Chế tạo và nghiên cứu tính chất điện, quang của màng mỏng sige ứng dụng trong pin mặt trời thế hệ hai

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC LÊ XUÂN HIẾU CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN, QUANG

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

LÊ XUÂN HIẾU

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN,

QUANG CỦA MÀNG MỎNG SiGe ỨNG DỤNG

TRONG PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ HAI

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

THÁI NGUYÊN - 2019

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

LÊ XUÂN HIẾU

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN,

QUANG CỦA MÀNG MỎNG SiGe ỨNG DỤNG

TRONG PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ HAI

Ngành: Quang học

Mã số: 8 44 01 10

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1 TS VŨ VĂN THÚ

2 PGS.TS NGUYỄN VĂN ĐĂNG

THÁI NGUYÊN - 2019

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài: “Chế tạo và nghiên cứu tính chất điện, quang của màng mỏng SiGe ứng dụng trong pin mặt trời thế hệ hai” là công trình nghiên

cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS Vũ Văn Thú và PGS.TS Nguyễn Văn Đăng Các số liệu và kết quả đưa ra trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào trước Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

về lời cam đoan trên của mình

Thái Nguyên, tháng 11 năm 2019

Tác giả

Lê Xuân Hiếu

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Vũ Văn Thú và PGS.TS Nguyễn Văn Đăng, các thầy đã hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này Các thầy đã luôn chỉ bảo tận tình, động viên cũng như tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu

Tôi xin cảm ơn tới Khoa Vật lí - Công nghệ - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, Viện ITIMS - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cho tôi

cơ hội được học tập, nghiên cứu và làm thực nghiệm Trong suốt thời gian làm luận văn, tôi đã luôn nhận được sự giúp đỡ trong công việc, sự động viên, khích lệ của các thầy, đặc biệt là thầy TS Ngô Ngọc Hà, Viện ITIMS cùng các bạn sinh viên từng học tập và nghiên cứu tại đây Tôi xin ghi nhận những tình cảm quý báu từ các thầy, các anh chị và các bạn đã giành cho tôi

Tôi xin cảm ơn tới Ban giám hiệu, tổ bộ môn Vật lí và các thầy, cô giáo trong trường THPT Quảng Hà đã ủng hộ, tạo mọi điều kiện giúp tôi hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình, anh em, bạn thân

đã luôn tin tưởng và ủng hộ tôi, giúp tôi vượt qua tất cả những khó khăn trong quá trình học tập, nghiên cứu để có thể hoàn thành được luận văn này

Thái Nguyên, tháng 11 năm 2019

Tác giả

Lê Xuân Hiếu

Trang 5

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 3

3 Nội dung nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Bố cục của luận văn gồm 4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN Si và Ge 5

1.1 Cấu trúc vùng năng lượng và quá trình tái hợp phát xạ của các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn 5

1.1.1 Đặc điểm cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn 5

1.1.2 Các quá trình phát quang xảy ra trong vật liệu bán dẫn 6

1.2 Vật liệu bán dẫn Ge 10

1.2.1 Vật liệu bán dẫn Ge tinh thể khối 10

1.2.2 Cấu trúc vùng năng lượng và tính chất quang của Ge tinh thể khối 12

1.3 Vật liệu bán dẫn Si 14

1.3.1 Vật liệu bán dẫn Si tinh thể khối 14

1.3.2 Cấu trúc vùng năng lượng và tính chất quang của Si tinh thể khối 15

1.4 Vật liệu Si cấu trúc nanô 17

1.4.1 Các cấu trúc thấp chiều của vật liệu Si 17

1.4.2 Tính chất quang của vật liệu Si cấu trúc nano 19

1.5 Sự lai hóa giữa vật liệu nano Si và Ge 21

1.6 Pin mặt trời trên cơ sở Si và Ge 23

Trang 6

Chương 2 THỰC NGHIỆM 26

2.1 Phương pháp phún xạ 26

2.1.1 Nguyên lý phương pháp phún xạ 26

2.1.2 Các kỹ thuật phún xạ 26

2.1.3 Bia phún xạ 29

2.2 Một số phương pháp nghiên cứu đặc trưng tính chất 30

2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 30

2.2.2 Phương pháp tán xạ Raman 32

2.2.3 Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X 33

2.2.4 Phương pháp hiển vi điển tử truyền qua phân giải cao 34

2.3 Quy trình chế tạo pin mặt trời trên cơ sở Si và Ge 37

2.3.1 Chế tạo màng mỏng chứa nano Si-Ge 37

2.3.2 Mô tả chi tiết các bước chế tạo 38

2.3.3 Quy trình chế tạo pin mặt trời trên cơ sở Si và Ge 40

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

3.1 Hình thái cấu trúc và một số tính chất quang của vật liệu hợp kim nano Si-Ge 43

3.1.1 Kết quả phân tích thành phần bằng phổ tán sắc năng lượng của vật liệu hợp kim nano Si-Ge trên nền vật liệu SiO2 43

3.1.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến sự hình thành pha tinh thể hợp kim Si1-xGex 44

3.1.3 Kết quả phân tích phổ tán xạ Raman của hợp kim Si1-xGex 46

3.1.4 Kết quả phân tích vi cấu trúc tinh thể của hợp kim Si1-xGex 47

3.2 Khảo sát đánh giá thông số pin mặt trời 49

3.3 Kết quả khảo sát đặc trưng thế dòng (I-V) của pin mặt trời đã chế tạo 52

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

Trang 7

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

BZ Vùng Brillouin DFT Lý thuyết phiếm hàm mật độ EDX Phổ tán sắc năng lượng tia X

Eg Độ rộng vùng cấm FCC Cấu trúc lập phương tâm mặt FFT Phép biến đổi nhanh Fourier

Ge Nguyên tố Germani HR-TEM Hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao

NC Tinh thể nano SAED Nhiễu xạ lựa chọn vùng điện tử

Si Nguyên tố Silic TEM Hiển vi điện tử truyền qua XRD Nhiễu xạ tia X

Trang 8

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Một số thông số vật lý của vật liệu Ge 11 Bảng 1.2 Một số thông số vật lý của vật liệu Si 14 Bảng 1.3 Sự tương đồng giữa vật liệu Si và Ge 16 Bảng 2.1 Bảng mẫu vật liệu Si1-xGex được chế tạo bằng phương pháp đồng

phún xạ catốt 39 Bảng 3.1 Thành phần các nguyên tố có trong hệ mẫu M1, M2, M3, M4 44

Trang 9

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Bán dẫn vùng cấm thẳng 6

Hình 1.2 Bán dẫn vùng cấm xiên 6

Hình 1.3 Mô hình tái hợp chuyển mức thẳng 7

Hình 1.4 Mô hình tái hợp chuyển mức xiên 8

Hình 1.5 Mô hình tái hợp thông qua các trạng thái exciton 9

Hình 1.6 Mô hình tái hợp Donor - Acceptor 10

Hình 1.7 (a) Mô hình cấu trúc tinh thể kiểu kim cương với hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào nhau của Ge; (b) Mặt đẳng năng ở đáy vùng dẫn của chất bán dẫn Ge 12

