Mục đích cơ bản của luận án này là nghiên cứu và hiểu được một số hiện tượng, tính chất vật lý của vật liệu nano lai hóa giữa Si và Ge trong nền SiO2 vô định hình. Làm chủ được công nghệ chế tạo và chế tạo thành công hệ vật liệu nano lai hóa giữa Si và Ge có thành phần thay đổi, từ đó nghiên cứu phân tích được ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo, thành phần, kích thước lên các tính chất vật lý của chúng.
Trang 1MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn đề tài
Sự kết hợp của Ge và Si được ví như vật liệu bán dẫn nhóm III-V, nhờ
sự linh động của hạt tải trong Ge, trong khi vẫn sử dụng công nghệ chế tạo
vi điện tử của Si Các loại vật liệu này có thể được sử dụng để chế tạo ra những phiên bản tiên tiến hơn của các linh kiện điện tử Si mà vẫn duy trì được công nghệ chế tạo vi điện tử giá thành thấp [122], [58] Khe năng lượng nhỏ (0,7 eV) và tính phối trộn cao của Ge với Si đưa ra khả năng tạo
ra được vật liệu có độ rộng vùng cấm thay đổi được và linh kiện có tốc độ chuyển đổi điện cao nhờ vào tính linh hoạt của các hạt tải trong Ge [59], [117], [124] Trong lĩnh vực quang điện tử và quang tử Si, vật liệu Ge nano tinh thể trong Si và SiO2 và các hệ Si1-xGex đã có được một sự phát triển vô cùng mạnh mẽ [15], [84], [17], [117], [83], [60] Những tiến bộ trong việc tổng hợp, xử lý, chế tác, đặc trưng hóa và mô phỏng cho phép tạo ra những linh kiện ổn định hơn và hoạt động tốt hơn Các linh kiện thu nhận, dẫn sóng và điều biến quang, các diodes hiệu ứng đường ngầm, laze và các linh kiện lượng tử đã được đề suất và thử nghiệm [15], [84], [17], [117], [60], [89]
Ở kích thước nano, các tính chất vật lý của hai vật liệu Si và Ge này thay đổi rất lớn, đôi khi nhiều tính chất mới thú vị và có nhiều tiềm năng ứng dụng được đưa ra Các giải thích về sự thay đổi này chủ yếu dựa trên hiệu ứng giam cầm lượng tử Những tính chất vật lý mới này đôi khi khá phức tạp và khó kiểm soát, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình thái và cấu trúc của vật liệu Trong khi Si đã thể hiện một số biến thể quá trình nhân hạt tải điện như hiệu ứng cắt lượng tử hay cắt photon Điều này có ý nghĩa
vô cùng to lớn trong việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời trên cơ sở Si Tuy nhiên, độ rộng vùng cấm của vật liệu nano Si thường khá lớn (khoảng
2 eV) dẫn đến khả năng ứng dụng trong việc thu nhận và biến đổi năng lượng mặt trời là ít hiệu quả bởi phần lớn phổ mặt trời có năng lượng nhỏ hơn 2 eV sẽ không được tận dụng Việc thay đổi độ rộng vùng cấm của nano Si là rất có ý nghĩa Các nghiên cứu cơ bản việc “pha trộn” giữa Si và
Ge nhằm tạo ra các tinh thể nano có các tính chất vật lý phù hợp với định hướng ứng dụng làm tăng hiệu suất quang điện tử là cần thiết
Với những vấn đề nêu trên, tác giả lựa chọn và thực hiện luận án: “Chế tạo nano tinh thể hợp kim SiGe trên nền SiO 2 và nghiên cứu một số tính chất của chúng”
2 Mục tiêu của luận án
