Vật liệu bán dẫn A2B6 Là những hợp chất tạo từ các nguyên tố nhóm IIb và VI. Tuy nhiên ta chỉ xét đến 9 hợp chất tạo từ các nguyên tố sau:Các thù hình của hợp chất A2B6: ZnS: Kết tinh ở dạng Wurzite ở nhiệt độ cao; Kết tinh ở dạng giả kẽm ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ chuyển thù hình xảy ra ở 1020oC.CdS: Có thể có ở 2 dạng, CdS lục giác có màu đỏ còn CdS lập phương có màu vàng. ZnSe: Tinh thể dạng giả kẽm kết tinh từ pha hơi ở T = 11201200oC; Có thể chế tạo tinh thể dạng Wurzite. ZnTe: Thường kết tinh ở dạng giả kẽm, cũng có thể ở dạng Wurzite. CdSe: Ở nhiệt độ cao kết tinh ở dạng Wurzite; Ở nhiệt độ phòng kết tinh ở dạng giả kẽm, nhiệt độ chuyển thù hình xảy ra ở 130oC. CdTe: Thường kết tinh ở dạng giả kẽm; Khi tạo màng mỏng, có thể kết tinh dạng lục giác. HgS: Chỉ kết tinh ở dạng giả kẽm.
Trang 1Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Báo cáo môn học
Và tính chất quang của vật liệu CdS, ZnO
Viện Vật Lý Kĩ Thuật
1
Trang 31 Tổng quan về vật liệu bán dẫn A2B6
- Là những hợp chất tạo từ các nguyên tố nhóm IIb và VI Tuy nhiên ta chỉ xét đến 9 hợp chất tạo từ các nguyên tố sau:
ZnSZnSeZnTe
HgSHgSeHgTe
CdSCdSeCdTe
Trang 5Các thù hình của hợp chất A 2 B 6 :
ZnS: - Kết tinh ở dạng Wurzite ở nhiệt độ cao;
- Kết tinh ở dạng giả kẽm ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ chuyển thù hình xảy ra ở 1020oC
CdSe: -Ở nhiệt độ cao kết tinh ở dạng Wurzite;
-Ở nhiệt độ phòng kết tinh ở dạng giả kẽm, nhiệt độ chuyển thù hình xảy ra ở 130oC
CdTe: -Thường kết tinh ở dạng giả kẽm;
-Khi tạo màng mỏng, có thể kết tinh dạng lục giác
HgS: -Chỉ kết tinh ở dạng giả kẽm
1 Tổng quan về vật liệu bán dẫn A2B6
Trang 61 Tổng quan về vật liệu bán dẫn A2B6
Hình 3: Giản đồ quan hệ hằng số mạng với bề rộng vùng cấm của hợp chất
A2B6
Trang 9• Trong mạng tinh thế CdS, Các nguyên
tử Cd và S liên kết với nhau theo một
cấu trúc tuần hoàn Tinh thể CdS có hai
dạng cấu trúc chính là mạng tinh thể
wurzite và mạng tinh thể giả kẽm Tuỳ
thuộc vào nhiệt độ nung mà ta thu
được CdS có cấu trúc khác nhau, ở
nhiệt độ nung từ 950oC CdS có cấu trúc
giả kẽm, nhiệt độ từ 950oC đến trên
1020oC thì có khoảng 70% CdS có cấu
wurzite Nhiệt độ từ 1020oC đến
1200oC thì CdS hoàn toàn dưới dạng
wurzite
Trang 112 Vật liệu CdS
2.4 Ứng dụng
11
2.4.1 CdS trong sản xuất pin mặt trời
• Pin mặt trời làm bằng Cadmium Sulphide cho sản phẩm nhỏ, nhẹ hơn
sản phẩm làm bằng silicon, cho chất lượng có kết quả tốt gần bằng hiệu suất của silicon
