Màng bán dẫn zno pbs chế tạo bằng phương pháp sol gen và tráng gương cùng với các đặc trưng của nó

Dà nghién ciru ành hinVng cùa ciuà ti'ình xiV ly nhicl lói u'nh dinh hitiVng cùa màng ZnO tinh khiét va màng ZnO co pha lap AL In ciing MYÌ càc ifnh chàl quang hoc Da che tao ihành cóng

DAI HOC QUOC GIÀ HA NOI TRUÒNG DAI HOC KHOA HOC TIJNHIÉN

' r 'T T"* T* T' '1^ lA ^ ^ ^ ^ ^ ^

Tén de tài:

MÀNG BÀN DAN ZnO, PbS CHE TAO BANG PHUONG PHAP

SOL-GEL VA TRÀNG GlTONG CÙNG VÓI CÀC DAC TRUNG CIJA NÒ

MA SO: Q T - 0 2 12

CHIJ DE TÀI: KHÙC QUANCi DA I

DAI HOC QUOC GIÀ HA NÓI TRUÒNG DAI HOC KHOA HOC Tl/NHIÉN

Tèn de tài:

MÀNG BÀN DAN ZnO, PbS CHE TAO BANG PHUDNG PHÀP

SOL-GEL VA TRÀNG GLt)NG CÙNG VÓI CAC DAC TRLING CÙA NÒ

MA SO: Q T - 0 2 - 12

CHL DE TÀI: KHLC QL ANC; DAT

CAN BO THAM GIÀ

1 Nguyén Thi Thuc Hien

2 Phùng Quoc Bào

3 iVIai Thi Tàm

Ha Nói - 2005

1 B A O C A O T O i M T À T

a Tén de tài: Màng barn ràn ZnO, PbS dicu che bang phiiong phàp sol

- g e l va tràng guoiìg cùng vói cac dac trung cùa no

3 Mai Thi Tarn

d Muc tiéu va nói dung ngliién cùu

- Muc ticu: Nghicn ci'ru che lao màng mong hàng phircrng phap sol - gel va tràne eu"cme

- Nói dung: - Nghièn ciru che Vdo nnàng ZnO bang phirctng phap sol - gel

cùng vói càc dac trirng

- Nghicn ciru che lao màng PbS bang phmmg phap Lràng gircmg cùng vai càc dac irung

e Càc ket qua dat duoc

Dà che tao thành cóng màng ZnO tinh khiél màng / n O co pha lap Al In

Dà nghién ciru ành hinVng cùa ciuà ti'ình xiV ly nhicl lói u'nh dinh hitiVng

cùa màng ZnO tinh khiét va màng ZnO co pha lap AL In ciing MYÌ càc

ifnh chàl quang hoc

Da che tao ihành cóng màng PbS, càc yen lo ành hifóng bang phmmg phàp tràng girang

- Dà niihién cù'u càc dac trung ve càu irùc, do ben nhiéi cùa màng PbS

- Càc kel qua nhàn óuac phù ho"p vai càc còng irình dà còng bó iren ihc

giai va góp phan làm sàng lo va phong phù ihèm 2 phirong phàp che lao

màng mòng va càc dac iiung cua càc màng nhàn duoc

Vai Cdc kèl qua ihu diro'c chùng lói dà cóng bó' va càc cóng irình khoa

hoc sau day:

1 Khùc Quang Dai, Phùng Quóc Bào, Nghuyen Thi l^hiic Hién, Pham Nhguyén Hai, Le Vàn \'ù, Nuuyen Chi Thành Nghién cuu che lao mane ZnO bang phirong phàp sol - gcL Bào cào hói nghi vài ly chàl ràn Knm quoc làn ihi'r III Nha Trang 8 - 10/8/2001

2 Phung Quoc Bao, Khuc Quang Dal and Tran Thi Duong Elìcci ol beat ireaiment on ihe slruciural and aplical properiies ol' sol - gel derived ZnO ihin rilms Communicalions in physics, voi 13, No 2 (2003) Pp 10^ -

HO

3 Phung Quoc Bao, Khuc Quang Dal, Nguycn Thuc llien and Nguyen

Ngoc Long Preparalion ni PbS glass ih in lilm by chemiscal haih

depc^siiion Communicaliori in physics \ ' o l l 3 No.3 (2003), pp 171

-176

4 Phung Quoc Bao, Khuc Quang Dal and Nguyen Trong Nghia Sol - gel

deposilon o l Z n O : Al ihin Tilms, VNU Journal ol science, Malhemalics

-Physics T.XIX NoL 2003, pp.l6 - 21

5 Phung Quang Bao, Khuc quang Dal Nguyen Thien Hui>ng Sol - gel spin

coaiing prepareaiion ol Zn(J: jn lilms vviih highly e - axis orienlalion Journal of scicnce, Malhemalics - Physics T.XIX, Noi, 2004, pp 7 - 14

Càc màns diéu che duac co nhiéu dàc ifnh lói c6 ihe une dune cho nhiéu

muc di'ch khàc nhau Dira vào de tài này dà góp phan vào ihành cóng 6 khóa luan tot nghiép: Le Thi Hoa (Khoa Vài Ly Dai hoc su pham Ha Nói), Ngó

Vàn Giang ( Khoa Hoà Dai hoc Quoc già Ha Nói), Ha Vàn Trình, Bùi Thi Thu Hoài, Nguyen Trong NghTa, Nguyen Thi Thién Hirang (Khoa Val Ly Dai hoc Quóc già Ha Nc)i)

fTình hình su dung kinh phi:

Tong kinh phf dirac càp ihirc hien de lai là 08 irieu dóng rat khó khan

khi dùng de mua hóa chat dung cu, phàn lich kel qua, ihué mitóì nhàn cóng

KHOA HOA HOC

2 SLMARV

a Reaseaching Project: Studying of preparation of semiconductor membrancs (ZnO, PbS) by sol - gel and chemmical bath de position techniques and it's characteristics