Trang 2 Sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ trong xấp xỉ gradien tổng quát (DFT - GGA) và phương trình trạng thái Murnaghan thực hiện các tính toán, phân tích tinh thể của hệ vật liệu nano lai hóa giữa Si và Ge có thành phần thay đổi
3 Đối tượng nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu các hệ vật liệu tinh thể Si và Ge có kích thước nano được phân tán trong vật liệu nền có độ rộng vùng cấm lớn SiO2
Cụ thể ở đây là hệ vật liệu hợp kim Si1-xGex đơn tinh thể có cấu trúc nano
với thành phần x thay đổi từ 0,2 ÷ 0,8
4 Nội dung nghiên cứu
Chế tạo vật liệu hợp kim nano Si1-xGex chất lượng cao phân tán trong các vật liệu nền có vùng cấm rộng hơn bằng phương pháp đồng phún xạ catốt tần số radio
Nghiên cứu sự hình thành và ảnh hưởng của điều kiện biên lên cấu trúc, tính chất quang điện tử của vật liệu trên cơ sở các phép đo khảo sát vật
lý khác nhau như ảnh hiển vi điện tử TEM, HR-TEM, phổ tán xạ Raman, phổ nhiễu xạ tia X
Xác định hiệu ứng xảy ra trong hạt nano hợp kim Si1-xGex bằng các phương pháp quang phổ phi tuyến khác nhau Tiến hành các phép đo về hiệu suất lượng tử trong và ngoài, năng lượng ngưỡng cho hiệu ứng xảy
ra
Nghiên cứu các quá trình vận động của hạt tải thông qua quá trình kích thích, hồi phục và tái hợp Qua đó hiểu hơn các quá trình vật lý cơ bản
và hiệu ứng giam cầm lượng tử
Tính toán quá trình hình thành tinh thể, sự thay đổi độ rộng vùng cấm hợp kim Si1-xGex bằng phương pháp lý thuyết phiến hàm mật độ trong
xấp xỉ gradien tổng quát và phương pháp k.p
5 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án là sự kết hợp giữa nghiên cứu thực nghiệm và tính toán lý thuyết
1) Phương pháp thực nghiệm bao gồm:
Trang 3- Tạo các mẫu màng mỏng chứa Si1-xGex phân tán trong SiO2 bằng phương pháp đồng phún xạ catốt tần số radio, sử dụng các bia Ge, Si, SiO2trên các phiến đế thạch anh
- Các phép đo phổ huỳnh quang liên tục, phổ hấp thụ liên tục
- Phép đo phổ huỳnh quang phân giải thời gian, phép đo thời gian sống của hạt tải
2) Phương pháp lý thuyết bao gồm:
- Sử dụng lý thuyết phiến hàm mật độ trong xấp xỉ gradien tổng quát, và phương pháp k.p để nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc vùng năng lượng trong quá trình hình thành tinh thể hợp kim Si1-xGex
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa về mặt thực tiễn:
- Việc chế tạo thành công hệ vật liệu lai hóa giữa Sivà Ge với thành phần mong muốn có ý nghĩa lớn trong việc chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao Ngoài ra, đây là vật liệu có tiềm năng trong việc phát triển các loại linh kiện quang điện tử tiên tiến như cảm biến hồng ngoại, chip bán dẫn tốc độ cao, cảm biến môi trường
- Kết quả của luận án giúp đánh giá về khả năng ứng dụng thực tế của loại vật liệu này trong việc chế tạo các thiết bị linh kiện quang điện tử trong thực tế và tạo tiền đề cho các ứng dụng sau này
Ý nghĩa về mặt khoa học:
Hiện nay chưa có nhiều công trình nghiên cứu về tính chất vật lý về hệ vật liệu lai hóa Si và Ge đơn tinh thể có cấu trúc nano Việc chế tạo thành công hệ vật liệu hợp kim đơn tinh thể có cấu trúc nano Si1-xGex có thành phần x thay đổi từ 0,2 ÷ 0,8, tạo điều kiện cho việc nghiên cứu chuyên sâu
về sự thay đổi về hằng số mạng, kích thước tinh thể, sự thay đổi năng lượng cùng cấm khi lai hóa Si và Ge tạo ra một hệ vật liệu mới với các tính chất vật lý mong muốn và đặc biệt là quá trình vận động của các hạt tải điện sau khi kích thích quang học Các nghiên cứu về hệ vật liệu hợp kim đơn tinh thể nano Si1-xGex đã được thực hiện, mở ra ứng dụng to lớn trong việc nâng cao hiệu suất pin mặt trời từ hai vật liệu bán dẫn điển hình Si và Ge Các kết quả nghiên cứu trong luận án đã được công bố trong 06 công trình khoa học, trong đó có 03 bài báo trên tạp chí quốc tế thuộc hệ thống danh mục ISI, 02 bài báo đăng trên tạp chí khoa học uy tín trong nước và
01 bài đăng ở kỷ yếu hội nghị
7 Những đóng góp mới của luận án
Trang 44
- Đã giải thích cơ chế hình thành hạt nano trong vật liệu nano tinh thể của hợp kim Si1-xGex và quan sát thấy năng lượng của quá trình hấp thụ trực tiếp tạo ra cặp điện tử lỗ trống tại vị trí giữa điểm và L trong vùng Brillouin đối với vật liệu bán dẫn hợp kim nano Si1-xGex có x thay đổi từ 0,2 ÷ 0,8
- Đã giải thích sự phát xạ kém của các nano SiGe trong mạng nền SiO2 chế tạo được thông qua các nghiên cứu quá trình hồi phục nhanh của các hạt tải điện sinh ra sau quá trình kích thích quang học
- Kết quả nghiên cứu và tính toán cấu trúc vùng năng lượng theo phương pháp DFT- GGA phù hợp với tính toán dùng phương pháp k.p Kết quả này đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích tính chất vật lý của vật liệu hợp kim nano SiGe
8 Cấu trúc của luận án
Luận án gồm có 126 trang, trong đó có 68 hình vẽ, đồ thị và 09 bảng biểu, 127 tài liệu tham khảo Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được chia thành 4 chương, cụ thể như sau:
Chương 1 Tổng quan về vật liệu bán dẫn Ge và Si
Chương 2 Các phương pháp nghiên cứu và chế tạo vật liệu
Chương 3 Các đặc trưng vật lý của vật liệu
Chương 4 Ứng dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ và phương pháp k.p
trong nghiên cứu vật liệu
Chương 1 Tổng quan về vật liệu bán dẫn Ge và Si
Nội dung chương 1 gồm những kiến thức tổng quan về các vấn đề nghiên cứu xuyên suốt trong luận án, gồm ba phần kiến thức chính như sau: Thứ nhất: Tổng quan về đặc điểm cấu trúc vùng năng lượng và quá trình tái hợp phát xạ của các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn
Thứ hai: Tổng quan về tính chất vật lý, cấu trúc mạng tinh thể, cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu bán dẫn Si, Ge và SiO2
Thứ ba: Tổng quan về vật liệu có kích thước nano và các hiệu ứng xảy
ra trên vật liệu, khi vật liệu có kích thước nano
Chương 2 Các phương pháp nghiên cứu và chế tạo vật liệu