Hình 1.8 Cấu trúc vùng năng lượng của Ge trong không gian k 13

Hình 1.9 Cấu trúc tinh thể Ge biểu diễn trong không gian 2 chiều 13

Hình 1.10 Mô tả cấu trúc tinh thể (a) và vùng Brillouin thứ nhất (b) của silíc 15

Hình 1.11 Cấu trúc vùng năng lượng của Si 16

Hình 1.12 Mô tả các cấu trúc thấp chiều của Si 18

Hình 1.13 Sự phụ thuộc huỳnh quang của các mẫu SiO2:Si theo nhiệt độ ủ mẫu và nồng độ Si trong mẫu 20

Hình 1.14 Sự phụ thuộc phổ huỳnh quang của mẫu màng SiO2:Si theo kích thước hạt nc-Si 21

Hình 1.15 Phổ ánh sáng mặt trời thu tại mặt đất A.M.1.5 và phần năng lượng ánh sáng có thể thu được từ các loại vật liệu chế tạo pin mặt trời khác nhau 25

Hình 2.1 Nguyên lý cơ bản của quá trình phún xạ 26

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ phún xạ catôt một chiều 27

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ phún xạ catôt xoay chiều RF 28

Hình 2.4 Sơ đồ minh hoạ một hệ phún xạ manhêtrôn phẳng 29

Hình 2.5 Ảnh chụp hệ máy phún xạ Alcatel SCM 400 sử dụng hai nguồn DC và RF 29

Trang 10

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý nhiễu xạ tia X trên tinh thể 31

Hình 2.7 Nhiễu xạ kế D8-Advance 32

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý tán xạ Raman 33

Hình 2.10 Mặt cắt pin mặt trời được chế tạo trong nghiên cứu 42

Hình 3.1 Phổ tán sắc năng lượng tia X của mẫu M1, M2, M3, M4 43

Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu M3 ủ tại nhiệt độ 6000C, 8000C và 10000C 45

Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của tinh thể hợp kim Si1-xGex với x =0,2; 0,4; 0,6 và 0,8 tại nhiệt độ ủ 1000oC 46

Hình 3.4 Phổ Raman của tinh thể hợp kim Si1-xGex với x = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 được xử lý nhiệt ở 1000oC trong môi trường khí N2 với thời gian 30 phút 47

Hình 3.5 (a) Hình ảnh TEM của mẫu Si1-xGex với x = 0,8 sau khi ủ ở 1000°C, các đốm đen có đường kính từ 3÷10 nm là đơn tinh thể hợp kim Si-Ge; (b) Hình ảnh HR-TEM của một hạt tinh thể (hình chèn thêm là ảnh FFT); (c) Hình ảnh nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng (SAED) 48

Hình 3.6 Cấu trúc sơ đồ của pin mặt trời đã chuẩn bị với các tiếp điểm phía trước Ag và Al 49

Hình 3.7 Ảnh SEM của Si (a) và Ge (b) phún xạ trên đế thạch anh tại công suất phún xạ 100 W trong thời gian 90 phút 51

Hình 3.8 Đường cong hiệu chuẩn cho vật liệu Si và Ge phún xạ 52

Hình 3.9 Thiết kế mask điện cực bạc cho pin mặt trời 52

Hình 3.10 Pin mặt trời sau khi được chế tạo được kiểm tra đặc trưng I-V trên hệ Sun-simulator Oriel IV test station (Oriel instruments, Mỹ) 53

Hình 3.11 Đặc trưng I-V của pin mặt trời đã chế tạo 53

Hình 3.12 Mạch điện tương đương của pin mặt trời khi kiểm tra đặc trưng I-V 54

Trang 11

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Sự phát triển nhanh của nền kinh tế và xã hội Việt Nam gắn liền với nhu cầu

về năng lượng ngày càng tăng Khi các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên đang nhanh chóng cạn kiệt, sự thiếu hụt năng lượng trở nên hiện hữu Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng tái tạo là một trong những hướng quan trọng có tính cấp thiết cao Do đó, việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các thiết bị thu nhận và chuyển đổi nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời này sang thành điện năng - pin mặt trời - là một hướng đi đúng và thiết thực

Gần đây, nghiên cứu và phát triển các loại vật liệu có tính ưu việt, thân thiện với môi trường dùng trong việc chế tạo các linh kiện quang, điện tử tiên tiến trên cơ

sở Si và Ge thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới Loại bán dẫn vùng cấm xiên Ge đã và đang sử dụng rất nhiều trong các loại cảm biến hồng ngoại, các thiết bị khuếch đại công suất cao Sự tương thích của

Si và Ge cho thấy loại vật liệu này có thể điều chỉnh cấu trúc vùng năng lượng thông qua việc thay đổi thành phần cấu thành [1-3] Sự thay đổi cấu trúc vùng năng lượng theo ý muốn đóng vai trò quan trọng cho công nghệ chế tạo vi điện tử bán dẫn hiện đại Đặc biệt, sự pha trộn của hai bán dẫn vùng cấm xiên Si và Ge tạo thành hợp kim SiGe thu hút nhiều sự quan tâm bởi các nhà khoa học với khả năng điều chỉnh cấu trúc vùng năng lượng của loại vật liệu này [1-3] Được phát triển trên cơ sở công nghệ chế tạo vi điện tử bán dẫn, vật liệu hợp kim SiGe là tiền đề cho việc thiết kế và chế tạo những loại linh kiện bán dẫn với thời gian đáp ứng nhanh trên cơ sở vật liệu Si truyền thống [4] Khả năng này có được nhờ độ linh động của hạt tải và các hệ số môi trường nội tại thay đổi, tuy nhiên loại vật liệu hợp kim này vẫn là loại bán dẫn vùng cấm xiên Trong các hệ cấu trúc thấp chiều, tính chất quang học của chất bán dẫn vùng cấm xiên này có thể được tăng cường bởi hiện tượng giam giữ lượng tử Các hiệu ứng này bao gồm việc giảm thời gian tái hợp phát xạ của các cặp điện tử - lỗ trống, do đó tăng khả năng phát xạ tái hợp vùng vùng - tái hợp exciton, và khả năng điều chỉnh được bước sóng phát xạ [5, 6] Hơn