C O D K : Q T - 0 2 - 1 2

b Director: Khuc Quang Dat

e Members:

1 Phung Quoc Bao

2 Nguyen Thi Thuc Hien

3 Mai Thi Tarn

d Reaseaching attitudes and c(~)nlents:

Reseaching atlitudes:

-Sludy of prepaj-alion oT ZnO ihin lilms by sol - gel melhod and ifs characleritics

-Sludy of preparation n( PbS ihin Tilms by chemical baih deposiiion

methods and it's characteristics

- Reseaching contents:

- Preparalions of ZnO, ZnO wiih AL In inpuriiies

Sludy (T ilN characteristics by XRD phoU)luminescence speclra, L'V VIS

Preparalions of PbS by chemical bath deposilions

- Sludy ol ifs charactensiics by XRD, TGA, DTA, DSC, SEM, techniques

e Resulls:

- Thin films of ZnO, ZnO wilh Al In impiuiiies aie sucessfully prepared

- Chai-acteristic of thin films of ZnO, ZnO wilh Al, In impuriiies bave becn siudied

- PbS ihin films are sucessfully prepared

PbS ihin films bave becn siudied by XRD, TGA, DTA, DSC, measuremaenis

1.2 Phirang phàp sol - gel che tao màng mòng 9

1.3 Màng PbS 9

1.4 Phirong phàp lràng girong che tao màng mòng 10

2.1 Màng ZnO tinh khiét 10

2.2 VIàng ZnO pha Al 14

2.3 Màng ZnO pha In 14

2.4 Màng PbS 14

2.4.1 Phirong phàp I che tao màng PbS 14

2.4.2 Phirong phàp 2 che tao màng PbS 14

3 Ket luan 19

C TÀI LIÉU THAM KHAO 20

A MÒ DÀU

Màng mòng hien nay dang dirgc rat nhieu nhà khoa hoc va vài lieu hoc quan làm do nbùng irng dung quan trong cùa chùng

Co rat nhièu phiro'ng phap che tao màng mòng Càc phirong phàp vài ly

thuàng direte dùng cho càc muc dfch dac hièi, ihich hcTp cho càc muc di'ch

nghién culi ca bàn va dang dirgc hoàn thién vói ràl nhieu càc ky ihuàl khàc

- Che tao màng PbS bang phirang phàp lràng girdng Day là phmmg

phàp che tao màng mòng rat noi tiéng bang phirang phàp hóa hoc co une dune dàc bici trom: ITnh virc nànu lircvn^ mài irai

- Che tao màng ZnO bang ky thuàl sol - gel Là mól ky ihuàl circ ky thuàn lién cho càc nhà vài liéii hoc phàl hien nhùng dac ifnh meri la trong nghién ciru va ùng dung ve dién, ur, quang hoc

Mòt so yeu tó quan irong ành hiròng den dàc tfnh cùa màng mòng cùng vói nhiéu dàc tfnh ve tinh the, huynh quang, dò ben nhiéU cùng dirac

Càc kèl qua dà diroc còng bò tién nhiéu còng tiình tai càc hòi nghi khoa hoc vài lièu cùng nhir càc lap chi khoa hoc

B NOI DUNG

1 Tòng quan

1.1 Màng ZnO tinh khié't va co pha tap

Trong nhùng nam gàn day ZnO lai duoc chiì y nghién cim manh me nhàm l'rng dung trong ITnh vuc quang dién tir, nhir làm eira so cho pin mat tròi, man hién thị do nhiìng iru the noi bai cùa ZnO so vói càc vàt liéu khàc nhir dò ròng vùng càm lón (Ễ3.3eV ònhiét dò phòng), nang lirong lién kéi cxction lón (60 meV) Co the pha tap Al In de cài thién càc tinh chat dién lù cùa mane

L2 Phirang phàp sol - gel che lao màng mòng

Co nhiéu phircmg phàp lao màng lù vài liéu này, \i du phircmg phàp phun iTnh dién phùn xa, làng dong bang xung laser Tuy nhién phiróng phàp sol

- gel co mòi uu diém han so vói càc phircrng phàp khàc là khà dan giàn, iicn lai va kinh te vi khóng phài dùng thié't bi tòt, qua dal va dèi hòi càc che dò nghiém ngàl nhu chàn khóng cao nhiét do caọ Phirang phàp này cho phép

tao màng ò nhiét dò ihàp bang phàn ùng hóa hoc cùa càc chàl hùu ca chùa

Zn Tuy nhién, chat lirang cùa màng hién lai khóng ihe dal den dò hoàn hào nhu nhùng màng tao bang càc phuang phàp epilaxi, spullering Sau khi tao gel chat Itrang cùa màng phu ihuóc vào nhiét dò ù Tìm duac che do lòi uu va xem xet sir òn dinh cùa màng là mot nhiém vu quan trong cùa cóng nghé nàỵ Trong bào cào này chùng lói trình bay càc ket qua bucTc dàu trong vice nehién cùu che tao màng ZnO khóng pha tap làm cùa so quang hoc bang phirang phàp sol - gel tu hgp chat Zn(CH3COO) 2H,0

1.3 Màng PbS

Tràng girang là mól trong nhùng phirang phàp che lao màng mòng diroc

Ciìc nhà khoa hoc quan làm Màng PbS da linh ihe dirac che lao iheo càch

này dirac ùng dung do tfnh chat quang dàn cùa nò Trong \ài nàm irò lai day, vice nghién ctru màng bàn dàn dirac ùng dung ràl nhiéu ironu nuành

dién lù irong càc ihiel bi pin nàng luong mài lrói.[ i |

1.4 Màng PbS che tao bang phmmg phàp lràng giranu

Càc màng con co ihe dirac dieu che iheo mól vài càch khàc[2-5], tuy

nhién phuang phàp lràng gironu là don eiàn, co hiéu qua lóì trone viéc san xuàt màng mòng co dién tich lón su dun^^ nàn^ Urania mal irói Chàl lirani: cùa màng PbS diéu che iheo phirang phàp lràng gmrng phu ihuòc vào ihành phàn dung dich[6] va nhiét dò phàn ùng[7]