Trong chương này, tác giả trình bày phương pháp thực nghiệm và lý thuyết nghiên cứu, chế tạo màng mỏng chứa vật liệu hợp kim nano Phương pháp phún xạ catốt được sử dụng với ba bia là Si, Ge và SiO2 vớiđộ sạch 99,999%, độ dày của màng là xấp xỉ 742 nm và được điều chỉnh thông qua công suất phún xạ Các mẫu sau khi chế tạo được đưa đi xử lý nhiệt ở nhiệt
độ 600, 800 và 1000 oC trong môi trường khí N2 với thời gian 30 phút Các mẫu sau khi được chế tạo sẽ được đưa đi đo và phân tích cấu trúc, vi cấu
Trang 5trúc, thành phần vật liệu Trong chương này cũng trình bày các phương pháp: EDX, XRD, Raman, Phổ hấp thụ, HR-TEM, SAED, FFT, Phương pháp phổ phát xạ huỳnh quang, phép đo hấp thụ cảm ứng, phương pháp DFT-GGA và phương pháp k.p
Chương 3 Các đặc trưng vật lý của vật liệu
3.1 Sự hình thành của hạt nano Si 1-x Ge x trên nền vật liệu SiO 2
3.1.1 Nghiên cứu hợp phần của Si 1-x Ge x trong SiO 2
Trước khi thực hiện phép phân tích hình thái cấu trúc cũng như nghiên cứu tính chất quang của vật liệu, tác giả đã kiểm tra thành phần các nguyên
tố với hệ mẫu M1, M2, M3, M4 sau khi xử lý nhiệt, bằng phổ EDX Thành phần của các mẫu được tổng hợp thể hiện trên hình 3.1 và bảng 3.1
Bảng 3.1 Thành phần các nguyên tố có trong hệ mẫu M1, M2, M3, M4 Mẫu Si 1-x Ge x
trong nền SiO 2 Si (at %) Ge (at %) O (at %)
- Kết quả cho thấy, các đỉnh tán xạ năng lượng đặc trưng cho các nguyên tố
Si, Ge, O đều xuất hiện trong mẫu được phún xạ;
Hình 3.1 Phổ tán sắc năng lượng tia X của mẫu M1(a), M2(b), M3(c), M4(d)
sau khi được chế tạo.
Trang 66
- Tỉ lệ thành phần các nguyên tố thu được trên các mẫu M1, M2, M3 và M4 trong phép đo EDX hoàn toàn phù hợp với các thông số phún xạ mong muốn
3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến sự hình thành pha của vật liệu
Các mẫu M1, M2, M3, M4 sau khi ủ ở các nhiệt độ 600, 800 và 1000 o
C, sẽ được đưa đi khảo sát nhiễu xạ tia X, nhằm xác định các pha hình thành trong tinh thể hợp kim
Kết quả cho thấy các đỉnh nhiễu xạ tương ứng với các mặt nhiễu xạ (111), (220), (311) có cấu trúc lập phương của vật liệu Si và Ge chỉ xuất hiện khi nhiệt độ ủ lớn hơn 8000C mới hình thành pha hợp kim Si1-xGex
Sự hình thành pha tinh thể hợp
kim Si1-xGex sau khi ủ nhiệt cũng
được nghiên cứu trên các phép đo
tán xạ Raman Hình 3.4 trình bày
phổ tán xạ Raman của tinh thể hợp
kim Si1-xGex với x = 0,2; 0,4; 0,6;
0,8 xử lý nhiệt tại 1000 oC trong
môi trường khí N2 với thời gian 30
phút
Quan sát phổ tán xạ Raman hình
3.4, kết quả cho thấy:
- Các đỉnh tán xạ Raman tương
ứng với các mode dao động
của liên kết Ge-Ge, Ge-Si,
Si-Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X
= 0,6 ở nhiệt độ ủ 600, 800 và
với thời gian 30 phút
Hình 3.4 Phổ tán xạ Raman của tinh thể
Trang 7Si tại các bước sóng 300, 400, 500 (cm ) của vật liệu Si1-xGex;
- Đỉnh tán xạ càng rõ nét khi tỉ phần vật liệu lớn do có thể do sự kết tinh tốt hơn, kích thước hạt lớn hơn;
- Có sự dịch đỉnh mạnh về phía năng lượng lớn hơn khi thành phần vật liệu lớn điều này cũng đã được mô tả và nghiên cứu trong nhiều tài liệu