Trang 12

nữa, các cấu trúc thấp chiều có thể giúp nâng cao hiệu quả của quá trình tương tác lưỡng cực giữa các hạt tải, chẳng hạn như tái hợp Auger và hiệu ứng nhân hạt tải điện - quá trình sinh ra nhiều hơn một cặp điện tử lỗ trống khi hấp thụ một photon ánh sáng [7] Trong đó, hiệu ứng nhân hạt tải điện có thể giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện của các hệ pin mặt trời thế hệ mới Khi mà điểm năng lượng thấp trong vùng dẫn tại điểm  trong vùng Brillouin của Si liên quan đến quỹ đạo p

không liên kết, trật tự của tiểu vùng dẫn tại vị trí này trong Ge được bảo toàn, với

mức năng lượng thấp nhất phản liên kết vùng dẫn quỹ đạo s Đặc tính này tạo cho

Ge gần giống như loại bán dẫn vùng cấm thẳng Mức năng lượng vùng cấm thẳng 0,8 eV cao hơn 0,14 eV so với mức năng lượng vùng cấm xiên thấp nhất của Ge tại điểm L trong vùng Brillouin Sự chuyển tiếp quang điện tử vùng dẫn thẳng có thể xảy ra ở các tiểu vùng có mức năng lượng cao hơn như 2,3 eV; 3,2 eV; và 4,6 eV tại các điểm L, , và X trong vùng Brillouin của Ge Điều này làm tăng tiết diện hấp thụ của vật liệu trong phổ phát xạ của mặt trời Cũng cần thiết đề cập thêm ở đây rằng với sự khác biệt nhỏ, cấu trúc vùng năng lượng của Ge có thể đưa ra một khả năng chuyển đổi từ cấu trúc vùng năng lượng xiên thành cấu trúc vùng năng lượng thẳng Sự pha trộn giữa hai vật liệu Si và Ge nhằm đem lại những thay đổi trong cấu trúc vùng năng lượng hay độ rộng vùng cấm phù hợp, tăng khả năng tận dụng tối đa năng lượng mặt trời được chuyển đổi thành điện năng

Trong những năm gần đây, vật liệu lai hóa SiGe được đặc biệt quan tâm nghiên cứu của rất nhiều phòng thí nghiệm lớn trên thế giới [8-14] Việc nghiên cứu tích chất quang, điện tử của vật liệu Si và Ge cấu trúc thấp chiều cũng được quan tâm tại một số phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu có uy tín ở Việt Nam như: Viện Vật lý - Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam; Viện Vật lý Kĩ Thuật - ĐHBK Hà Nội

và một số nhóm nghiên cứu từ các Trường ĐH và các Viện nghiên cứu khác Tuy nhiên, vật liệu lai hóa nano SiGe được đề xuất trong đề tài này chưa được quan tâm khảo sát và nghiên cứu chuyên sâu, mặc dù đây là loại vật liệu tiềm năng ứng dụng rất cao cho lớp chuyển đổi quang điện của pin mặt trời hiệu suất cao, đặc biệt bởi sự phổ biến và thân thiện với môi trường của vật liệu cũng như tính tương thích của công nghệ chế tạo hiện nay

Trang 13

Việc tăng cường độ nhạy quang và hiệu suất chuyển đổi từ quang năng (ánh sáng) sang điện năng là quan trọng giúp tăng cường phẩm chất và hiệu quả sử dụng của các pin mặt trời Đặc biệt đối với các loại thiết bị trên cơ sở vật liệu Si hiện đang được sử dụng phổ biến nhất bởi nguồn trữ lượng dồi dào và giá thành sản xuất tương đối rẻ so với các sản phẩm cùng loại Tuy nhiên, hạn chế của vật liệu Si là vùng nhạy sáng bị giới hạn trong vùng hồng ngoại (< 1,1 eV) và hiệu suất quang ở mức trung bình Việc đưa thêm Ge vào Si nhằm tăng cường khả năng mở rộng phổ nhạy sáng cũng như hiệu suất chuyển đổi quang điện của các thiết bị Hơn thế nữa, gần đây trên thế giới có rất nhiều các công trình công bố uy tín trên thế giới về các

hệ vật liệu SiGe ứng dụng làm pin mặt trời

Xuất phát từ những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu “Chế tạo và nghiên cứu tính chất điện, quang của màng mỏng SiGe ứng dụng trong pin mặt trời thế hệ hai”

2 Mục tiêu của đề tài

- Đưa ra được quy trình công nghệ chế tạo vật liệu quang điện Si-Ge độ rộng vùng cấm thay đổi và có hiệu suất cao

- Tối ưu hóa thành phần và cấu trúc của vật liệu Si-Ge để thu được các tính chất vật lý cho phép ứng dụng trong pin quang điện

3 Nội dung nghiên cứu

- Ảnh hưởng của quá trình công nghệ lên việc hình thành các cấu trúc và hình thái của vật liệu lai hóa

- Tính chất vật lý của vật liệu lai hóa Si-Ge kích thước nano nhằm đem lại hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng cao nhất, phù hợp với phổ ánh sáng mặt trời

- Các đặc trưng của vật liệu và linh kiện chế tạo

- Tính ổn định cơ học và hóa học của loại vật liệu lai hóa Si-Ge

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn được thực hiện chủ yếu bằng phương pháp thực nghiệm Các phương pháp chế tạo vật liệu như: bốc bay nhiệt, phún xạ ca tốt, phương pháp ăn mòn hóa học và phương pháp điện hóa Tính chất vật lý, tính chất hóa học, các đặc trưng của vật liệu SiGe được nghiên cứu thông qua các phép đo huỳnh quang liên tục, huỳnh

Trang 14

quang phụ thuộc thời gian, hiển vi điện tử quét, hiển vi điện tử truyền qua (SEM, TEM), phổ hấp thụ và truyền qua UV-VIS, phổ tán xạ năng lượng điện tử (EDS), nhiễu xạ tia X (XRD) và tán xạ Raman,

5 Bố cục của luận văn gồm

Mở đầu: Giới thiệu lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về vật liệu bán dẫn Si và Ge

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Kết luận: Trình bày tóm lược các kết quả chính của luận văn

Tài liệu tham khảo

Trang 15

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN Si và Ge

1.1 Cấu trúc vùng năng lượng và quá trình tái hợp phát xạ của các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn

1.1.1 Đặc điểm cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn

Cấu trúc vùng năng lượng vật liệu bán dẫn quyết định trực tiếp đến tính chất phát quang trong chất bán dẫn, vì vậy việc tìm hiểu cấu trúc vùng năng lượng của chúng là rất cần thiết Ở nhiệt độ thấp, bán dẫn có phổ năng lượng gồm các vùng cho phép điền đầy hoàn toàn và các vùng trống hoàn toàn Trong đó vùng trống hoàn toàn thấp nhất là vùng dẫn, mức năng lượng cực tiểu của vùng dẫn gọi là đáy vùng dẫn, ký hiệu EC; vùng điền đầy cao nhất là vùng hoá trị, mức năng lượng cực đại của vùng hoá trị gọi là đỉnh vùng hoá trị, ký hiệu EV Khoảng cách năng lượng Eg = EC - EV gọi

là bề rộng vùng cấm Trạng thái của điện tử trong các vùng năng lượng cho phép

được đặc trưng bởi năng lượng E và các véctơ sóng k (kx, ky, kz) Tại lân cận các điểm cực trị, sự phụ thuộc giữa năng lượng E và véc tơ sóng k trong các vùng năng lượng cho phép rất phức tạp Lân cận các điểm cực trị này, sự phụ thuộc E(k) có thể xem gần đúng có dạng một hàm bậc hai, tương ứng như sau [2]:

Đối với điện tử:   2 2

* 2

c e

Trang 16

Hình 1.1 Bán dẫn vùng cấm thẳng

Dựa vào cấu trúc của vùng cấm, người ta chia bán dẫn ra làm 2 loại khác nhau:

- Bán dẫn có vùng cấm trực tiếp hay còn gọi là vùng cấm thẳng: đỉnh của vùng hoá trị và đáy vùng dẫn có cùng một véc tơ sóng k Sự chuyển mức năng lượng (tái hợp) xảy ra trong cùng một vectơ sóng gọi là chuyển mức thẳng (Hình 1.1)

- Bán dẫn có vùng cấm không trực tiếp còn gọi là vùng cấm xiên: đỉnh vùng hoá trị và đáy vùng dẫn không có cùng một véc tơ sóng k Sự chuyển mức xảy ra giữa hai mức năng lượng trong bán dẫn này gọi là chuyển mức xiên (Hình 1.2)

Hình 1.2 Bán dẫn vùng cấm xiên

1.1.2 Các quá trình phát quang xảy ra trong vật liệu bán dẫn

Sự phát quang của vật liệu bán dẫn gồm hai quá trình chính là quá trình hấp thụ và quá trình tái hợp Quá trình hấp thụ xảy ra khi điện tử chuyển lên vùng dẫn khi được kích thích bởi năng lượng bên ngoài (quang năng, nhiệt năng ) Khi điện

tử được kích thích lên các trạng thái có mức năng lượng cao hơn, nó luôn có xu hướng hồi phục về mức năng lượng có giá trị năng lượng thấp hơn và giải phóng năng lượng Quá trình này gọi là quá trình tái hợp Năng lượng giải phóng ra trong quá trình này có thể thể hiện dưới dạng ánh sáng hay nhiệt năng Để hiểu rõ hơn về quá trình tái hợp trong chất bán dẫn chúng tôi tập trung nghiên cứu chi tiết các dạng tái hợp xảy ra trong bán dẫn

1.1.2.1 Tái hợp chuyển mức thẳng

Trang 17

Chuyển mức thẳng là chuyển mức vùng - vùng xảy ra trong chất bán dẫn có đỉnh vùng hoá trị và đáy vùng dẫn nằm trên cùng một véc tơ sóng Khi điện tử hấp thụ một photon, nếu năng lượng của photon kích thích ≥ Eg (năng lượng vùng cấm) thì điện tử sẽ chuyển lên vùng dẫn Trong khi đó, ở vùng hoá trị đồng thời xuất hiện một lỗ trống tương ứng và lỗ trống này có xu hướng chuyển về đỉnh vùng hoá trị Khi đó ở trong vùng dẫn các điện tử có xu hướng chuyển về đáy vùng dẫn Thời gian hồi phục của điện tử và lỗ trống về đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hoá trị tương ứng ~ 10-14 đến 10-12 giây Sau thời gian hồi phục, điện tử và lỗ trống ở điểm cực trị của các vùng năng lượng, sau đó xảy ra quá trình tái hợp giữa điện tử và lỗ trống Quá trình tái hợp vùng - vùng của chuyển mức thẳng xảy ra tuân theo các định luật

bảo toàn năng lượng và bảo toàn xung lượng [2]:

Hình 1.3 Mô hình tái hợp chuyển mức thẳng

1.1.2.2 Tái hợp chuyển mức xiên

Trong bán dẫn nếu đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hoá trị không nằm trên cùng một véc tơ sóng thì chuyển mức trong bán dẫn là chuyển mức vùng - vùng không

Trang 18

thẳng hay còn gọi là chuyển mức xiên Quá trình chuyển mức này luôn kèm theo sự hấp thụ hoặc bức xạ phonon [2]:

h E E E (1.5)

k k k (1.6) Trong đó EP là năng lượng của phonon, k plà véc tơ sóng của phonon Trong quá trình hấp thụ cơ bản chuyển mức xiên có sự tham gia của ba hạt (điện tử, photon và phonon) Có thể giải thích quá trình chuyển mức xiên thành hai giai đoạn như Hình 1.2 Trong giai đoạn thứ nhất, điện tử từ vùng hoá trị hấp thụ photon và chuyển mức thẳng lên một trạng thái giả định, thời gian sống của trạng thái giả định rất nhỏ cho nên độ bất định của trạng thái này có thể rất lớn và vì thế không nhất thiết phải thoả mãn định luật bảo toàn năng lượng trong giai đoạn thứ nhất này Trong giai đoạn thứ hai, điện tử chuyển từ trạng thái giả định trong vùng dẫn vào trạng thái cuối ở cực tiểu EC của vùng dẫn bằng cách hấp thụ hoặc bức xạ một phonon Sự tái hợp chuyển mức xiên được biểu diễn trên Hình 1.4

Hình 1.4 Mô hình tái hợp chuyển mức xiên

1.1.2.3 Tái hợp thông qua trạng thái exciton

Khi bán dẫn có độ tinh khiết cao, bị kích thích bằng ánh sáng với năng lượng cao hơn năng lượng của vùng cấm, trong chất bán dẫn sẽ hình thành các cặp điện tử

- lỗ trống Các cặp điện tử - lỗ trống này có thể chuyển động tự do trong bán dẫn và đóng góp trực tiếp vào tính dẫn điện của chất bán dẫn Trong một số trường hợp, do tương tác Coulomb điện tử và lỗ trống hút nhau, những trạng thái liên kết đặc biệt giữa điện tử và lỗ trống có thể xuất hiện Năng lượng photon cần thiết để tạo ra các

Trang 19

trạng thái này nhỏ hơn năng lượng vùng cấm, cặp điện tử - lỗ trống liên kết với nhau như vậy tạo thành các giả hạt gọi là exciton Quá trình tái hợp các hạt tải sẽ triệt tiêu exciton và phát ra phổ bức xạ dải khá hẹp dưới dạng năng lượng ánh sáng hoặc năng lượng phonon Trường hợp bán dẫn có vùng cấm thẳng, năng lượng tái hợp bức xạ có dạng:

h E E (1.7)

