đề cương vật liệu màng mỏng

Hãy phân biệt công nghệ màng mỏng, khoa học màng mỏng và vật liệu màng mỏng VLMM nghiên cứu về cấu trúc mm ở cấp độ pt, và quá trình thành lập màng từ pha hơi, giúp ta hiểu rõ quá trình

1 Hãy cho biết đối tượng nghiên cứu của Vật lý Màng mỏng bao gồm những gì? Hãy phân biệt công nghệ màng mỏng, khoa học màng mỏng và vật liệu màng mỏng

VLMM nghiên cứu về cấu trúc mm ở cấp độ pt, và quá trình thành lập màng từ pha hơi, giúp ta hiểu rõ quá trình hình thành màng từ pha hơi từ đó ứng dụng vào thực nghiệm điều khiển quá trình tạo màng để đạt được sản phẩm như mong muốn

2 Sự khác biệt của công nghệ mm và màng dày:

Phương pháp chuẩn bị màng: Màng mỏng được chế tạo bằng cách phủ từng

nguyên tử hoặc phân tử lên đế Trong khi đó việc chế tạo màng dày có liên qan đến việc phủ các hạt, bao gồm cỡ 10 6 nguyên tử hoặc phân tử Vì vậy, tính chất điện của màng chịu ảnh hưởng mạnh của các yếu tố như: cách thức màng được lắng tụ và hình thành, các điều kiện được sử dụng, mức độ hoàn hảo của tinh thể, mật độ sai hỏng điện tử và cấu trúc, mật độ biến dạng, hình thái hạt, thành phần hóa học và tỉ lệ hợp phần, mật độ bẫy electron v.v…

 Các hiệu ứng điện cực: Thông thường đế và sau đó màng dẫn điện được lắng tụ trến đế trở thành các điện cực khi được kẹp ở giữa Ví dụ: màng mỏng

(Ba0.6Sr0.4)(Zr0.3Ti0.7)O3 hình thành trên đế Si phủ Pt TỔNG QUAN VỀ MÀNG ĐIỆN 2 và IrO2 thì Pt sẽ đóng vai trò là điện cực Các màng cách điện không có tính chất này

 Mức độ liên tục của màng: cơ chế dẫn điện trong màng có cấu trúc ốc đảo khác với cơ chế dẫn điện trong màng liên tục

 Sự tồn tại hiện tượng dẫn điện ở điện trường cao: Trong công nghệ mạch tích hợp (IC), các màng mỏng có chiều dày cực nhỏ Bởi vậy, chỉ cần một điện áp vừa phải đặt v ào màng mỏng cũng có thể làm nảy sinh một điện trường cao trong màng mỏng

 Hoạt tính hóa học cao: màng mỏng dễ bị xâm hại và tính chất điện của nó sẽ thay đổi do sự ăn mòn, hấp thụ hơi nước, oxi hóa trong không khí và các phản ứng trạng thái rắn ở nhiệt độ thấp

- Vật liệu màng mỏng có tỉ lệ số ngtử bề mặt/tổng số ngtử >> vật liệu khối  hiệu ứng bề mặt tăng tạo nên sự khác biệt về tính chất Vd: trong các vật liệu sắt từ, ở vật liệu dạng khối, dị hướng từ tinh thể ảnh hưởng rất lớn đến tính chất từ, nhưng khi chế tạo ở các màng đủ mỏng, dị hướng từ tinh thể

có thể biến mất mà thay vào đó là dị hướng từ bề mặt

3 Tính chất bề mặt và hiệu ứng lượng tử của vl kích thước nano: khi VL có kích

thước nm, số nguyên tử trên bề mặt tổng số nt tang, hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng, => tính chất của vl có kích thước nm khác biệt so vs vl ở dạng khối

4 Nêu khái niệm về màng mỏng? Khi vật liệu ở kích thước nano mét thì hiệu ứng gì xảy ra? Nêu ví dụ?

MM là lớp phủ vl trên đế có độ dày <1000nm

5 Khái niệm màng đơn lớp, đa lớp? Nêu ví dụ

Màng đơn lớp: chỉ gồm 1 lớp vl dc chế tạo trên 1 lớp đế, t/c của màng dc tạo ra từ lớp vl đó (và có thể ảnh hưởng bởi tác động từ lớp đế) vd: ZnO, TiO2, TiN,

Ta2O5, V2O5…

Màng đa lớp: là mm gồm nhiều lớp vl khác nhau, xếp chồng lên nhau, dc tạo ra nhằm thay đổi các tính chất của mm VD: màng Si/SiO2/Cu/IrMn/ CoFeB/ MgO/ CoFe/ B/ Ta/ Cu/ Au

6 Hãy cho biết các bước tiến hành tạo màng và nêu ngắn gọn vai trò của mỗi bước?

7 Hãy nêu 5 ứng dụng tiêu biểu của công nghệ màng mỏng trong đời sống? Đối với từng ứng dụng, hãy nêu ví dụ về loại vật liệu dùng trong ứng dụng đó?