Trong bàn bào cào này chùng lói irình bay phirong phàp che lao màng PbS theo hai phirang phàp co va khóng su dung làc nhàn là KBr

2 Két qua nghién ciru

2.1 Màng ZnO tinh khiét

Thirc nehiém

10 g Zn(COO)2.2H/) va 12.5ml eiylenglycol dirac dun hòi liru ò 150^C trong 30 phùl Dung dich irong suol ihu dirac den nhicl dò phòng va cho ihém 12.5 mi dung dich n -propanol vào dung dich va khuày nhe Sau di') cho thém vào dung dich mól hón hap co chùa 4.Orni n propanol, 4.()ml trimetylamine, 0.2ml glycerin va O.lml niróc Khuày manh de dung dich trong suòt Màng duac phù lén de ihuy linh bang phirang phàp quay vói toc

dò 120 vóng irén phùl a dò àm 90% Sau khi lao màng càc mau duac ù ò lOO^C, 260^C va trén 40(fC vói mòi iruóng khóng khi irong 6h Phò nhieu xa tia X dìigc do irén nhiéu xa ke tia X Bruker D5()05 Phò huynh quang dirac

do trén he do Jobin-Yvon FL 3 - 22 vói toc dò phàn giài 2nm Phò hàp ihu

Ket qua va thào luàn

Pho nhiéu xa tia X cùa càc màng tai 2 nhiét dò LI khàc nhau duoc trình bà}' trén hình 6:

260 < T < 400°C ihì ciróng dò dinh nhiéu xa manh lén rò rèi Diéu òó chùng

tò chat lirang linh the làng lén khi nhiét dò tàng U trén 400^ C, do sir bién dang cùa de thuy tinh, nén chat lirang màng irò nén khóng lóì the hién qua sir suy giàm càc dinh nhiéu xa So sành lUc/ng quan càc dinh nhiéu xa (100), (002) va (101) trén hình 1 co ihé cho thày dinh (002) manh han hàn Diéu

do cho thày màng dà co su dinh hiróng u'u tién doc theo huóng [002] Bàn dò ròng phò (FWHM) cùa dinh nhiéu xa hàu nhu khóng ihay dòi khi nhiél dò ù

11

tàng (<4()0*^C) chùng lo ràng kich ihiróc hai khóng làng vói nhiél dò mòi càch dàng ké nhir nhiéu cóng irình khàc dà cóng bó

Phò iruvén qua cùa màu ù lai nhicl dò 260''C dudc irình hàv trén hình [7/1 Dò ibi cho thày sau bó hàp phu cùa ZnO (380nm ò nhiél dò phòng) phò

iruyén qua cùa vùng song ngàn 380< X <650nm (vùng nhìn ihày) là khóng

manh \ à phò co dang làng dò iruyen qua mot càch lù lù Nguyén nhàn cùa sir suy giàm co thè do su iruyén qua cùa màng bi ành hiròng manh bòi hình ihài

bé mal va sir tòn tai cùa càc lo xóp co irong màng ma càc phiix^ig phàp hoà hoc ha\' eàp Chi'nh dò co sé cùa bé mài va càc lo xòp ben iron^ dà làn xa mot phàn ành sàn^, làm cho cuónsz dò ành sàn^ ò vùne sónu ni^àn bi eiàm Càc phép do phò SEM TEM, hoàc AFM dang dirac tién hành de kiém chùng ket luàn trén

Phò huynh quang cùa màng do duac ò dai nhiél dò lOK den nhiél dò

phóne Tuy nhién vói khuòn khò cùa bà cixo lòi chi dira ra thào luàn mot so

phò huynh quang do duac ò nhiél dò phòng Mình 3 là phò huynh quang cùa màu ù tai 1 0 0 % à 2 6 0 ' C

i-rry-,: song oin"j

Hinh 2: Phò huynh quang cùa màng ZnO ù a 26()^C

13

han cà bién dò dinh 500nnì lién quan lói vacancy cùa Oxy Diéu nàv c('i ihé

giài ihi'ch sir òn dinh hti-n ve càu irùc nhu dà ihé hién qua kèl qua ^ìn phò

nhiéu xa \ à sir làng hàm lUong Oxy cùa màng irong qua irình ù irone khonu khi Tàng nhiét dò ù dén gàn 40()^C phò huynh quang làng khòne dànu ké, dòng ihói dinh phò lai 500nm vàn lòn lai Càc ihi nghiém lao marni ZnO

trén de SiO^ va Si de co ihè nàng cao duoc nhiél dò ù màu licmu mòi iriróne

khóng khi sach hoàc Oxy ihiróng dang duac lién hành khào sài Viéc khóng tòn lai dinh 640nm này trone phò huvnh uuanu cho ihàv mànu ZnO lao bàne phuang phàp sol - gel dà co mot uu diém han so vói càc phirong phàp vài ly ha\' hoà hoc dan eiàn khàc

2.2 Màng ZnO pha Al (.xeni cón;^ iri/ili dà dCuig (/phun lai lieti illuni

klìdo) 2.3 Màng ZnO pha In {xcm cón;^ Irinli du duìi^^ à pluìn lui lién llium

klìdo)

