Báo Cáo ảnh hưởng của nhiệt độ đế lên cấu trúc và tính chất điện của màng dẫn điện trong suốt SnO2 Sb được c

TÓM TẮT: Màng điện cực trong suốt SnO2:Sb được chế tạo bằng phương pháp phún xạ Magnetron DC phản ứng trên đế thủy tinh. Vật liệu bia là hợp kim Sn (tinh khiết 99,5%) pha Sb (5% khối lượng Sb). Quá trình tạo màng được thực hiện trong hỗn hợp khí Ar (tinh khiết 99,99%) và O2 (tinh khiết 99,999%). Hệ chân không tạo màng có thể đạt đến áp suất ban đầu khoảng 10-5torr. Nhiệt độ đế trong quá trình tạo màng được giữ ở các giá trị ổn định trong khoảng từ nhiệt độ phòng đến 450 0C. Sự phụ thuộc
của kích thước hạt tinh thể và tính dẫn diện của màng vào nhiệt độ đế cũng được khảo sát.
Từ khóa: màng dẫn điện trong suốt, TCO, SnO2:Sb, Cấu trúc và độ dẫn của SnO2:Sb.





1. GIỚI THIỆU


Với vật liệu màng SnO2 có hoặc không pha tạp nói chung, độ dẫn điện của màng phụ thuộc vào mức độ thiếu hụt một số vị trí cuả oxy bên trong màng, mức độ tinh thể hóa của màng và kích thước của các hạt tinh thể. Trong phương pháp tạo màng bằng phún xạ magnetron rf, việc tạo sự thiếu hụt oxy trong màng có thể được điều chỉnh thông qua tốc độ phún xạ và áp suất riêng phần cuả oxy trong quá trình lắng đọng màng. Tuy nhiên từ thực nghiệm công trình [1] cũng cho thấy việc điều chỉnh này là rất khó khăn vì điện trở suất của màng phụ thuộc rất nhiều vào sự thăng giáng của giá trị của hai thông số trên. Điều này có nghĩa là nó đòi hỏi khả năng đáp ứng với độ chính xác cao của các thiết bị điều chỉnh (lưu lượng khí, công suất phún xạ) cũng như các thiết bị đo. Một hạn chế trong cách chế tạo màng này là luôn có sự xuất hiện của pha SnO. Chính sự tham gia của thành phần SnO này là nguyên nhân gây ra sự hấp thụ ánh sáng trong màng, làm sụt giảm đáng kể độ truyền qua của màng. Ngoài ra, sự tham gia của SnO làm giảm tính ổn định và độ dẫn điện của màng.
Từ thực nghiệm của công trình này cho thấy các ảnh hưởng của pha SnO trên có thể được hạn chế phần nào khi có sự cấp nhiệt cho đế trong quá trình tạo màng. Đối với những màng được

lắng đọng ở nhiệt độ đế trên 2000C và trong môi trường khí làm việc đủ để tạo pha SnO2 thì điện trở suất của màng phụ thuộc khá yếu vào giá trị của áp suất riêng phần của oxy. Ngoài ra khi được lắng đọng ở nhiệt độ cao, điện trở suất của màng có giá trị thấp và lặp lại tốt hơn so với màng được lắng đọng ở nhiệt độ phòng.
Cùng với sự cấp nhiệt cho đế, sự pha tạp Sb vào trong mạng SnO2 của màng có tác dụng làm tăng đáng kể và ổn định ở mức cao nồng độ hạt tải (e-) trong màng. Sự pha tạp này cũng đã cải thiện rất nhiều tính ổn định của độ dẫn điện của màng [2]. Trong công trình này với mục đích là nghiên cứu chế tạo vật liệu màng có tính chất trong suốt, dẫn điện tốt, trơ với các môi trường axít và kiềm và có giá thành thấp hơn nhiều so với vật liệu màng ITO. Vật liệu màng SnO2 pha tạp Sb đã được chúng tôi tập trung nghiên cứu.


2. THỰC NGHIỆM


Trong công trình này, màng điện cực trong suốt SnO2:Sb được chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron DC phản ứng trên đế thủy tinh corning ở các nhiệt độ đế khác nhau. Vật liệu bia là hợp kim Sn (tinh khiết 99,5%) pha Sb (5% khối lượng Sb). Quá trình tạo màng được thực hiện trong hỗn hợp khí Ar (tinh khiết 99,99%) và O2 (tinh khiết 99,999%). Hệ chân không tạo màng có thể đạt được chân không ban




đầu khoảng 10-5torr. Nhiệt độ đế trong quá trình tạo màng được giữ ổn định ở các giá trị trong khoảng từ nhiệt độ phòng đến 4200C. Sự phụ thuộc của kích thước hạt tinh thể và tính dẫn điện của màng vào nhiệt độ đế cũng được khảo sát.
Các thông số của màng như độ dày d được xác định bằng máy đo độ dày Stylus. Điện trở mặt của màng được xác định nhờ phương pháp bốn mũi dò [3], và cấu trúc tinh thể đã được khảo sát bằng phép phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD). Kích thước hạt tinh thể được xác định bằng công thức Scherrer. Từ kết quả của công trình [1,4], trong quá trình phún xạ tạo màng, áp suất hỗn hợp khí làm việc Ar+O2 cần ở
mức cao khoảng 10-2 torr để tránh ứng suất nén
có thể phá hỏng màng. Các thông số tạo màng bằng phương pháp phún xạ magnetron phản ứng trong công trình này được trình bày trên bảng 1.


Bảng 1. Các thông số tạo màng SnO2:Sb

Trong đó  là hệ số hấp thụ của màng; A là hằng số; η là hệ số mũ phụ thuộc vào loại dịch chuyển quang học. Đối với màng SnO2:Sb, dịch chuyển quang học là dịch chuyển xiên và cho phép nên η = 2. Giá trị độ rộng vùng cấm của màng thu được từ phương pháp tính trên là vào khoảng 3,4eV ư 3,8eV. Dựa vào các cực trị giao thoa và kết quả đo độ dày bằng thiết bị đo STYLUS chiết suất của màng ở vùng bước sóng 550nm được xác định bằng phương pháp Swanepoel là khoảng 1,88 ư 1,96. Các kết quả khảo sát này được tổng kết như trên bảng 2. Từ kết quả tính toán trên bảng 2 cho thấy độ rộng vùng cấm có giá trị tăng khi nhiệt độ lắng đọng màng tăng. Điều này cho thấy rằng nồng độ hạt tải trong màng đã tăng đáng kể do hiệu ứng Burstein-Moss.
Màng sau khi chế tạo được khảo sát giản đồ XRD để xét ảnh hưởng của nhiệt độ đế khi lắng đọng màng lên cấu trúc màng. Trên hình 2 là giản đồ XRD của mẫu bột SnO2 và các mẫu màng SnO2:Sb được chế tạo ở các nhiệt độ đế khác và với cùng các thông số tạo màng được cho trên bảng 1. Kết quả này là khá phù hợp với công trình [6].