Sự dịch chuyển của đỉnh tán xạ này do hàm lượng Ge tăng lên và hàm lượng Si giảm, tương ứng với số mode dao động ứng với liên kết Ge-Ge tăng, và Si-Si giảm đi trong hợp kim Si1-xGex
3.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần Ge lên sự hình thành tinh thể hợp kim
Trong vật liệu hợp kim Si1-xGex khi thành phần hợp kim x thay đổi từ
0,2 ÷ 0,8 kéo theo các tính chất, kích thước tinh thể hợp Si và Ge cũng thay đổi Sự thay đổi này được thể hiện trên giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu M1, M2, M3, M4 tại nhiệt độ ủ 1000 oC với thời gian 30 phút (hình 3.5)
Kết quả cho thấy khi x thay đổi từ 0,2 ÷ 0,8 tức thành phần nguyên tố
Ge trong hợp kim Si1-xGex tăng lên xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ trùng với đỉnh nhiễu xạ của Si và Ge đều có cấu trúc lập phương, tại các vị trí xung quanh góc nhiễu xạ 2θ xấp xỉ 28o, 46o và 54o tương ứng các mặt phẳng nhiễu xạ (111), (220) và (311) Các đỉnh nhiễu xạ có xu hướng dịch chuyển
về phía góc nhiễu xạ 2θ nhỏ khi thành phần Ge tăng lên ( x tăng)
Từ định luật nhiễu xạ Bragg kết hợp với công thức (3.1), áp dụng với góc nhiễu xạ 2θ ≈ 46o, tương ứng với mặt phẳng nhiễu xạ có chỉ số hkl là
(220), tác giả ước tính hằng số mạng của tinh thể lập phương của hợp kim
Hình 3.5 Giản đồ nhiễu
xạ tia X của tinh thể hợp kim Si 1-x Ge x với x = 0,2; 0,4; 0,6 và 0,8 tại nhiệt
gian 30 phút
Trang 8k D B
(3 2)
Từ công thức (3.2), tác giả thấy giá trị đường kính D (nm) của hạt nano
tinh thể hợp kim Si1-xGex có giá trị trong khoảng từ 2 ÷11 (nm) khi thành
phần Ge trong hợp kim tăng (x tăng) tại nhiệt độ ủ 1000 oC, được thể hiện trong hình 3.7
Khi giá trị thành phần x tăng lên, nghĩa là hàm lượng nguyên tố Ge
trong hợp kim Si1-xGex tăng, kích thước hạt nano tinh thể và hằng số mạng của tinh thể hợp kim Si1-xGex cũng tăng Để thấy rõ sự thay đổi của hằng số
mạng (a) và kích thước hạt tinh thể (D) của hợp kim nano Si1-xGex với các mẫu xử lý ở cùng nhiệt độ 1000 oC, khi thành phần x tăng từ 0,2 ÷ 0,8 Với thành phần x thay đổi từ 0,2 ÷ 0,8 thì hằng số mạng (a) của tinh thể hợp kim tăng tuyết tính theo hàm lượng Ge lần lượt đưa vào trong tinh thể hợp kim Si1-xGex Giá trị của hằng số mạng của tinh thể hợp kim này tăng dần
trong khoảng từ hằng số mạng aSi = 5,431Å và aGe = 5,651 Å
3.1.4 Phân tích cấu trúc tinh thể hợp kim Si 1-x Ge x
Hình thái cấu trúc và pha của tinh thể nano hợp kim Si1-xGex được quan sát trực tiếp và phân tích chi tiết thông qua phương pháp hiển vi truyền qua phân giải cao (HR-TEM) và nhiễu xạ chọn lọc vùng điện tử (SAED) Hình
3.8 là ảnh TEM của mẫu M4 (x = 0,8) ủ ở 1000 oC Dễ dàng nhận ra sự hình thành các hình cầu nhỏ (đốm đen) với kính thước khác nhau dao động
Trang 9trong khoảng 5 ÷ 14 nm trên nền SiO2, tương ứng với các hạt nano tinh thể của Si và Ge và với mật độ các hạt tinh thể là n ≈ 1,3.1010 cm-3 Kết quả thu được mang khớp với hàm toán học Gaussian tác giả thấy có sự phù hợp, từ
đó tác giả thấy được sự phân bố kích thước của hợp kim tinh thể nano Si