2.4 Màng PbS

2.4.1 Phirong phàp 1: Màng PbS kèl uìa ur dung tljLh khóng chùa KBr Màn<z PbS duac kel Uia irèn de ihuv linh (in \ lOnm) tir dunu dich co chùa càc ihành phàn irong màng TrU(Vc lièi de ihuy linh càn phài duac làm

sach bàne dune dich UNO, sau dò ùvxac riVa bàne niróc cài cho hel mòc sau

do ngàm trong dung dich NaOH 5M Pb(NO0: ^'^^'^*-" hoà lan in^ng niróc cài

de thu drrac dung dich Pbf NOO2 0.5 M dung dich dir(re bò sung ihèm Xa( )H cho lói khi irò nén irong suol Nhò lù lù lùng gioì dung dich CS(NH2)2 0.1

M vào De duac rùa sach va de khò irong khóng khi' lai nhiél dò phòng

Thói gian phàn ùng khoàng 4h Sau khi phàn ùng xong màu duoc rùa sach bàn^"» niróc cài sau dò làm khò iron^^ dessicaior va cuòi cune duac dcm xàc dinh càc dàc irirng

2.4.2 Phuang phàp 2: Màng PbS duac kéi lùa ur dung dich co chùa KBr

- 19ml Pb(NO,), : 6.62g Pb(NO,): pha trong lOOml nuóc càt

- 0 - 0.4ml dung dich KBr: 0.578mg pha trong lOOml niróc càt

- Imi dung dich thiurc: lOg ihiourc + Ig Na.SO^ pha trong lOOml niróc

- 13ml dung dich NaOH 7.5g NaOH trong lOOml niróc

Dò thiiv tinh dircTc làm sach duoc iziir thàno dirne sau dò nuàm vào dune dich B co chùa: Imi etylenglycol pha trong lOOml niróc; 0,4ml dung dich A

va 4ml dung dich Na.SO, 30% giù ò nhiél dò phòng Hong 24h, qua trình này

se tao ra trén de mot sci màm phàn ùng "

Sau dò de' duac nhùng irong dung dich A irong 5h Càc phàn ùng xày ra trén bé mài va sir lón lén cùa màu PbS trén be mal tao thành mot lóp màng PbS mòne \'à ràl min trén mal de sau ihói pian két lùa, de direte rùa sach bàns: nuóc càt sau dò làm khó ò nhiél dò phòng

ASTM 3.429 2.969 2.099 1.709 1.714

xVIàng 1

3.427 2.967 2.098 1.789 1.713

iVIàng 2

- > 1 " > " >

2 ^)21

2.009 1.790 1.715

Bang 2: Ciróng dò tuong dòi cùa càc peak (hkl) irong phò XRD lù

200 1.00 1.00 1.00

220 0.56 0.54 0.57

311 0.33 0.31 0.40

222 0.15 0.14

0.18

400 0.09 0.08

0.11

O a

Hình 6a: Hinh chiip SEM cùa màng

PbS diéu che theo phuang phàp 1

Hinh 3b: Hinh chup SLìM cùa man,

PbS dieu che 'heo phuang phàp 2

22c:2

>

Hình 7: Ket qua phàn tich nhiél cùa màng PbS che lao iheo phuang phàp 1

r^Ai l-»C.C ^ U C C G I À n ^ - '•• TRUNG TÀM I H Ò N G Tll\i ThU ViÉK

pr / 4-'1^:7

:^<"

0

4

-«1 i r e IT' IJ*C

Hình 8: Kel qua phàn lich nhiél cùa màng PbS che lao iheo phucnig phàp 2

Tu hình ?a va 3b co thè ihày ràng: màng PbS diéu che bang phucmg phàp 1 co kich thuóc hai lón han va kém dòng déu han phuemg phàp 2 Trén giàn dò phàn ifch nhiét co peak phàl nhiél ò 4 3 6 2 ' t ihccì phuo'ng phàp 1 va 511.2 C iheo phuang phàp 2 Diéu này chùng lò i.mg màng PbS làm ihco phuang phàp 2 ben nhiél han Qua ti-ình oxy bòa duac già ihièl là:

2PbS + 3 O =:2PbO + 2SO

3 R E T I L A N :

- Màng ZnO da linh ihé dà duac diéu che bang phuang phàp sol - gel

lù dàn chat ban dàu là Zn(CH, CO()) 2H2C)- Su kèl linh cùa màng lòi \\an

khi nàng nhicl dò ù màu lén 26()'^C luy nhién chua dinh hiróng hoàn loàn theo iruc [002] (iruc C cùa linh ihé vuòng góc vói bé mal de*) Bé mal cùa màng chua duac min hoàn loàn va ben trong co the co lò xòp Nhùng kel qua

do phò tia X va huynh quang dà cho ihày khà nàng tao duac mang ZnO

khóng chùa càc tàm tài bop phàt huynh quang lai 640nm bang phircmg phàp trén Tu \ ice phàn ifch phò huynh quang càc che dò ù Irong mòi iruóng khf nhàm làm giàm nòng dò càc vacancy cùa Oxy, qua dò làng ciróng chàl luang

màng ZnO dà duac de xuàt

- Dà che tao dtrac màng PbS bang phuctng phàp tràng guang ihco hai phuang phàp khóng co KBr ( 1) va co KBr (2) Màng PbS che lao iheo quy trình 1 là màng da linh thè", co ki'ch ihuóc hai lón han va kém déu htrn va kem ben nhiél han, kém òn dinh hctn Theo kèl qua phàn li'ch nhicl ihì khoàng nhiét dò làm giàm manh irong luang cùa màng là khoàng 200 -500^C va màng PbS bi chuyén hoàn loàn thành Ph( ) ò 436.23T Màng PbS che tao theo phuang phàp 2 là màng da linh thè va ral giòng kèl qua phàn tich nhiéu xa lia X cùa màng che'lao theo càch 1 Nhu vày Br- Khong di vào man^ luói linh ihé Khoàng nhiél dò giàm manh trong luang cùa màng làng lén lù 240 - òOO'^C Nhiél dò chuyén pha lao PbO cung làng lén dèn 511,08^C Nhu vày màng sé ben nhiét han va òn dinh hon

l A I LIKL THAM KHAO:

1 I Pop Ei al Thin Solid Films 307 ( 1 9 9 7 ) 2 4 0 - 2 4 4

2 H Nasii CI al J ò Non - ciysiallinc Solids, 183 (1995) 290-296

3 N I Faincr CI al., Thin Solid Films, 280(1996) 16-19

4 J Vaikus ci al., Maicrials Research Bullcim, 5 ( 1998) 711-716

5 T Kainniaimen ci al, Maicrials Research BLiUeiin, 35 (2000) 1045

1051

6 E M Lajramendi ci al., Thin Solid Films, 389 (2001) 301-306

7 R.A Orozico - Teran ci al, Thin Solid Films 343-344 (1999) 587

TOM TÀT CAC CÒNG I RÌNH NCKH CUA CÀ NHÀN

1 Khùc Quang Dal Phùng Quóc Bào, Nghuyén Thi Thuc Hién, Pham Nhguyén Hai Le Vàn Vù, Nguyén Chi Thành Nghién cùu che lao màng ZnO bang phuang phàp sol - gel Bào cào hói nghi vài ly chàl ràn loàn quóc làn ihù III Nha Trang 8 - 10/8/2001

SUMN'fRY ZnO ihin films are prepared by scìl - gel lechnique wilh precusor solution conianing ZniCH.COO), and spinning coauing on glass subsirals Temperature treatment began lOO^C to 400°C ZnO ih in lilms are polycryslal by XRD There are iwo peaks of phoioluminesscencc ahsorlic^n al 380nm and 500nm UV - Vis iransmilance spectum of ZnO ihm lilms gain 80%

Phung Quoc Bao, Khuc Quang Dal and Tran Thi Duong ElTecl of beat treatment on ihe slruciural and aplical properiies ol" sol - gel deri\ed ZnO thin films Communications in physics, voi 13, No 2 (2003) Pp 105 - 1 10

2 Phung Quoc Bao Khuc Quang Dal, Ngux'cn Thuc Hien and Nguycn

Ngoc Long Preparalion oÌ PbS glass ihin film by chemiscal balh

deposilion, Communicalion in ph\sics VoL13, No.3 (2003), pp 171

- 1 7 6

SUMMRY PbS thin films were prepai'cd on glass sublrales by chemical balh depositon with and wilhoui KBr as oxidizing agenl Slruciure and surface

characterizations of suck films were carried oul by using XRD, SEM The as

- deposited films were polycrystalline wilh a (200) prefereniial orienlalion Il has been observed ihai ihe film deposited wilh KBi" were moie dense and with a smaller average size of crystaliies ihan ihose deposited wiihoul KBr

21

Further DSC - TGA investigations bave shown ihai ihe laier were less thermally stable as well

3 Phung Quoc Bao, Khuc Quang Dal and Nguyen Trong Nghia Sol gel deposilon of ZnO: Al ihin lilms, VNU Journal of science, Mathematics - Physics T.XIX, No 1, 2003, pp 16 - 21

-SUMMRY Singlelayer aluminium - doped /ine oxide film were prepared (^n silicium substrates by the sol - gel spin coaiing process The as - deposited films ha\e been characteri/ed b\' XRD and oplical specirocopy Ali sample were polycrytaline wilh ihe hexagonal slruciure and the prelered [002J texlure Highly e - axis orienled ZnO:Al thin film were obiained by annealinii al 520^C The films exhibit an averaize UV - Vis iransmiilance of 879c- The two 325nm - exciied PL bands were also observed al roc^m temprerature

4 Phung Quoc Bao Khuc Quang Dal and Tran Thi Duong Lflccl of beai

treaimenl on the slruciural and aplical properlies oi sol - gel derived

ZnO thin films Ccìmmunicalions in physics, voi 13, No 2 (2003) Pp

1 0 5 - 110

SUVIMRY The slruciural, oplical properies of ZnO ihin films prepared Irom zine acetate dihydraie in elhylene glycol solulion by ihe sol - gel spin coaiing techniiiuc on silicium substrates bave been invesligaled logcihcr wilh ihe effecis of ihe post deposilion beat treaimenl in air Increasing ihe p(^sl -annealins lemperaiure in ihe range of 200 lo 520^C improved in ihe film crvtallite quality Ffighly e - axis orienlalion was mosily ammounced lor ihe films post - anneanled al 520^C The considerd beai treaimenl did noi atlect stronely io the films' UV - Vis absorpiion speclra Wilh increasing ihe post

- anncaling lemperaiure , excilonic phoioluminesscencc band was enhanced while the erccn onc hardlv chaneod

6 Phung Quang Bao, Khuc quang Dal, Nguycn Thicn Huonu Sol - gel spin

coaiing prepareaiion oÌ ZnO: in films wilh highly e - axis orienlalion Journal oi' science, Malhemalics - Physics T.XIX, Noi, 2004, pp 7 - 14

SUMNTR^' The e - axis orienled ZnO: in films were prepared by the sol - gel spin coating process using zine acetate 2-hydrale, elhylene glycol, indiiim

nilerale 9-hvdrate, irielhvamine as startinu materials The preferred

orienlalion of the films increased with beat treatment temperature The PL inlensity was found io be greatly dependenl on posl-deposilion beat

treatment Influcncc oÌ the mullilayer depositon on XRD analysis and PL

characterisation was also discussed

23

3 Managing Institution: Hanoi University of science

4 Implementing Institution: Faculty of chemistry

5 Key implementors:

- Khuc Quang Dat - Director

- \ " u v e n Thi Thuc Hien - implementor

- Phung Quoc Bao - implementor

- M a i Thi Tarn -implementor

6 Duration: S ince 2002

7 Budget: 08 miliions VND

8 Main resuits:

* Result in science and practical application:

- ZnO ihin lilms are prepared hy sol - gel technique vviih precusor solution conianing ZnCCHjCOO), and spinning coatting on glass suhslrals Temperature treatment began 100°C to 40()°C ZnO ihm lilms are polycrystal by XRD There are two peaks of photoluminesscence absoriion at

^80nm and 500nm UV - Vis transmitance spectum of ZnO thin films gain 80%

- PbS thin films were prepared on glass subirates by chemical bath deposilon with and without KBr as oxidi/ing agent Slructure and surface characterizations of suck films were carried oul hv usinu XRD SEM The as -deposited films were polycryslallinc wilh a (200) prererenlial orientation Il has becn observed thai the film deposited with KBr were more dense and wilh a smaller average si/e of crystalites than ihose deposited without KBr Furlhcr DSC - TGA investigations bave shown that the laicr were less thermally stable as well

- Singlelayer aluminium - doped /ine oxide film were prepared on silicium substrates by the sol - gel spin coaiing process The as - deposited films bave been characteri/ed by XRD and oplical spectrocopy Ali sample were p(ìlycrytaline with the hexagonal structure and ihe piclered |()()2| texture Highly e - axis oriented ZnO:Al thin film were obiained by

annealine at 520'^C The films exhibit an averase UV - Vis transmiltance ni'

87C{- The two 325nm - exciied PL bands were also observed al room temprerature

- The Slruciural, optical properies of ZnCJ iliin lilms prepared lre)m zine acetate dihydrate in elhylene gl>col solution by the sol - gel spin coating technique on silicium substrates bave becn invesligaled logether wilh the effecis of the posi deposilion beat treatment in air Inci'casing the post -annealins temperature in the range of 200 lo 320"C improved in the lihn crytallite quality Highly e - axis orientation was mostly ammounced b^r the films post - anneanled at 520^C The considerd beat treatment did ne)t aflecl stron^ly to the films' L'V - Vis absorpiion spectra Wiih increasing ihe pc^st

- anncaling temperature excilonic photoluminesscence band was enhanced while the green onc hardly changed

- The e - axis oriented ZnO: in films were prepared by tlie sol - gel spin coating process using zine acetate 2-hydrale, elhylene glycol, indium

nilerale 9-hydrate, triethyamine as slarting materials Ihe preferred

orientation of the films increased wiih beat treaimenl lemperaiure The PL intcnsity was found to be greatly dependenl on posl-deposition beat

treatment Inlluencc of the mullilayer deposilon on XRD analysis and PL characterisation was also discussed

* Publication:

1 Khuc Quang Dal, Phùng Quoc Bào Nghuyen Thi Thuc Hién, Pham

Nheuvén Hai Le Vàn \Ti Nguyén Chi Thành Nehièn cihi che tao màng ZnO bang phuofng phàp sol - gel Bào cào bòi nghi vài ly chat ràn loàn quoc làn thu III Nha Trang 8 - 10/8/2001

2 Phung Quoc Bao Khuc Quang Dal and Tran Thi Duong Eflccl of heal

treatment on the slruciural and aplical properlies of sc^l - gel derived

ZnO thin films Communications in physics voi 13 No 2 (2003) Pp 10? - 110

^ Phuui: Quoc Bao Khuc Quann Dal, Neu\en Thuc Hien and Neu\en Ngoc Long Preparation ol PbS glass thin film by chemiscal bath deposition Cc^mmunicaiion in phx'sics Voi 13 No.3 (2003) pp 171

- 176

4 Pbunii Quoc Bao Khuc Quang Dat and Nguycn Trong Nghia Sol ecl depositon of ZnO: Al thin films, VNU Journal of science, Mathematics - Physics T.XIX, N o i , 2003, pp.l6 21

-9 Evaluation grade:

Chuyén ngành : vàt ly chat ràn

Ha nói 6/2002

DAI HOC QUÒC GIÀ HA NÓI DAI HOC KHOA HOC TlT NHIÈN

Khoa: VÀT LY

T^ TT T^ T^ ' P

Nguyén Trong Nghia

TIM HIEU MOT CACH CHE TAO MÀNG MÒNG TRONG SUOT ZnOrAl BANG PHl/ONG PHÀP SOL - GEL

KHOA LUÀN TÒT NGHIÉP l\È DAI HOC CHIN'H QLT

TRUÒNG DAI HOC KHOA HOC Tl/NHIÉN

KHOA LUÀN TÒT NGHIÉP HE DAI HOC CHINH QUY

Ngành : Hoà hoc Dàu mò

Càn bó hirdmg dàn : Thày Khùc Quang Dat

Thày Phùng Quóc Bào

Ha Nói- 2002

DAI HOC QUOC GIÀ HA NÓI TRirÒNG DAI HOC KHOA HOC TlT NHIÈN

KHOn LUJÌN TÒT NGHI€P H€ Dm HOC CHINH QUV

CHUYÉN NGÀNH: QUANG LUONG TU

DAI HOC QUOC GL^ HA NOI TRUÒNG DAI HOC KHOA HOC Tl/NHIÈN

-KHOA VÀT LY

Bùi Thi Thu Hoài

DE TÀI : CHE TAO MÀNG PbS CuS BANG PHLONG PHÀP TRÀNG GlTONG VA i

NGHIÉN CÙU MOT SO DÀC TRUNG CÙA CHÙNG

KHOA LUÀN TOT NGHIÉP HE DAI HOC CMINH QUY

NsànhA'ac Iv

Bò mòn :Quang hoc krcmg tir

Thay giao hiróng dàn: Thdy : Phùng Quóc Bào

Thàv : Khùc Quang Dat

Ha Nói thàn^ 5-2004

• DAI noe QUÒC GIÀ UÀ NÓI TRUÒNG DA! HOC KHOA HOC TUNHIÉN

KHOA VÀTLY

Ngiiyóii Ihicii Hiroiiy

NCnnÈN CIJIJ VA ( H E TAO MÀN(; Zn():In HÀNCÌ PHllONG PHÀPSOL-C.LL

K I I O À I U A N l Ó T NCillIPP I I R O A I H O C X l l f N H Q U Y

Ngành Quang luang (ù

Càn bò hirang clan :