Trong đó E x là năng lượng liên kết exciton

Trường hợp bán dẫn có vùng cấm xiên, định luật bảo toàn xung lượng được

thoả mãn khi có sự tham gia của phonon quang với năng lượng E p Bức xạ exciton

có thể có sự tham gia của một hay nhiều phonon Nếu số phonon phát ra trong quá trình chuyển dời càng nhiều thì xác suất chuyển dời càng thấp Đối với bán dẫn có vùng cấm xiên, trong quá trình chuyển dời, photon phát ra có năng lượng:

h E g E x m E p (1.8)

Trong đó m là số phonon phát ra trong quá trình chuyển dời [2]

Tái hợp thông qua trạng thái exciton được mô tả như Hình 1.5

Hình 1.5 Mô hình tái hợp thông qua các trạng thái exciton

1.1.2.4 Tái hợp thông qua các donor và acceptor

Trường hợp trong chất bán dẫn xuất hiện đồng thời các tạp chất donor và acceptor thì sẽ xảy ra tương tác Coulomb giữa donor và acceptor Nếu nồng độ của chúng đủ lớn thì có thể xảy ra tái hợp bức xạ giữa điện tử của donor và lỗ trống của

acceptor Nếu hai tạp chất này cách nhau một khoảng r thì năng lượng của photon

phát ra có độ lớn là:

Trang 20

Trong đó E g là năng lượng vùng cấm, E D là năng lượng của donor, E A là năng

lượng của acceptor, q2

1.2.1 Vật liệu bán dẫn Ge tinh thể khối

Germani (Ge) là nguyên tố thuộc nhóm IVA của bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học Tính chất hóa học vật liệu này đã được Mendeleev tiên đoán từ năm 1771 Ge là một nguyên tố màu trắng ánh xám, cứng có nước bóng kim loại và cấu trúc tinh thể tương tự như kim cương Ngoài ra, đặc tính quan trọng cần lưu ý là

Ge là chất bán dẫn, với các tính chất điện nằm giữa các kim loại và các chất cách điện Với vật liệu Ge khối, có độ rộng vùng cấm thẳng 0,8 eV, cao hơn 0,14 eV so

với độ rộng vùng cấm xiên thấp nhất tại điểm L trong vùng Brillouin Sự chuyển

tiếp quang điện tử vùng dẫn thẳng có thể xảy ra ở các tiểu vùng có mức năng lượng

cao hơn như 2,3 eV; 3,2 eV và 4,6 eV tại các điểm L, Γ và X trong vùng Brillouin

Trang 21

Điều này làm tăng tiết diện hấp thụ của vật liệu trong phổ phát xạ của mặt trời Cũng cần thiết đề cập thêm ở đây rằng với sự khác biệt nhỏ giữa vùng cấm thẳng và vùng cấm xiên của Ge có thể đưa ra một khả năng chuyển đổi từ cấu trúc vùng năng lượng xiên thành cấu trúc vùng năng lượng thẳng khi có sự thay đổi như kích thước

và tính chất [1], [2]

Với năng lượng vùng cấm, vật liệu Ge được lựa chọn làm các linh kiện chuyển đổi ánh sáng hồng ngoại thành các tín hiệu điện - detector hồng ngoại với hiệu suất hấp thụ photon là khá tốt Chỉ xét riêng về độ rộng vùng cấm thì vật liệu Ge có khe năng lượng khá gần với năng lượng lý thuyết lý tưởng cho hiệu suất cao nhất của pin mặt trời đơn lớp bán dẫn Các thông số vật lý của vật liệu bán dẫn Ge được thể hiện trong Bảng 1.2

Bảng 1.1 Một số thông số vật lý của vật liệu Ge [1],[2]

Trang 22

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

Nguyên tố Ge có 32 điện tử, với cấu trúc điện tử là 1s22s22p63s23p63d104s24p2, với lớp ngoài cùng chưa điền đầy gồm 4 điện tử 4s24p2 Tinh thể Ge có cấu trúc tinh thể kiểu kim cương Sơ đồ mạng tinh thể của nó được biểu diễn trên Hình 1.7 Ở mỗi nút mạng có lõi ion mang điện tích + 4 và 4 điện tử hóa trị gắn với nó Những điện tử này cùng với các điện tử của 4 nguyên tử gần nhất tạo thành các mối liên kết

sp3 bền vững [2]

Hình 1.7 (a) Mô hình cấu trúc tinh thể kiểu kim cương với hai mạng lập

phương tâm mặt lồng vào nhau của Ge; (b) Mặt đẳng năng ở đáy vùng dẫn

của chất bán dẫn Ge [1],[2]

Mặt đẳng năng của Ge là 8 nửa hình xoay khối elip dọc theo các trục [111], biên của vùng Broullin tại tâm các hình xoay khối elip và các mặt năng lượng không đổi Cần chú ý rằng tại một điểm trên vùng Broullin, nếu dùng một mặt đẳng năng có năng lượng lớn hơn cực tiểu một ít thì chỉ có một nửa elip nằm trong vùng Broullin thứ nhất Như vậy với 8 cực tiểu đối xứng chúng ta chỉ có 8 nửa elip nằm

Trang 23

trong vùng Broullin Nói cách khác chúng ta chỉ có 4 elip nằm trong vùng Broullin Hình 1.7(b)

Hình 1.8 Cấu trúc vùng năng lượng của Ge trong không gian k [2]

Hình 1.9 Cấu trúc tinh thể Ge biểu diễn trong không gian 2 chiều

Từ Hình 1.8, cấu trúc vùng năng lượng trong không gian k của Ge thấy cực đại

vùng hóa trị và cực tiểu vùng dẫn không nằm cùng trên một điểm trong vùng Brillouin, nên Ge có vùng cấm xiên, sự phụ thuộc của bề rộng vùng cấm xiên vào nhiệt độ cũng có thể biểu diễn gần đúng bằng công thức [1]:

Trang 24

1.3.1 Vật liệu bán dẫn Si tinh thể khối

Bảng 1.2 Một số thông số vật lý của vật liệu Si [1], [2]

lý nhiệt Vật liệu khối Si dễ dàng thụ động hóa bề mặt bằng cách oxi hóa nó Các

Trang 25

thông số vật lý của vật liệu bán dẫn Si được thể hiện ở Bảng 1.1 [1],[2] Lớp oxit của Si có tác dụng giảm đáng kể trạng thái bề mặt và từ đó giảm tốc độ tái hợp bề mặt Oxit silic rất bền vững, không những nó có tác dụng như một lớp mặt nạ bảo

vệ mà còn như một chất điện môi có khả năng cách điện cao

Hình 1.10 Mô tả cấu trúc tinh thể (a) và vùng Brillouin thứ nhất (b)

của silíc [1], [2]

