Thạc Sĩ Nghiên cứu chế tạo màng mỏng trong suốt dẫn điện loại p bằng phương pháp phún xạ Magnetron.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Chuyên ngành: Quang học
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Năm - 2010


MỤC LỤC ( Luận văn dài 68 trang, 1 file duy nhất)


MỤC LỤC Trang
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 3
DANH MỤC CÁC BẢNG . 5


PHẦN A. TỔNG QUAN 8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU CÓ CẤU TRÚC DELAFOSSITE . 9
1.1. Đặc điểm cấu trúc delafossite 9
1.2. Các hợp chất delafossite thường gặp 12
1.2.1. Hợp chất CuMIIIO2 (MIII là các cation hóa trị III) 12
1.2.2. Hợp chất AgMIIIO2 (MIII là các cation hóa trị III) 15
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN p-ZnO . 16
2.1. Giới thiệu về ZnO 16
2.2. ZnO pha tạp. 17
2.3. ZnO pha tạp Nitơ . 21
2.4. ZnO đồng pha tạp donor và acceptor . 26
2.5. Một số kết quả về p-ZnO từ các công trình 29


PHẦN B. THỰC NGHIỆM 33
CHƯƠNG 3. TỔNG HỢP VẬT LIỆU KHỐI VÀ MÀNG CuCrO2-Mg . . 34
3.1. Tổng hợp vật liệu khối CuCrO2-Mg 34
3.1.2. Dung kết hỗn hợp các oxit thành phần 34
3.1.2. Tính chất điện của vật liệu sau khi dung kết 37
3.1.3. Cấu trúc của vật liệu sau khi dung kết . 38
3.2. Chế tạo màng CuCrO2-Mg 42
3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đế và công suất phún xạ 43
3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng pha tạp Mg . 45
3.2.3. Phổ truyền qua trong vùng khả kiến. . 46
3.2.4. Phổ nhiễu xạ tia X . 47
3.3. Kết luận . 48


CHƯƠNG 4. TỔNG HỢP MÀNG ZnO:N . 49
4.1. Vật liệu khối 49
4.2. Chế tạo màng ZnO pha tạp N từ bia gốm . 50
4.2.1. Tổng hợp màng từ bia gốm ZnO . 51
4.2.2. Tổng hợp màng từ bia gốm ZnO:Al 52
4.2.3. Tổng hợp màng từ bia gốm ZnO:Ga . 54
4.3. Kết luận . 55


KẾT LUẬN 56
KIẾN NGHỊ . 58
DANH MỤC CÔNG TRÌNH . 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO .

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu trúc Delafossite 9
Hình 1.2. Bán kính của các ion theo hằng số mạng trục a [37] 13
Hình 2.1. Cấu trúc wurtzire của ZnO 16
Hình 2.2. Những nguyên tố có thể sử dụng pha tạp tạo bán dẫn loại p . 17
Hình 2 3. Mật độ trạng thái của ZnOdata:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAABAQMAAAAl21bKAAAAA1BMVEXh5PJm+yKVAAAAAXRSTlMAQObYZgAAAApJREFUCNdjYAAAAAIAAeIhvDMAAAAASUVORK5CYII=" class="mceSmilieSprite mceSmilie3" alt="" title="Frown ">IIIA) . 18
Hình 2.4. Mật độ trạng thái của ZnO:N và ZnO:Li 19
Hình 2.5. Phổ nhiễu xạ của ZnO:N(a) và ZnO:Ar(b) . 21
Hình 2.6. Phổ truyền qua của màng mỏng ZnO và ZnO:N . 22
Hình 2.7. Mật độ trạng thái của tinh thể ZnO và ZnO:N 23
Hình 2.8. Kết quả tính toán năng lượng thành lập defect (N2) (a) và (N2)O (b) trong
mạng ZnO với bốn nguồn khí N2, N2O, NO và NO2 [56]. . 26
Hình 2.9. Cấu trúc tinh thể của một ô mạng ZnO[IMG]data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAABAQMAAAAl21bKAAAAA1BMVEXh5PJm+yKVAAAAAXRSTlMAQObYZgAAAApJREFUCNdjYAAAAAIAAeIhvDMAAAAASUVORK5CYII=" class="mceSmilieSprite mceSmilie3" alt="" title="Frown ">2N,Ga) . 27
Hình 2.10.Giản đồ vùng năng lượng của bán dẫn đồng pha tạp loại p. 27
Hình 3.1. Chu trình nhiệt dung kết hỗn hợp ôxit. 35
Hình 3.2. Điện trở suất và độ co mẫu theo hàm lượng Mg. . 37
Hình 3.3. Phổ nhiễu xạ của CuCrO2 với pha tạp Mg 5%, 10% và 15% . 39
Hình 3.4. Phân bố điện trở suất của màng CuCrO2-Mg theo vị trí đặt đối diện trên bia
Hình 3.5. Vận tốc phủ theo công suất phún xạ 41
Hình 3.6. Bia MCCO sau khi nung . 41
Hình 3.7. Ảnh hưởng của công suất phún xạ lên điện trở suất màng. 43
Hình 3.8. Ảnh hưởng của công suất lên điện trở suất ở 2 khoảng cách bia đế khác nhau
Hình 3.9. Phổ truyền qua của mẫu MCCO trong vùng khả kiến 46
Hình 3.10. Phổ nhiễu xạ của màng MCCO với các hàm lượng Mg 5%, 10%, 15% 47
Hình 4.1. Phổ truyền qua của màng ZnO:N . 51
Hình 4.2. Phổ truyền qua của màng ZnO:AlN . 53
Hình 4. 3. Phổ truyền qua của màng ZnO:GaN .