l's Phùng Quóc Bào Khiìc Quang l)al

Ha Nói -2003

COMMUNICATIONS

IN PHYSICS

Published by

NATIONAL CENTRE FOR NATURAL

SCIENCE AND TECHNOLOGY OF VIETNAM

Volume 13, Number 2 June 2003

Contents

1 P B Thakor, P N Gajjar and A R Jani - Structure of liquid alkali metais - A model

potential application

2 H o a n g Ngoc L o n g , Dang Van Soa and Dinh Phan Khoi - Review of the minimal

SU{3)f-®SU{3)^®U{ì)^ model and production of single charged bilepton in e y

collisions

3 Vu Dinh lam, Le Van H o n g and Phan Hong Khoi - Development and regression of the

norma! state zone in YBCO thin films bridges

4 Do Phuong Lien and Pasturel Alain - Systcmanc study of atomic structures of M I x ^ V x

( MT=Fe Mn, Ni, Cu) amorphous alloys by molecular dvnamic simulalions

5 Tran Quoc Viet, Thai Van Lan, Hoang Xuan Nguyen and Pham Van Hoi - Measurement

of the cross-talk and inserì losses of array-waveguided-grating (AWG) optical sv^iches

6 Dao Van T r u o n g , Than Due Hien, Nguyen Khac Man, Nguyen Due Minh and Nguyen

Hanh - Synthesis oi Bi{Pb)-2223 superconductor by citrate sol-gel method

7 P h u n g Q u o c Bao, K h u c Quang Dat and Tran Thi Duong - Effect of heat treatment on the

structural and optical properlies of sol-gel-derived ZnO thin films

8 Tran Due Thiep Nguyen Ngoc Son, T r u o n g Thi A n , Phan Viet C u o n g and Nguyen The

Vinh - Calculation of the nuclear leve! density tn photonuclear reactions vMth the shell and

pairing structure correction

9 Lue Huy H o a n g , Nguyen The K h o i , Nguyen Van Minh, Nguyen Van H u n g and Vu Xuan

Q u a n g - Raman polarization studies of Vietnamese spine! MgAljO^

10 Tran Dai Nghiep and K h u o n g Thanh Tuan - Investigation of positron annihilation rate in

aluminium samples

Page

65-72 73-80

81-85 86-92 93-98 99-104 105-110 111-117

118-123 124^128

Dao Vong Due

Nguyen Van Den

Ho Chi Minh City National University

7 Nguycn Ngoc Giao College of Naturai Sciences,

Ho Chi Minh City National University Vietnam Atomic Energy Commission Institute of Materials Science, NCST Institute of Materials Science, NCST Institute of Physics, NCST

Institute of Materials Science, NCST College of Naturai Sciences,

Hanoi National University Institute of Physics, NCST Vietnam Atomic Energy Commission Institute of Materials Science NCST Institute of Physics, NCST

Institute of Physics, NCST (Scientific Secretary)

Managing Secretary: Nguyen Xuan Giao

Address of Editorial Office:

70 Tran Hung Dao Str, Hanoi - Vietnam Tel: 04 - 9.422825

Pham Duy Hien

Nguyen Van Hieu

Le Van Hong

Nguycn Dai Hung

Phan Hong Khoi

Nguycn Ngoc Long

Hoang Xuan Nguyen

Tran Huu Phat

Nguyen Xuan Phuc

Nguycn Toan Tliang

Pham Van Tliieu

Communications in Physics, Voi 13, No 2 (2003), pp 105-110

E F F E C T OF HEAT T R E A T M E N T ON T H E

S T R U C T U R A L AND OPTICAL PROPERTIES OF

SOL-GEL-DERIVED ZnO THIN FILMS

PHUNG QUOC BAO, KHUC QUANG DAT, AND TRAN THI DUONG

College of Naturai Sciences, Hanoi National University

A b s t r a c t The structural optical properties of ZnO thin films prepared from zine acetate dihydrate in ethylenc glycol solution by the sol-gel spin-coating tech-nique on silicium substrates have been investigated together with the effects of post-deposition heat treatment in air Increasing the post-annealing temperature

in the range of 200^C to 520''C improved the film crystallite quality Highly c-axis orientation was mostly announced for the films post-annealed at 520"C The consid-ered heat treatment did not affect strongly to the films' UV-Vis absorption spectra With increasing the post-annealing temperature, the excitonic photoluniiriescence band was enhanced while the green one hardly changed

I I N T R O D U C T I O N Zine oxide (ZnO) films contirme to be technologically important due to thcir high optical transmission and elcctrical conduction, which mako thcm suitable for a variety of applications sudi as transparent conductors [l], gas sensors [2], etc ZuO thin films have been prepared by many deposition methods: thermal evaporation [3], charged liciuid cluster beam (CLCB) [4], spray pyrolysis [5] D C / R F magnetron sputtering [6,7], pulsed laser ablation [8], molecular beam epitaxi (MBE) [9] and sol-gel process [10]

Sol-gel process is qiiite simple, no ncvd using sophisticated expensive

eciuip-ment and easv to prepare ZnO thin films at low cost for scientifico-tcchnological purposes Thin films can bo derived by the reaction betweon Zn-contained organic substances However, the as-obtained fihn's quality is not as pcrfoct as those de-posited by sputtering and MBE techniques Once gel fornied, tlir lilnfs quality stronf^Iy depends on the anncaling temperature To work out the optimal heat treatment and to study the film stability are of great importance for this deposition method

In o-eneral, the metal alkoxides have been used as raw materials for the sol-gel process But the preparation of a stable sol is tedious and metal alkoxides' reagents