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

Nguyên tố Si có 14 điện tử, với cấu hình vỏ điện tử 1s22s22p63s23p2, có hai lớp điện tử đầy hoàn toàn toàn, lớp thứ ba chưa điền đầy 3s23p2 Nếu như kết tinh thành tinh thể, các vùng năng lượng cho phép hình thành đúng như từ các mức năng lượng nguyên tử cô lập thì Si sẽ là kim loại Vùng năng lượng được tạo nên từ mức

np2 sẽ chứa được 6N điện tử (N số nguyên tử trong tinh thể), nhưng trong tinh thể

Si chỉ có 2N điện tử chính vì vậy Si thể hiện tính dẫn điện của kim loại

Trong thực tế Si là chất bán dẫn điển hình, nguyên nhân là do khi hình thành

tinh thể mức p và mức s trong nguyên tử tự do kết hợp với nhau và tạo thành hai

vùng cho phép ngăn cách nhau bởi một vùng cấm Vùng phía dưới chứa được 4N điện tử và điền đầy hoàn toàn, gọi là vùng hóa trị của tinh thể Vùng phía trên cũng chứa được 4N điện tử nhưng trống hoàn toàn và trở thành vùng dẫn

Trong vùng hoá trị của Si có các vùng con chồng lên nhau, các vùng con được gọi là các nhánh năng lượng Hình 1.8 vẽ các nhánh năng lượng đó theo các phương [111], [100] và [110] Cực đại của nhánh thứ nhất và nhánh thứ hai trùng nhau và nằm ở tâm vùng Brillouin, cực đại của nhánh thứ ba cũng ở tâm vùng

Trang 26

Brillouin nhưng hạ thấp xuống một khoảng E S 0, 035eV do tương tác spin - quỹ đạo Một điểm quan trọng của vùng dẫn là theo hướng tinh thể [100] nhánh năng lượng đánh số 2 có một cực tiểu tuyệt đối nằm gọn trong vùng Brillouin Do tính đối xứng của tinh thể nên có tất cả 6 cực tiểu như thế trong vùng Brillouin thứ nhất

Hình 1.11 Cấu trúc vùng năng lượng của Si [1], [2]

Đối với Si, cực đại vùng hoá trị và cực tiểu vùng dẫn không cùng nằm trên một điểm của vùng Brillouin, nên Si có vùng cấm xiên Bề rộng vùng cấm của Si phụ thuộc vào nhiệt độ và được biểu diễn gần đúng theo biểu thức:

Bảng 1.3 Sự tương đồng giữa vật liệu Si và Ge [1],[2]

Trang 27

Cấu trúc tinh thể Kiểu kim cương Kiểu kim cương

Cấu trúc vùng năng lượng Vùng cấm xiên Vùng cấm xiên

1.4 Vật liệu Si cấu trúc nanô

1.4.1 Các cấu trúc thấp chiều của vật liệu Si

Quan điểm về khả năng phát quang của Si đã thay đổi từ năm 1990 khi Canham và cộng sự [20] đã công bố về sự phát quang từ Si xốp ở nhiệt độ phòng Đây là một bước đột phá trong công nghệ Si đã tạo nên một làn sóng nghiên cứu mới cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm nhằm giải thích cơ chế phát quang của Si

có cấu trúc nano Điểm thú vị trong công bố của Canham là khả năng phát quang của vật liệu Si thay đổi từ rất yếu, không đáng kể ở dạng tinh thể khối thành phát quang mạnh ở nhiệt độ phòng đối với các tinh thể Si cực nhỏ có kích thước cỡ nm

Si có cấu trúc nano thuộc về nhóm các hệ vật lý thấp chiều (2D - 0D) Chiều ở đây được gán cho số hướng không gian mà các hạt tải trong vật liệu còn hoạt động như các hạt tải tự do Trong hệ có cấu trúc 3D, các hạt tải điện tự do theo cả ba hướng không gian và đây chính là trường hợp của vật liệu khối Tuỳ thuộc vào việc các hạt tải bị giam giữ theo một, hai hoặc cả ba hướng không gian, ta sẽ có các hệ cấu trúc 2D (giếng lượng tử), 1D (sợi lượng tử), hoặc 0D (chấm lượng tử) tương ứng Cấu trúc thấp chiều của Si được mô tả như Hình 1.12

Trang 28

Hình 1.12 Mô tả các cấu trúc thấp chiều của Si [20]

Sự giam giữ không gian các hạt tải điện trong hệ có cấu trúc thấp chiều làm thay đổi phổ năng lượng và mật độ các trạng thái của chúng Trong vật liệu bán dẫn khối, các điện tử vùng dẫn chuyển động tự do bên trong chất rắn, phổ năng lượng của chúng hầu như liên tục, và mật độ các trạng thái điện tử được phép trên một đơn

vị năng lượng tăng theo hàm căn bậc hai Tuy nhiên, trong cấu trúc thấp chiều các hạt tải sẽ tồn tại trong các trạng thái năng lượng bị lượng tử hoá Điện tử bị giam giữ khi kích thước hạt tinh thể so sánh được với bán kính Bohr của cặp điện tử - lỗ trống (exciton) hình thành do tương tác của photon với nano tinh thể

Do kích thước nhỏ nên các tính chất quang của hệ vật lý thấp chiều bị khống chế bởi kích thước vật lý và tính chất hoá học bề mặt của chúng Nếu đường kính của các nano tinh thể nhỏ hơn bán kính Bohr của exciton thì sẽ xảy ra hiệu ứng giam giữ lượng tử mạnh Các trạng thái năng lượng của điện tử và lỗ trống trong nanô tinh thể trở nên gián đoạn và các mức năng lượng của điện tử và lỗ trống sẽ thay đổi theo đường kính và thành phần của chúng Tinh thể càng nhỏ thì sự khác nhau giữa các trạng thái năng lượng càng lớn

Trang 29

Tính chất quang của vật liệu phụ thuộc vào năng lượng và mật độ của các trạng thái điện tử, nên có thể thay đổi các tính chất vật lý này bằng cách thay đổi kích thước và tính chất bề mặt của các nano tinh thể

1.4.2 Tính chất quang của vật liệu Si cấu trúc nano

Tính chất quang của các tinh thể bán dẫn kích thước nm rất khác với tính chất quang của vật liệu khối cùng thành phần Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng so với vật liệu Si khối, các trạng thái điện tử trong cấu trúc nano Si bị chi phối mạnh bởi cả hiệu ứng giam giữ lượng tử và hiệu ứng bề mặt [1, 17] Phổ huỳnh quang của các cấu trúc nano Si phụ thuộc rất mạnh vào kích thước tinh thể, nồng độ các hạt nano