1-xGex với giá trị trung bình là DTB = 9 nm và độ lệch chuẩn là σ = 3 nm, được thể hiện trên hình chèn trong hình 3.8 Kết quả này phù hợp với các tính toán trên cơ sở giản đồ nhiễu xạ điện tử Các hình ảnh và phân tích trong các hình 3.8; 3.9 và 3.10 đã cung cấp cho tác giả các bằng chứng trực tiếp của tinh thể nano đơn pha Si1-xGex đã được hình thành trên vật liệu nền SiO2 với kích thước nano, thay vì các hạt nano Si và nano Ge riêng lẻ
Hình 3.8 Ảnh TEM của
sau khi xử lý nhiệt ở
HR-TEM của một tinh thể
C (hình chèn thêm là ảnh FFT)
3.2 Cấu trúc điện tử của Si, Ge và quá trình chuyển mức trực tiếp
Các công bố trước đây đã chứng minh rằng nếu trong vật liệu hợp kim
Si1-xGex khối có hàm lượng Si thấp thì cấu trúc của dải năng lượng thể hiện
sự đối xứng giống như Ge khối
Khi xem xét cấu trúc dải năng lượng Ge, tác giả thấy rằng năng lượng
chuyển đổi trực tiếp ở vùng gần 2 eV được xác định là E1,vùng gần giữa
điểm Γ và L [6] Ba chuyển đổi trực tiếp khác dưới 5,0 eV cũng được xác định là: E0 ≈ 0,8 eV và E0’ ≈ 3,5 eV tương ứng với sự chuyển đổi trực tiếp
tại điểm Γ (k = 0) E2' ≈ 4,2 eV là sự chuyển tiếp trực tiếp gần điểm đối
xứng X Trong sự hình thành tinh thể nano, hiệu ứng lượng tử gây ra khác
Trang 1010
biệt và có sự chuyển đổi đáng kể của tất cả các mức năng lượng Thông thường, hiệu ứng lớn nhất dự kiến xảy ra ở các dải vùng có độ cong lớn trong nhóm cấu trúc vật liệu khối, tương ứng với khối lượng hiệu dụng nhỏ
Trong trường hợp của vùng chuyển đổi trực tiếp E1, các vùng dẫn và
vùng hóa trị ở từ điểm L và Γ trong không gian véc tơ sóng k là song song,
tức điện tử và lỗ trống có cùng khối lượng hiệu dụng tương đương Điều này làm tăng sự chồng chéo không gian, dẫn đến sự gia tăng nhiều các dao động Như vậy, xác suất chuyển đổi sẽ không phụ thuộc nhiều vào kích thước hạt đơn tinh thể
Hệ số hấp thụ quang học trong quá trình chuyển đổi trực tiếp có liên quan đến năng lượng hấp thụ photon được xác định qua biểu thức Tauc:
quang E g của các vật liệu cấu trúc nano khác nhau
Trong đó α là hệ số hấp thụ, h là năng lượng photon hấp thụ, A là
hằng số phụ thuộc trên các chất bán dẫn khác nhau và E là độ rộng vùng g
( h 0)
Áp dụng phương pháp này vào phổ hấp thụ đo được đối với vật liệu được khảo sát ở nhiệt độ 600, 800 và 1000 o
C, tác giả đã xác định được năng lượng chuyển đổi trực tiếp ở khoảng 2 eV của tinh thể nano Si1-xGex
Để hình dung và thấy rõ sự phụ thuộc của năng lượng chuyển đổi trực tiếp
E1 giữa vùng dẫn và vùng hóa trị của các mẫu M1, M2, M3 và M4 với nhiệt
độ ủ khác nhau, tác giả tổng hợp và thể hiện qua hình 3.16
Hình 3.16 cho thấy sự thay đổi năng lượng E1 đối với đơn tinh thể nano
Si1-xGex như là một hàm phụ thuộc thành phần x và nhiệt độ ủ Tác giả thấy
rằng trong mẫu M4, mẫu có hàm lượng lớn Ge thì giá trị năng lượng trong
sự chuyển đổi trực tiếp E1 dao động xung quanh 2 eV Các nghiên cứu này
cũng được nhiều tác giả đề cập đến, tại vùng năng lượng E1 không thay đổi ứng với kích thước hạt nano tinh khiết Ge Từ đó tác giả có thể kết luận rằng các tinh thể nano Si1-xGex trong mẫu M4 gần giống với tính chất của
