW

Có thể thấy rằng, khi tăng thời gian tổng hợp từ 15 đến 120 phút, độ dài của SiNW tăng lên (xem trong Hình 2.18(a-d) và các SiNW hình thành với mật độ cao và các dây dài nhất khi thời gian tổng hợp là 60 phút (như được chỉ ra trong Hình 2.18(c)) Tuy nhiên, nếu thời gian tổng hợp kéo dài (120 phút), dẫn đến SiNW hình thành với mật độ và kích thước thay đổi được chỉ ra trong Hình 2.18(d) Kết quả

10

quan sát trong Hình 2.18 cho thấy sự gia tăng chiều dài cũng như mật

độ dây khi thời gian lắng đọng phù hợp

Khi thời gian lắng đọng 30 phút, bắt đầu nhú mầm hình thành SiNW với chiều dài cỡ micrô-mét, mật độ chưa cao (Hình 2.18b) Tiếp tục tăng thời gian tổng hợp lên 60 phút, dây hình thành với mật độ cao, chiều dài của SiNW tăng lên

Hình 2.18 Hình thái bề mặt SiNW tổng hợp tại 1100 o C, lưu lượng khí

150 sccm, tỷ lệ Si:C (4:1) với thời gian lắng đọng: a) 15, b) 30, c) 60 và

d) 120 phút

Với thời gian lắng đọng 120 phút cho thấy SiNW mọc dài ra,

có thể một mức nào đó dây bị đứt gãy, điều này được giải thích do trong quá trình tổng hợp ở nhiệt độ cao với thời gian kéo dài dẫn đến trình hình thành các khuyết tật bên trong Khi thời gian lắng đọng kéo dài thì SiNW trở nên dài hơn càng xa gốc dây mỏng hơn ở cuối Các kết quả nghiên cứu của Al-Ruqeishi MS [4] đã cho rằng yếu tố thời gian quyết định đến sự hình thành dây Si dài hay ngắn, hoặc lớp SiOxdày hơn khi thời gian tổng hợp kéo dài

2.5.4 Ảnh hưởng của lưu lượng khí

Nhóm nghiên cứu [108] đã chỉ ra rằng ảnh hưởng của lưu lượng khí Ar trong quá trình tổng hợp SiNW, các kết quả cho thấy nếu lưu lượng khí quá cao hoặc quá thấp thì quá trình hình thành các tinh thể SiNW không xảy ra hoặc xảy ra rất chậm Thông số này là quan trọng trong quá trình tổng hợp các SiNW

Với lưu lượng khí Ar 50 sccm thì không đủ mang hơi SiO đến

bề mặt đế có lớp xúc tác Au, do vậy việc hình thành dây có nhưng không đáng kể hoặc có những vị trí hầu như không quan sát được (Hình 2.19a) Khi lưu lượng khí tăng lên 100 sccm, bề mặt mẫu xuất hiện SiNW với mật độ có cải thiện hơn, các SiNW dài và kích thước khá đồng đều (Hình

11

2.19b) Khi tăng lưu lượng khí Ar lên 150 sccm, SiNW hình thành với mật độ cao với kích thước thay đổi rõ rệt cả đường kính lẫn chiều dài SiNW (Hình 2.19c)

Hình 2.19 Hình thái bề mặt SiNW tổng hợp tại 1100 o C, thời gian 60 phút, tỷ lệ Si:C (4:1) với lưu lượng khí: a) 50, b) 100, c) 150 và d)

300 sccm

Khi tăng lưu lượng khí Ar lên đến 300 sccm, các SiNW hình thành với mật độ và cấu trúc thay đổi rõ rệt, sự hình thành này đã có tính định hướng hơn thay vì mọc ngẫu nhiên và lộn xộn trong trường hợp lưu lượng khí 50, 100 và 150 sccm Sự phát triển của dây Si theo định hướng thẳng đứng và khá ngắn, cỡ nhỏ hơn 1 µm Có thể lý giải

do việc lưu lượng khí lớn, nguồn hơi do sự bốc bay nhiệt của bột Si xảy ra mạnh mẽ, các nguyên tử Si bám vào và khuếch tán xung quanh các hạt nanô Au tạo trạng thái quá bão hòa Các nguyên tử Si tiếp tục khuếch tán vào vùng lỏng Au-Si quá bão hòa, sau đó kết tinh tạo cấu trúc một chiều là dây Si với định hướng ưu tiên (111) Các SiNW trong điều kiện mọc nêu trên có xu hướng định hướng thẳng với chiều dài khoảng 1 μm (Hình 2.19d)

Có thể giải thích ảnh hưởng của lưu lượng khí lên cấu trúc SiNW hình thành trên đế Si (111), với các dây Si mọc thẳng định hướng nhưng khá ngắn do một trong hai yếu tố sau:

* Sự phát triển dây mọc thẳng đứng có cấu trúc hoàn hảo thì duy trì tốc độ mọc là khó hơn so với các dây nằm ngang, nơi mà có sự khuyết tật xảy ra ảnh hưởng tới sự phát triển định hướng của dây nằm ngang trên mặt đế, khi đó hạt xúc tác trở nên khá linh động và phát triển nhanh chóng theo cơ chế mọc từ đỉnh, chiều dài có thể lên đến vài chục micrô-mét;

12

* Yếu tố khác có thể liên quan đến việc nguồn hơi Si cung cấp nhanh và mạnh trong thời gian ngắn Hỗn hợp quan sát còn lại sau phản ứng chỉ còn lại màu đen của bột cácbon, thay vì với các trường hợp trên, bột còn lại vẫn còn sự pha trộn màu đen-xám của hỗn hợp Si:C, hỗn hợp còn lại này vẫn có thể sử dụng trong các nghiên cứu mọc dây Si nhưng tỷ lệ hỗn hợp đã thay đổi

2.5.5 Vai trò của nguồn rắn

Hình 2.20 Hình thái bề mặt SiNW tổng hợp tại 1100 o C, lưu lượng khí

150 sccm, thời gian 60 phút với tỷ lệ Si:C: Si 100% (a), 4:0,5 (b), 4:1 (c)

Quan sát ảnh FESEM một trong mẫu điển cho thấy nhiệt độ chế tạo 1100 oC khi vật liệu nguồn không có mặt của cácbon thì không quan sát thấy khả năng hình thành SiNW (Hình 2.20a) Với sự có mặt của cácbon theo tỷ lệ Si:C=4:0,5 cho thấy bắt đầu hình thành dây với mật độ thấp cũng như chiều dài dây ngắn (Hình 2.20b)

Trong trường hợp tỷ lệ Si:C=4:1 cũng với cùng điều kiện thí nghiệm, cho thấy hiệu suất mọc SiNW cao với đường kính trong khoảng 30÷50 nm và chiều dài tăng lên đáng kể (Hình 2.20c) Kết quả này cho thấy rõ vai trò của bột C trong hỗn hợp nguồn rắn Sự có mặt của cácbon có hai ý nghĩa:

Thứ nhất, có sự tăng cường nhiệt độ bên trong hỗn hợp nguồn làm thúc đẩy quá trình bay hơi của bột Si Sự hấp thụ nhiệt mạnh của cácbon làm tăng cường sự ủ nhiệt này

Thứ hai, cácbon còn có tác dụng giúp loại bỏ lớp ôxít bên ngoài các hạt bột Si đã bị môi trường ôxi hóa, cho phép các hạt Si tới tham gia quá trình mọc và phát triển dây tại vùng tiếp xúc lỏng-rắn của hợp kim Au-Si Hiệu ứng này thúc đẩy quá trình phát triển định hướng và tốc độ mọc của SiNW