Đĩa CD, thẻ nhớ, ổ cứng: màng mỏng từ Ống kính máy ảnh: Màng chống phản quang Kính tự làm sạch: màng TiO2 Màng Cr có tác dụng chống mài mòn, làm đẹp, chống tia cực tím Màng TiN dùng để tăng độ cứng cho dụng cụ cắt gọt, chống

ăn mòn hóa

8 Hãy phân biệt tạo màng theo phương pháp vật lý (PVD) và tạo màng bằng phương pháp hóa học (CVD)? Kể tên các phương pháp chế tạo theo PVD và CVD.

Nguồn rắn hóa hơi = phương pháp vật lý (nhiệt, chum đt, ion beam, lazer)

Khí, chất lỏng dễ bay hơi, chất rắn hóa khí = hóa học

puhh giữa VL nguồn với khí khác để tạo thành màng hợp chất

trong ck cao VL truyền tạo pu ở bề mặt đế theo dòng chất lưu

ở áp suất khí quyển hoặc chân không thấp

9 Nêu cách phân loại kỹ thuật tạo màng mà Anh (chị) biết Với mỗi loại hãy nêu các phương pháp mà Anh (chị) biết

- Hóa học: solgel, chuyển đổi hóa học

- Lắng đọng hơi hóa học: nhiệt, plasa, laser, MOCVD,

- Lắng đọng hơi vật lí: bay hơi (bốc bay nhiệt, xung lắng đọng laze), phún xạ (đi

ốt, tri ốt, magnetron), mạ ion

10 Phân loại hệ hóa học: hệ hở, hệ kín, hệ cô lập.

Hệ hở: hệ có thể trao đổi chất và năng lượng với môi trường ngoài.

Hệ kín: hệ không trao đổi chất mà chỉ trao đổi năng lượng với môi trường.

Hệ cô lập: là hệ không trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường ngoài.

11 Nêu các khái niệm về: Hệ đoạn nhiệt, hệ đồng thể, hệ đồng nhất và hệ dị thể.

Hệ đoạn nhiệt: không tao đổi chất và nhiệt, có thể trao đổi công,

Hệ đồng thể: không có bề mặt phân chia

Hệ đồng nhất: tp và tc như nhau (hệ đồng nhất có thể là hệ đồng thể nhưng hệ đồng thể ko phải là đồng nhất)

Hệ dị thể: có bề mặt phân chia

12 .Nêu khái niệm về thành phần Cho ví dụ

Thành phần là hợp chất tạo thành hệ, mà hàm lượng của nó ko phụ thuộc vào hàm lượng của các hợp phần khác VD: pha khí thì gồm nhiều tp như khí CO2, N2, H2, He

13 Phân biệt quá trình và chu trình.

Quá trình là con đường mà hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác có sự biến đổi của ít nhất 1 thông số trạng thái

14 Thế nào là hàm trạng thái? Hãy cho biết đại lượng nào vừa là hàm trạng thái vừa là biến số trạng thái.

Hàm trạng thái là hàm của các thông số trạng thái, phụ thuộc vào trạng thái của hệ Các thông số trạng thái có thể là hàm trạng thái nhưng cũng có thể là biến số trạng thái

VD: entanpi, entropi, năng lượng tự do,…

15 Theo năng lượng tự do thì phản ứng hóa học xảy ra khi nào?

16 Trình bày về sự chuyển pha: Định nghĩa, phân loại Hãy nêu sự chuyển pha của vật liệu TiO2?

Gồm các quá trình thay đổi trạng thái, thù hình, sự thành lập pha mới kèm theo sự thay đổi năng lượng tự do

Phân loại:

Chuyển pha loại 1: kết tinh pha lòng: vd khi ta đúc KL thì chuyển từ trang thái lỏng sang trạng thái rắn

Chuyển biến pha ở trạng thái rắn

Chuyển pha loại 2: trạng thái vậ chất chuyển từ dẫn điện sang siêu dẫn, sắt sang thuận từ