106 PHUNG QUOC BAO, KHUC QUANG DAT, AND TRAN THI DUONG

are very expensive Therefore, instead of metal alkoxides, some metal salts such as acetate, nitrate are used for preparing thin films Zine acetate, which is inexpensive and easy to handle, has been used as raw material in chemical vapour deposition (CVD), spray pyrolysis and atomic epitaxy methods

In this paper, w^e report on the preparation of ZnO thin films from zine acetate dihydrate in ethylene glycol solution by the sol-gel spin-coating process It is known that the deposition process governs the micro-structure and the properties of this material The aim of this w^ork is to investigate the influence of the post-heat treatment on the structural, optical properties of the as-deposited ZnO thin films

II E X P E R I M E N T A L P R O C E D U R E

Fig 1 shows the flow chart of the ZnO films' preparation steps Zine acetate

dihydrate solutions (of 0.1 - 0.5M) in ethylene glycol stabilized by triethylamine were used

Clean siUcium sHdes were used for the

chemical sol-gel depositions A solution of zine

acetate dihydrate, Zn(CH3COO)2.2H20, was

prepared in pure ethylene glycol The mixture

was heated in a condenser-fitted round-bottom

flask to I05^C under magnetic stirring for 1 h

to yield a clear and homogeneous solution The

as-prepared solution was then properly adjusted

with triethylamine drop by drop to assist

hy-drolysis of zine acetate After carefully mixing

and ultrasonication, the resulting solution was

coloress and transparent

The precursor solution was spun on

sili-cium substrates by spin- coating method The

spinner operated at 2500 rpm in the

environ-ment of 90% relative humidity and room

tem-perature The wet films were preserved for a

period of time (about 15 hours), then pre-fired

in air atmosphere wnth a heating rate of about

EFFECT OF HEAT TREATMENT ON THE STRUCTURAL AND OPTICAL 107

annealed in air atmosphere to convert the organic coatings containing Zn^^ into its respective oxide A heat ramp of 20^C/min was used and the samples were kept

m the furnace until coohng to room temperature XRD measurements were ried out on a Bruker X-ray diffractometer D5005 operated at 40 kV, 20 niA, using CuKa radiation Absorption spectra were recorded by a Shimadzu UV 3101 spec-trophotometer Photoluminescence spectra were measured by Jobin-Yvon FL 3-22 fluorometer with 2nm resolution

car-I car-I car-I R E S U L T S A N D D car-I S C U S S car-I O N Fig 2 shows the XRD patterns of ZnO thin films post-annealed at various temperatures One can see some typical diflPraction peaks originated from wurtzite polycrystalline ZnO without any strange phases High-intensity [002] peak was ob-served in ali measured XRD patterns The lOO^C-annealed film gives quite weak XRD peaks Increasing the anneaUng temperature in the range of 200^^0 to 500*^C made diffraction peaks stronger, which showed the improvement of crystallite qual-ity For ZnO films annealed at more than 550^0, the quality became worse due to substrate deformation

With increasing annealing temperatures, the c-axis orientation gets stronger,

as well as the ZnO crystallite size larger The strongest c-axis orientation occurs

at about 5200 C However, the full width at half-maxima (FWHM) of the (002) peaks was hardly changed with increasing film annealing temperature Therefore, the multiple layer coating was considered not to disturb the overall giowth of the films with c-axis orientation

A typical sample of sol-gel deposited ZnO thin films post-annealed in air at 520^^0 were optically characterized through near UV-Vis (200-800 nm) absorption measurements The average transmission over the 400-800 nm range is about 87% There is a band edge absorption around 380 nm The calculated optical band-gap

is very dose to the intrinsic band-gap of ZnO (3.2 eV)

The photoluminescence excitation wavelength used was 325 nm The as-excitcd photoluminescence spectrum consists of the excitonic band centered at ca 380 nm 'Uid the characteristic green emission at ca 500 nm Excitonic photoluminescence i> very sensitive to the quahty of crystal structures and to the presencc of dofects Tlu^ more perfect is the crystal, the more probable is the observation of free-exciton photoluminescence [11] As reported in [12], the oxygen vacancy causes a green

*^*niission band in ZnO

108 PHUNG QUOC BAO, KHUC QUANG DAT, AND TRAN THI DUONG

F i g 2,XRD p a t t e r n s of the as-deposited ZnO films post-annealed

in air at 220^0 (a); 400^^0 (b), and 520^C (e)

EFFECT OF HEAT TREATMENT ON THE STRUCTURAL AND OPTICAL 109

more and more intense with increasing the post-anneahng temperature Because other deposition conditions were fixed, the enhancement of excitonic photolumines-cence may be attributed only to the heat treatment temperature

As for the green emissions, they were almost similar to each other This means that the post heat-treatment in air do not make a significant change in the oxygen percentage in the films

e/;

U

450 500

Wavelength (nm) Fig 3 Photoluminescence spectra of the ZnO films post-annealed in air at

220^0 (a); 300"C (b); 400^C (e) and 520^C (d)

As reported in [13], the sol-gel-derived Al-doped ZnO thin films deposited in the same heat treatment conditions display a narrower excitonic photoluminescence band and a larger and more intense photoluminescence green band

I V C O N C L U S I O N ZnO thin films were fabricated by the sol-gel spin-coating method Their structural and optical properties were investigated with allowance for various post-deposition heat treatment temperatures The XRD analysis showed that the highly c-axis orientation of crystallites had been more and more announced with increas-ing the film anneahng temperature up to 520^0 This result might be attributed

to the good crystallization due to the relatively high annealing temperature for the formation of ZnO The UV-Vis absorption edge suffered a very small change under the same consideration The estimated optical band-gap was comparable to those obtained for undoped ZnO films deposited by other techniques The variation in photoluminescence spectra with annealing temperature was clearly exhibited On