Si và chế độ xử lý nhiệt đối với mẫu sau khi chế tạo

Cho đến nay các kết quả nghiên cứu phổ huỳnh quang của vật liệu Si cấu trúc nano thường cho kết quả tập trung vào hai vùng phổ: vùng (I) 350-500 nm và vùng (II) 600-900 nm Trong vùng (I), kết quả phổ nhận được thường khá phức tạp

và khó xác định chính xác cơ chế phát quang do có sự trùng lặp với vùng phổ của các sai hỏng trong SiO2, cũng như các trạng thái bề mặt ở biên tiếp xúc Si-SiO2 Cơ chế phát quang trong vùng này thường được giải thích dựa trên mô hình trạng thái

bề mặt Các mẫu cho phổ trong vùng (I) thường được chế tạo bằng phương pháp như ăn mòn điện hoá, cấy ion, lắng đọng hoá học, phún xạ, các phương pháp nghiền

và xử lý hoá học Trong vùng (II), các kết quả phổ nhận được là khá thống nhất và

có độ lặp lại cao với việc quan sát được sự thay đổi bước sóng ánh sáng phát ra phụ thuộc vào kích thước của các nano tinh thể Si có trong mẫu Phổ phát ra dịch về phía bước sóng dài (năng lượng thấp) khi tăng nồng độ Si trong mẫu, hoặc khi tăng nhiệt độ cũng như thời gian ủ nhiệt trong môi trường khí N2 Hình 1.13 mô tả sự phụ thuộc huỳnh quang của các mẫu SiO2:Si theo nhiệt độ ủ mẫu và nồng độ Si trong mẫu [5]

Trang 30

Hình 1.13 Sự phụ thuộc huỳnh quang của các mẫu SiO 2 :Si theo nhiệt độ ủ mẫu

và nồng độ Si trong mẫu [5]

Cơ chế phát quang trong vùng (II) thường được giải thích đúng đắn trên cơ

sở hiệu ứng giam giữ lượng tử Các mẫu cho phổ trong vùng này thường được chế tạo bằng phương pháp như ăn mòn điện hoá, cấy ion, epitaxy chùm phân tử, lắng đọng hoá học và phương pháp phún xạ [3-5] Hình 1.14 mô tả sự phụ thuộc phổ huỳnh quang của mẫu màng SiO2:Si theo kích thước hạt nc-Si [5]

Hình 1.14 Sự phụ thuộc phổ huỳnh quang của mẫu màng SiO 2 :Si

Trang 31

theo kích thước hạt nc-Si [5]

1.5 Sự lai hóa giữa vật liệu nano Si và Ge

Sự lai hóa của hai bán dẫn vùng cấm xiên Si và Ge tạo thành hợp kim Si-Ge thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học và công nghệ bởi nhiều đặc tính ưu việt như khả năng điều chỉnh cấu trúc vùng năng lượng, độ linh động của hạt tải cao Trên nền tảng Si, loại vật liệu này tận dụng được công nghệ chế tạo vi điện tử bán dẫn hiện đại, đây là cơ sở cho việc phát triển những loại linh kiện bán dẫn với thời gian đáp ứng nhanh trên cơ sở vật liệu Si truyền thống

Vật liệu lai hóa SiGe đang được đặc biệt quan tâm của nhiều phòng thí nghiệm lớn trên thế giới Các nhóm nghiên cứu mạnh về vấn đề này có thể kể ra như nhóm nghiên cứu của giáo sư T Gregorkiewicz từ Viện van der Waals- Zeeman (WZI), Đại học Amsterdam (Hà Lan): nghiên cứu các hiệu ứng nhân hạt tải điện trong hệ vật liệu thấp chiều bao gồm Si và Ge; các nghiên cứu về khả năng ứng dụng vật liệu nano Ge nhóm nghiên cứu của giáo sư L Tsybeskov; nghiên cứu linh kiện quang điện Ge và Si của nhóm nghiên cứu của giáo sư J Michel từ phòng thí nghiệm công nghệ Massachuset (MIT) Mỹ, nhóm nghiên cứu của giáo sư A J Nozik và V I Klimov từ phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ về năng lượng tái tạo và

ĐH Colorado, nhóm nghiên cứu lý thuyết về vật liệu bán dẫn vùng cấm xiên Si và

Ge của giáo sư C Delerue từ Viện điện tử, vi điện tử và công nghệ nanô (Pháp), nhóm nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Si, Ge và vật liệu lai hóa SiGe của giáo sư M Fujii từ ĐH Kyoto (Nhật Bản)

Việc nghiên cứu tích chất quang, điện tử của vật liệu Si và Ge cũng được quan tâm tại một số phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu có uy tín ở Việt Nam Có thể kể tới lý thuyết về độ linh động và các cơ chế tán xạ của lỗ trống trong vật liệu lượng tử Si/SiGe/Si giàu Ge của nhóm nghiên cứu lý thuyết thuộc nhóm nghiên cứu của GS.TS Đoàn Nhật Quang tại Trung tâm Vật lý Lý thuyết, Viện Vật lý PGS.TS

Vũ Ngọc Tước, PGS.TS Nguyễn Huyền Tụng, Bộ môn Vật lý Lý thuyết, Viện Vật

lý Kĩ Thuật, các nghiên cứu về dây nano Si bằng phương pháp phún xạ catốt nhóm được nghiên cứu thực nghiệm bởi PGS.TS Nguyễn Hữu Lâm, Viện Vật lý Kĩ

Trang 32

Thuật, các nghiên cứu về chế tạo và tính chất quang của các loại vật liệu Si có cấu trúc thấp chiều bởi PGS.TS Phạm Thành Huy, Viện Tiên tiến về Khoa học Công nghệ, Đại học Bách Khoa Hà Nội, và một số nhóm nghiên cứu từ các Trường ĐH

và các Viện nghiên cứu khác

Khoa học và Công nghệ Nano đã được nghiên cứu và phát triển từ cuối thế

kỷ XX Cho đến nay, Công nghệ nano có ảnh hưởng lớp đến hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống và nó cúng hứa hẹn nhiều khả năng ứng dụng mới trong tương lai

Vì vậy, hiện nay các nghiên cứu về đặc tính của vật liệu nano cũng như triển vọng ứng dụng đã và đang được thu hút nghiên cứu bởi các nhà khoa học trong nước và ngoài nước Vật liệu nano là loại vật liệu có kích thước cấu trúc cỡ nano (kích thước các hạt vật liệu nằm trong khoảng 0,1 đến nhỏ hơn 100 nm), chúng có rất nhiều tính chất khác biệt so với vật liệu khối

Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng khi kích thước của vật rắn giảm xuống một cách đáng kể theo 1 chiều, 2 chiều, hay cả 3 chiều thì các tính chất vật lý có thể thay đổi khác với tính chất của chúng ở dạng khối Tính chất vật lý của vật liệu có thể thay đổi được bằng cách điều chỉnh hình dạng và kích thước cỡ nm của chúng khi kích thước vật liệu giảm xuống cỡ nm, khi đó sẽ xuất hiện hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng giam giữ lượng tử Đặc tính thú vị này đã và đang thu hút các nhà khoa học tập trung nghiên cứu vật liệu cấu trúc nano trở thành đối tượng chính trong các nghiên cứu cơ bản cũng như các nghiên cứu ứng dụng trong thực tế