Chuyển pha loại 3 và cao hơn: thực nghiệm chưa quan sát dc

17 Cách xây dựng giản đồ trạng thái bằng thực nghiệm?

Chế tạo hợp kim có lượng thành phần A và B khác nhau

Ở mỗi hợp kim vừa chế tạo, người ta sẽ đi tìm nhiệt độ chuyển pha của nó

Làm tiếp tục như vậy ta sẽ thu được 1 bộ số liệu của nhiệt độ chuyển pha theo thành phần

Xác định các điểm trên đồ thị và nối lại ta được giản đồ trạng thái

18 Thế nào là khí lý tưởng? Nêu các công thức về vận tốc trung bình, vận tốc căn quân phương, quãng đường tự do trung bình

- Khí lí tưởng là khí trong đó các hạt có kích thước rất nhỏ so với khối khí và không tương tác với nhau

- Vận tốc trung bình:

- Vận tốc căn quân phương:

- Quãng đường tự do trung bình:

19 Hãy nêu các dạng khuếch tán:

- Khuếch tán giữa 2 mẫu với kích thước đủ lớn có nồng độ ban đầu là C1 và C2,

có thể xem là khuếch tán giữa 2 bán mặt vô hạn với các đk biên sau:

- Khuếch tán của hạt có mật độ mặt là không đổi, khi đó đk ban đầu và đk biên là:

- Khuếch tán của hạt pha tạp với tổng số hạt của nó là không đổi

Một lượng tạp chất cho trước được phủ một lớp mỏng trên bề mặt bán dẫn, và sau đó chúng khuếch tán vào sâu bên trong bán dẫn Điều kiện biên:

C(,t) = 0

Điều kiện biên:

(3.19)

ở đó, S – tổng số lượng pha tạp trên 1 đơn vị diện tích.

Nghiệm của phương trình Fick II (3.10) với các điều kiện ban đầu và điều kiện biên trên có dạng:

20 Nêu 6 phân bước trong quá trình phủ màng

Bước 1: Phải hấp thụ trên bề mặt

Bước 2: Khuếch tán trên một vài khoảng cách trước khi hợp nhất vào trong màng Bước 3: Phản ứng của các hạt hấp phụ với nhau và với bề mặt để thành lập liên kết của vật liệu màng

Bước 4: Sự kết tụ đầu tiên của vật liệu màng - Sự tạo mầm

Bước5: Phát triển cấu trúc hoặc hình thái học

Bước 6: Tương tác khuếch tán xảy ra bên trong màng và với đế

21 So sánh hiện tượng hấp phụ và hấp thụ Có mấy dạng hấp phụ? Sự khác nhau của các dạng hấp phụ này

Hấp phụ: là quá trình trong đó các nguyên tử và phân tử đập vào và tương tác bên

trong miền chuyển tiếp giữa pha khí với bề mặt đế

Có hai dạng hấp phụ:

Hấp phụ vật lý : Nếu hạt bị giãn ra hay bị uốn cong do liên kết giữa nó với bề mặt

bằng lực Van-der-Waals, nhưng vẫn còn giữ nguyên thể

Hấp phụ hoá học : Khi hạt bị biến đổi nguyên thể của nó do liên kết ion hay đồng

hóa trị với nguyên tử đế

Hấp thụ trong hóa học là hiện tượng vật lí hay hóa học mà ở đó các phân tử, nguyên tử hay các ion bị hút khuếch tán và đi qua mặt phân cách vào trong toàn bộ vật lỏng hoặc rắn Khác với quá trình hấp phụ các phân tử chỉ bám trên bề mặt phân cách pha

22 Hãy nêu khái niệm về áp suất bề mặt và sức căng bề mặt

Đại lượng  được gọi là sức căng mặt ngoài giữa 2 pha (Nó bằng lực bề mặt trên 1 đơn vị độ dài trên bề mặt (dyn/cm)), hay năng lượng tự do trên một đơn vị bề mặt:

khi cân bằng giữa giọt lỏng hình cầu () với hơi () thì hệ thức giữa áp suất p trong giọt và áp suất p trong hơi có dạng:

Bề mặt phân cách 2 pha (giọt-hơi) có tồn tại sự đột biến áp suất, bằng 2/r

23 Nêu các dạng cân bằng của tinh thể Định lý Wulff và ý nghĩa của nó

24 Phân biệt mầm đồng thể và mầm dị thể Vai trò của sức căng bề mặt khi thành lập pha hơi

Sự kết tụ pha mới có kích thước cực tiểu gọi là mầm

- Mầm đồng thể: Pha ngưng tụ từ pha hơi quá bão hòa, xem như mầm xuất hiện trong lòng pha hơi