• Cadmium Sulphide xếp thứ 3 trong
các loại vật liệu chế tạo pin mặt
trời, sau Si và GaAs
Trang 122 Vật liệu CdS
2.4 Ứng dụng
12
2.4.2 CdS sử dụng làm cảm biến quang học.
• Lần đầu đc phát hiện bởi các nhà khoa học thuộc trường đại học
Silesian University of Technology,Phần Lan chế tạo thành công cảm biến
CdS màng mỏng có các đặc tính quang điện thích hợp để chế tạo các
thiết bị nhạy quang và nhạy quang điện
Ví dụ: Trong máy chụp ảnh, thường gồm có một tấm vật liệu nhạy cảm với
ánh sáng, thường làm bằng cadmium sulphide
Trang 13tiền giấy nhằm chống làm già.
• Dựa trên tính phát quang đặc trưng , các hạt
nano CdS được dùng để tiêm vào cơ thể động
vật để quan sát chụp ảnh các cơ quan tế bào
• Ngoài ra còn được ứng dụng trong
việc dò ung thư, đưa thuốc đến tế bào
ung thư
Trang 141 Giới thiệu về nano ZnO.
2 Cấu trúc tinh thể nano ZnO.
3 ZnO pha tạp.
4 Tính chất và ứng dụng của vật liệu ZnO.
5 Chế tạo màng mỏng nano ZnO.
Trang 151 Giới thiệu về nano ZnO
• ZnO là tinh thể được hình thành từ một nguyên tố nhóm II (Zn) và nguyên
tố nhóm VI (O), năng lượng liên kết chủ yếu là năng lượng Madelung ZnO
có những tính chất hứa hẹn khả năng ứng dụng cao: có cấu trúc vùng vấm thẳng, năng lượng liên kết exiton vào khoảng 60meV- nhiều hơn GaN(25meV) và năng lượng nhiệt ở nhiệt độ phòng là 26(meV) Năng lượng
đó có thể đảm bảo một sự phát xạ exiton hiệu quả tại nhiệt độ phòng.
• ZnO là hợp chất ion có cấu trúc mạng sáu phương xếp chặt Ô cơ sở của mạng sáu phương xếp chặt là khối lăng trụ lục giác với hằng số mạng là a = 3,24265 A
Trang 162 Cấu trúc tinh thể nano ZnO
Ở điều kiện bình thường, cấu trúc của ZnO tồn tại ở
dạng sáu phương xếp chặt
Ở điều kiện bình thường, cấu trúc của ZnO tồn tại ở
dạng sáu phương xếp chặt
Ngoài ra, trong các điều kiện đặc biệt tinh thể của ZnO
còn có thể tồn tại ở các cấu trúc như: lập phương giả kẽm
hay cấu trúc lập phương kiểu NaCl
Ngoài ra, trong các điều kiện đặc biệt tinh thể của ZnO
còn có thể tồn tại ở các cấu trúc như: lập phương giả kẽm
hay cấu trúc lập phương kiểu NaCl
Trang 17 Ở điều kiện thường cấu trúc của ZnO tồn tại ở dạng Wurtzite Mạng tinh thể ZnO ở dạng này được hình thành trên cơ sở hai phân mạng lục giác xếp chặt của cation Zn2+ và anion O2- lồng vào nhau một khoảng cách 3/8 chiều cao trong đó mỗi anion được bao quang bởi 4 cation và ngược lại
Cấu trúc lập phương giả kẽm ở nhiệt độ cao
cấu trúc lập phương kiểu NaCl ở ấp suất cao
Trang 183 ZnO pha tạp
• Sự thay đổi năng lượng Madelung của ZnO theo loại tạp chất được đưa vào