Ge Điều này hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu trình bày trước đó trong phép phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X với các mẫu M4 ở các nhiệt độ
ủ khác nhau, ở đó hằng số mạng a trong các mẫu là gần giống như giá trị
Trang 11hằng số mạng của tinh thể tinh khiết Ge là aGe = 5,651 Å Với các mẫu M1
÷ M3 ( x = 0,2 ÷ 0,6), tác giả thấy giá trị năng lượng trong chuyển dời trực tiếp E1 tăng theo nhiệt độ ủ Rõ ràng, sự gia tăng thành phần của Ge, làm
thay đổi hằng số mạng a, như thể hiện trong hình 3.6, cũng ảnh hưởng đến
cấu trúc dải năng lượng của hợp kim tinh thể nano Si1-xGex
3.3 Sự vận động của các hạt tải điện sinh ra sau quá trình kích thích quang học
3.3.1 Sự phát xạ huỳnh quang của vật liệu
Phương pháp nghiên cứu hiệu suất huỳnh quang, nghiên cứu hiệu suất phát xạ huỳnh quang của hệ mẫu theo các bước sóng kích thích khác nhau Màng mỏng chứa hợp kim nano đơn pha Si1-xGex, sau khi chế tạo M1, M2, M3 và M4 được xử lý tại các nhiệt độ 600, 800 và 1000 oC Trước hết, phổ phát xạ huỳnh quang của vật liệu được nghiên cứu
Hình 3.17 (a), (b), (c) và (d) dưới đây là hình ảnh phổ huỳnh quang của các mẫu M1, M2, M3 và M4 đo tại nhiệt độ phòng với bước sóng kích thích là 532 nm Qua hình 3.17, ảnh phổ huỳnh quang, tác giả thấy sự phát quang của các mẫu nếu có là yếu Với cường độ phát quang của các mẫu M1, M2, M3 và M4 thu được từ phổ huỳnh quang, tác giả nhận thấy rằng việc chứng minh các hiệu ứng xảy ra trên vật liệu bằng phương pháp khảo sát hiệu suất huỳnh quang của hệ mẫu trên là không khả thi
Hình 3.16 Năng lượng chuyển đổi trực tiếp E 1 của mẫu M1, M2, M3 và M4 ở các nhiệt độ ủ
Trang 1212
Để tìm hiểu nguyên nhân sự không phát quang của vật liệu SiGe cấu trúc nano, tác giả nghiên cứu thời gian sống của các hạt tải điện Từ đó đánh giá khả năng xảy ra hiệu ứng của vật liệu
3.3.2 Quá trình vận động của hạt tải điện trong vật liệu
Từ phép đo phổ hấp thụ cảm ứng, quá trình động học các hạt tải điện được sinh ra trong quá trình kích thích quang học theo thời gian có thể được nghiên cứu Sự hấp thụ cảm ứng gây ra bởi các hạt tải điện sinh ra trong quá trình kích thích quang học bằng chùm laze kích thích có bước
sóng 340 nm (~ 3,6 eV ) Khoảng cửa sổ lớn nhất là thời gian 3500 ps
Kết quả cho thấy tất cả đường thực nghiệm ứng với năng lượng chùm
dò E dò = 1,0; 1,1; 1.2; 1,3 eV đều có hình dạng hồi phục tương đương, theo dạng tổ hợp của 3 hàm mũ như công thức (3.4) Các đường này được khớp bởi 3 hàm mũ với sự đóng góp ứng với ba thời gian sống của hạt tải điện sinh ra sau quá trình kích thích quang học τ1 ≈ 600 fs, τ2 ≈ 12 ps, và τ3 ≈ 15
0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010
6000 7000 8000 9000 10000 0.0000
0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010
Hình 3.17 (a),(b),(c),(d): Phổ huỳnh quang của mẫu M1, M2, M3,
M4 với bước sóng kích thích 532 nm, tại nhiệt độ phòng