- Mầm dị thể: Tạo mầm dị thể là trường hợp phổ biến của sự chuyển pha, Dị thể

ở đây là bề mặt đế, mầm dị thể xh trên bề mặt đế phải phụ thuộc vào sức căng

bề mặt đế, và sức căng bề mặt tiếp giáp mầm

Vai trò của sức căng bề mặt khi thành lập pha hơi:

25 Trình bày các nội dung sau đây về “Độ bám dính giữa màng và đế”: Định nghĩa, các yếu tố ảnh hưởng.

26 Hãy nêu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phát triển của màng mỏng?

27 Hãy nêu các mode tăng trưởng màng cơ bản? Dẫn ra biểu thức

trúc này?

29 Hãy nêu các nguyên nhân thành lập cấu trúc ốc đảo

Nhiệt độ đế cao;

Vật liệu màng có điểm sôi thấp;

Vận tốc phủ màng thấp; Lực liên kết giữa màng và đế yếu;

Năng lượng bề mặt của vật liệu màng cao;

Năng lượng bề mặt của vật liệu đế thấp

30 Khái niệm về độ hợp mạng? Ý nghĩa của nó

31 Nêu các mô hình cấu trúc và ý nghĩa của nó

 Sự liên kết của các mầm bề mặt tăng trưởng để thành lập màng liên tục gọi là sự phát triển cấu trúc màng.Quá trình này rất quan trọng để xác định cấu trúc, hình thái, thường được gọi là vi cấu trúc và hình thái học

 Trong trường hợp phủ màng bằng phương pháp bay hơi, những thông số chủ yếu là:

 Bản chất đế

 Nhiệt độ đế

 Vận tốc lắng đọng

 Độ dày phủ màng

32 Ảnh hưởng của nhiệt độ đế và vận tốc lắng đọng lên quá trình tạo mầm?

(*): khi nhiệt độ đế tăng, thì kích thước rk của mầm tới hạn tăng

(**): Hàng rào của sự tạo mầm có thể tồn tại ở nhiệt độ đế cao, trái lại nó sẽ giảm ở nhiệt độ đế thấp Hơn nữa, mật độ mầm có kích thước tới hạn phụ thuộc

ΔF k theo hàm mũ, nên số mầm tới hạn sẽ giảm rất nhanh theo nhiệt độ.

(***): Tăng vận tốc phủ màng thì ốc đảo nhỏ hơn Do ΔFk cũng giảm, nên tạo mầm với vận tốc cao sẽ làm cho màng liên tục ở độ dày màng nhỏ hơn

Nếu chúng ta kết hợp đồng thời cho rk và ΔFk cùng lớn: vi tinh thể lớn Điều đó tương ứng với nhiệt độ đế cao và vận tốc phủ thấp

Ngược lại, nhiệt độ đế thấp và vận tốc phủ cao thì sẽ thành lập màng đa tinh thể

33 Vận tốc tạo mầm là gì? Nêu biểu thức và giải thích các đại lượng trong biểu thức.

Vận tốc tạo mầm là số lượng mầm được tạo ra trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích

Do đó, vận tốc tạo mầm phụ thuộc rất lớn vào năng lượng tạo mầm

Và vận tốc tạo mầm lớn thì cấu tạo hạt_mịn, ngay cả cấu trúc vô định hình Ngược lại, khi vận tốc tạo mầm bé thì cấu tạo hạt_thô

34 Khái niệm về Texture? Nêu các trường hợp của Texture và cho ví dụ.

35 Hãy nêu các tính chất cơ bản của màng mỏng và phân tích ngắn gọn các tính chất đó

36 Dẫn ra biểu thức tính điện trở bề mặt của màng mỏng? Đơn vị của các đại lượng

37 Từ định luật Lambert – Beer, hãy dẫn ra các biểu thức về độ truyền qua và hấp thụ của màng mỏng

38 Cách xác định độ rộng vùng cấm quang của vật liệu dựa vào phổ truyền qua

và hấp thụ?

39 Theo anh (chị) thì phổ phát quang có những ứng dụng quan trọng nào trong nghiên cứu vật liệu?

40 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng của màng mỏng? Nêu công thức tính độ cứng cực đại