• ZnO loại p nên tạp Nitơ
• ZnO loại n nên tạp Ga
Trang 19ZnO tạp Nitơ
Hằng số mạng bị
thay đổi
Thay đổi tính chất
màng Thay đổi mật độ trạng thái của vật liệu
So với màng ZnO thuần, màng ZnO: N có:
+ Bờ hấp thụ dịch chuyển về phía ánh sáng có bước sóng dài
+ Độ truyền qua thấp hơn
So với màng ZnO thuần, màng ZnO: N có:
+ Bờ hấp thụ dịch chuyển về phía ánh sáng có bước sóng dài
+ Độ truyền qua thấp hơn
Trang 20ZnO tạp Ga
Khi pha tạp Ga vào mạng
tinh thể ZnO : các ion Ga3+
và Zn2+ có bán kính xấp xỉ
gần bằng nhau ( 0,53A0 và
0,72A0 )do đó ion Ga3+ dễ
thay thế Zn2+ mà không
phân biệt cấu trúc đơn vị cấu
thành Mỗi ion Ga3+ khi
thay vào vị trí của Zn2+ sẽ
cho một electron tự do =>
ZnO : Ga là bán dẫn loại n
Khi pha tạp Ga vào mạng
tinh thể ZnO : các ion Ga3+
và Zn2+ có bán kính xấp xỉ
gần bằng nhau ( 0,53A0 và
0,72A0 )do đó ion Ga3+ dễ
thay thế Zn2+ mà không
phân biệt cấu trúc đơn vị cấu
thành Mỗi ion Ga3+ khi
thay vào vị trí của Zn2+ sẽ
cho một electron tự do =>
ZnO : Ga là bán dẫn loại n
Màng ZnO-Ga được tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron có điện trở suất khoảng 4-5 x 10-4 Ωcm , độ truyền qua trung bình vùng khả kiến T ~ 85% Màng cho tính chất quang điện tốt ngay cả khi được phún xạ ở nhiệt
độ phòng Tính chất điện của màng cho thấy màng ít bị ảnh hưởng bởi sự bắn phá của ion âm, cũng như có độ bền nhiệt tốt khi xử lý trong môi trường không khí, điều này có thể lí giải dựa trên bán kính của ion tạp chất so với bán kính của ion nguyên tử nền dẫn đến sự hoà tan rắn thay thế tốt Bia-đế được bố trí song song nên vận tốc tạo màng cao,
độ đồng đều điện trở tốt, tiết kiệm vật liệu, dễ dàng ứng dụng trong công nghiệp
Màng ZnO-Ga được tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron có điện trở suất khoảng 4-5 x 10-4 Ωcm , độ truyền qua trung bình vùng khả kiến T ~ 85% Màng cho tính chất quang điện tốt ngay cả khi được phún xạ ở nhiệt
độ phòng Tính chất điện của màng cho thấy màng ít bị ảnh hưởng bởi sự bắn phá của ion âm, cũng như có độ bền nhiệt tốt khi xử lý trong môi trường không khí, điều này có thể lí giải dựa trên bán kính của ion tạp chất so với bán kính của ion nguyên tử nền dẫn đến sự hoà tan rắn thay thế tốt Bia-đế được bố trí song song nên vận tốc tạo màng cao,
độ đồng đều điện trở tốt, tiết kiệm vật liệu, dễ dàng ứng dụng trong công nghiệp
Trang 214 Tính chất và ứng dụng của vật liệu ZnO
Trang 22Màng mỏng ZnO có thể chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như:
• Bốc bay trong chân không
1 Quy trình tạo màng mỏng ZnO
5 Chế tạo màng mỏng nano ZnO.
Trang 23 Precursor:
+ Là những phần tử ban đầu để tạo những hạt keo
+ Công thức chung của precursor: M(OR)x
+ Với: M: kim loại, R: nhóm ankyl có công thức
CnH2n+1
• Hệ sol:
+ Hệ các hạt phân tán,kích thước: 0,1 → 1μm
+ Các hạt chuyển động Brown, va chạm nhau
+ Lực tương tác giữacác hạt: Van der Waals
• Hệ gel: Sau một thời gian, các hạt sol hút nhau (có thể tác
động ngoại lực), đông tụ và chuyển thành gel
23
Hệ gel
Hệ sol
2 Hệ Sol _Gel
Trang 25• Bước 1: Tạo dung dịch sol-gel ZnO
CH2CH2OH)
khuấy trong 2 h
và ủ trong 3 h
Tạo màng ZnO
Trang 26Bước 2 : Rửa Đế
QUY TRÌNH RỬA ĐẾ THỦY TINH
Đế sử dụng là các đế thủy tinh SUPERIOR
(Germany) kích thước 10 2,5 cm Trước khi
sử dụng, đế được xử lý theo quy trình sau:
• Ngâm trong hỗn hợp dung dịch HNO 3
• Rửa trong nước siêu tinh khiết trong bể
siêu âm f= 1KHz, t=10 min, nhiệt độ
phòng
• Sấy bằng đèn hồng ngoại t=10 min
QUY TRÌNH RỬA ĐẾ SILIC
Đế sử dụng là đế Si (100) được cắt với kích thước 1,0 1,0 cm Trước khi sử dụng, đế được
xử lý theo quy trình
• Ngâm trong dung dịch hỗn hợp HF 65% và nước với tỉ lệ về thể tích là 1:10, t= 10 min, nhiệt độ phòng
• Ngâm trong nước siêu tinh khiết, t=10 min, nhiệt độ phòng
• Rửa trong acetone trong bể siêu âm f=
1KHz, t=10 min, nhiệt độ phòng
• Rửa trong nước siêu tinh khiết trong bể siêu
âm f= 1KHz, t=10 min, nhiệt độ phòng
• Sấy bằng đèn hồng ngoại t=10 min
26
Trang 27• Bước 3: quay phủ:
1 Nhỏ hỗn hợp chất đã chuẩn bị từ từ sao cho phủ hết
bề mặt đế mà không để bị rơi ra ngoài
27
4 Lặp lại các bước trên đến khi nào đạt được màng mong
muốn
2 Tiến hành quay ly tâm (1500 vòng / phút và 30
giây tương ứng) hỗn hợp chất phủ đều kín mặt đế
3 Các hạt ZnO sẽ bám vào bề mặt đế, phần dung
dịch sẽ bị bay ra ngoài.
Trang 28• Bước 4 : Ủ nhiệt.
• Màng mang đi ủ để loại bỏ dung môi và các chất hữu cơ dư
• Nhiệt độ ủ cũng là một trong các thông số có thể ảnh hưởng đến đặc tính cấu trúc của màng.
28
Hình 11 Màng ZnO ủ ở 200 C
Tạo màng ZnO
Trang 29Ưu điểm Nhược điểm
có độ tinh khiết cao
- Là phương pháp hiệu quả, kinh tế, đơn
giản để sản xuất màng có chất lượng
- Chi phí cao đối với những vật liệu thô
- Hao hụt nhiều trong quá trình tạo màng.
Trang 30Tài liệu tham khảo
[1] Giáo trình Vật lý bán dẫn, Phùng Hồ-Phan Quốc Ngô, 2001, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật
[2]
http://hocday.com/nghin-cu-ph-hp-th-hng-ngoi-ca-cc-ht-nano-zns-pha-tp-mn.html
[3]
http://luanvan.co/luan-van/che-tao-va-khao-sat-tinh-chat-phat-quang-cua-hat-nano-cds-364
[4] Synthesis,optoelectronic properties and photoelectrochemical performance
of CdS thin films, 2012, P.A.Chate-SS.Patil
[5] Formation of the bandgap energy on CdS thin films growwth by two
diferent techniques, 2001, A.I.Oliva-O.Solis Canto
[6] Synthesis and caracterization of CdS n-Type of semiconductor thin films having nanometer grain size, 2009, S.S.Kawar-B.H.Pawar