Trong các hệ cấu trúc thấp chiều, tính chất quang học của chất bán dẫn vùng cấm xiên này có thể được tăng cường bởi sự giam cầm lượng tử Các hiệu ứng này bao gồm việc giảm thời gian tái hợp phát xạ của các cặp điện tử - lỗ trống, do đó tăng khả năng phát xạ tái hợp vùng vùng - tái hợp exciton, và khả năng điều chỉnh được bước sóng phát xạ Hơn nữa, các cấu trúc thấp chiều có thể giúp nâng cao hiệu quả của quá trình tương tác lưỡng cực giữa các hạt tải, chẳng hạn như tái hợp Auger

và hiệu ứng nhân hạt tải điện - quá trình sinh ra nhiều hơn một cặp điện tử lỗ trống với chỉ một photon ánh sáng hấp thụ Trong đó, hiệu ứng nhân hạt tải điện có thể giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện của các hệ pin mặt trời thế hệ mới

Trang 33

Khi mà điểm năng lượng thấp trong vùng dẫn tại điểm  trong vùng Brillouin của

Si liên quan đến quỹ đạo p không liến kết, trật tự của tiểu vùng dẫn tại vị trí này trong Ge được bảo toàn, với mức năng lượng thấp nhất phản liên kết vùng dẫn quỹ đạo s Điều này tạo cho Ge gần giống như loại bán dẫn vùng cấm thẳng

Mức năng lượng vùng cấm thẳng 0,8 eV; cao hơn 0,14 eV so với mức năng lượng vùng cấm xiên thấp nhất của Ge tại điểm L trong vùng Brillouin Sự chuyển tiếp quang điện tử vùng dẫn thẳng có thể xảy ra ở các tiểu vùng có mức năng lương cao hơn như 2,3; 3,2 và 4,6 eV tại các điểm L, , và X trong vùng Brillouin của Ge Điều này làm tăng tiết diện hấp thụ của vật liệu trong phổ phát xạ của mặt trời

Cũng cần thiết đề cập thêm ở đây rằng với sự khác biệt nhỏ, cấu trúc vùng năng lượng của Ge có thể đưa ra một khả năng chuyển đổi từ cấu trúc vùng năng lượng xiên thành cấu trúc vùng năng lượng thẳng Sự pha trộn giữa hai vật liệu Si

và Ge nhằm đem lại những thay đổi trong cấu trúc vùng năng lượng hay độ rộng vùng cấm phù hợp, tăng khả năng tận dụng tối đa năng lượng mặt trời được chuyển đổi thành điện năng

1.6 Pin mặt trời trên cơ sở Si và Ge

Ngày nay, với sự phát triển Khoa học kỹ thuật dựa trên các ứng dụng khoa học công nghệ đã kéo theo nhiều sự tăng trưởng đáng kể trong nền kinh tế trong nước và trên thế giới Đi cùng với sự phát triển đó là nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng, trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch dự trữ như dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên đang dần cạn kiệt Vì vậy, sự thiếu hụt về năng lượng ngày càng trở thành vấn đề đáng quan tâm không chỉ bởi các nhà khoa học mà còn của toàn xã hội

Vì vậy, hiện nay việc đẩy mạnh tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mới là thực sự quan trọng và là vấn đề cấp thiết Trong đó phải kể đến năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng này có tính ưu việt cao bởi nó đáp ứng tốt được các nhu cầu về cả năng lượng và môi trường Hơn nữa, nước ta là một nước nhiệt đới với tổng số giờ nắng trong năm lớn, đặc biệt ở khu vực có thời gian nắng nhiều trong năm như: Miền Trung, Miền Nam với trên 2 nghìn/năm giờ nắng, rất thuận lợi cho việc triển khai ứng dụng các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời Mặt trời rõ ràng là một nguồn năng lượng sạch gần như vô hạn

Trang 34

Tuy nhiên, chỉ một phần rất nhỏ đang được sử dụng hiện nay Việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các thiết bị nhu nhận và chuyển đổi nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời này sang thành điện năng - pin mặt trời - là một hướng đi thiết thực, đáp ứng được nhu cầu cao hơn về năng lượng trong tương lai Cùng với nó là việc nghiên cứu phát triển các loại vật liệu dùng để sản xuất ra pin mặt trời thế hệ mới, có hiệu suất chuyển đổi quang điện cao hơn, giá thành và tính năng phù hợp

Việc tăng cường độ nhạy quang và hiệu suất chuyển đổi từ quang năng (ánh sáng) sang điện năng là quan trọng giúp tăng cường phẩm chất và hiệu quả sử dụng của các pin mặt trời Đặc biệt đối với các loại thiết bị trên cơ sở vật liệu Si hiện đang được sử dụng phổ biến nhất bởi nguồn trữ lượng dồi dào và giá thành sản xuất tương đối rẻ so với các sản phẩm cùng loại

Tuy nhiên, hạn chế của vật liệu Si là hiệu suất chuyển đổi quang năng còn chưa phát huy hiệu quả tối đa Việc đưa thêm Ge vào Si nhằm tăng cường khả năng

mở rộng phổ nhạy sáng cũng như hiệu suất chuyển đổi quang điện của vật liệu [23] Ngoài ra, sự pha trộn của Si và Ge có thể tạo ra một hợp kim đồng nhất với một dải băng có thể điều chỉnh nằm trong dải băng của Si và Ge, từ 1,12 eV đến 0,66 eV [26, 27], trong khi vẫn giữ được các tính chất tiêu biểu nhất của nguyên liệu ban đầu Nhiều phương pháp vật lý và hóa học khác nhau để tổng hợp các hợp kim SiGe, chẳng hạn như MBE [25], Lắng đọng hơi hóa chất chân không siêu cao (UHV-VCD) [25], CVD nhiệt nhanh (RTCVD) [26], phương pháp phún xạ [27] Trong số đó, phương pháp phún xạ có ưu điểm riêng nhờ công nghệ sản xuất đơn giản, độ tinh khiết cao, hỗn hợp nguyên liệu đồng nhất, phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm cũng như quy mô sản xuất công nghiệp

Do đó đề tài này hướng tới việc nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo vật liệu lai hóa Si-Ge nhằm ứng dụng chế tạo các loại pin mặt trời thế hệ mới Chúng tôi tập trung nghiên cứu sự thay đổi phổ nhạy sáng của vật liệu lai hóa, ứng dụng trên hệ pin mặt trời bán dẫn Si xuống đến vùng bước sóng tới hạn trong vùng hồng ngoại Đây chính là một trong những lý do chính giúp tăng cường hiệu suất chuyển đổi quang sang điện của những thiết bị này

Định dạng
Số trang	68
Dung lượng	2,19 MB