[B]DANH MỤC CÁC BẢNG

[/B]
Bảng 1.1. Tính chất điện của một số hợp chất cấu trúc delafossite[44]. 11
Bảng 1.2. Tính chất dẫn điện của một số delafosite được pha tạp[44]. . 14
Bảng 2.1. Sự thay đổi năng lượng Madelung [53] 20
Bảng 2.2. Một số kết quả màng p-ZnO được tổng hợp bằng phương pháp phún xạ magnetron.
Bảng 2.3. Kết quả màng p-ZnO được tổng hợp bằng một số phương pháp khác. . 31
Bảng 3. 1. Kết quả dung kết hỗn hợp bột với hàm lượng Mg thay đổi. 36
Bảng 3. 2. So sánh vị trí và cường độ các vạch nhiễu xạ giữa các mẫu dung kết 5%,
10%, 15% Mg với mẫu bột tham khảo và mẫu bột thành phần ban đầu. . 38
Bảng 3. 3. Các thông số chế tạo màng MCCO. 42
Bảng 3. 4. So sánh tính chất quang điện của màng MCCO với các hàm lượng pha tạp
5%, 10% và 15% Mg. . 45
Bảng 4. 1. Các thông số chế tạo màng ZnO:N từ bia gốm ZnO. . 50
Bảng 4. 2. Kết quả thực nghiệm tổng hợp màng ZnO:N từ bia gốm ZnO . 52
Bảng 4. 3. Kết quả tổng hợp màng ZnO:AlN từ bia gốm AZO 52
Bảng 4. 4. Kết quả thực nghiệm tổng hợp màng từ bia gốm ZnO:Ga .

[B]MỞ ĐẦU[/B]
Các oxit dẫn điện (TCO) loại n như là ITO có độ dẫn điện rộng thay đổi từ chất cách điện (10-9 Scm-1) tới kim loại (104 Scm-1). Mặc dù với độ dẫn điện có thể thay đổi được trong một dãy rộng, các vật liệu TCO vẫn giới hạn trong phạm vi làm điện cực trong suốt trong công nghệ màn hình phẳng và pin mặt trời. Và kỹ thuật bán dẫn dựa trên tiếp giáp p-n trong suốt được nghĩ đến nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng của TCO vào công nghệ chế tạo diod phát tử ngoại và transitor trong suốt. Từ đó, p-TCO mở ra một hướng nghiên cứu mới cho các nhà khoa học.
Tuy nhiên, để chế tạo được p-TCO có độ dẫn điện cao bằng hoặc gần bằng với độ dẫn điện của n-TCO vẫn là một thách thức đối với các nhà khoa học. Năm 1997, khi Kawazoe và đồng nghiệp công bố chế tạo màng mỏng CuAlO2 với độ dẫn điện 1 Scm-1 đã mở ra hướng nghiên cứu màng bán dẫn loại p dựa trên vật liệu có cấu trúc delafossite. Mặt khác, tiếp xúc đồng thể vẫn luôn chiếm ưu thế hơn, nên p-ZnO là một lựa chọn vì những tính năng ưu việt của nó như nguồn vật liệu dễ tìm, giá thành rẽ và ZnO là một n-TCO có độ dẫn điện rất tốt. Các nhóm nghiên cứu trên thế giới đã và đang dùng nhiều phương pháp từ hóa học tới vật lý như CVD, MOCVD, PE-CVD, Solgel, PLD, phún xạ magnetron, để tổng hợp màng. Hiện nay, trong nước vẫn chưa nhóm nghiên cứu nào công bố đã chế tạo thành công màng bán dẫn trong suốt loại p. Từ quan điểm trên cộng với tình hình nghiên cứu trong nước hiện nay, để góp phần vào xu hướng phát triển của khoa học, tác giả và nhóm nghiên cứu tiến hành tổng hợp vật liệu khối và màng mỏng CuCrO2 pha tạp Mg có cấu trúc delafossite trên đế
thủy tinh corning 7059 bằng phương pháp phún xạ magnetron. Đồng thời chế tạo màng mỏng bán dẫn trong suốt ZnO pha tạp N và đồng pha tạp Al-N, Ga-N từ bia kim loại hoặc bia gốm trên đế thủy tinh thường hoặc thủy tinh corning 7059 bằng phương pháp
phún xạ magnetron.

Trong luận văn này, tác giả chia bố cục thành hai phần A và B. Phần A tổng quan lý thuyết trong hai chương, chương 1 tổng quan về vật liệu cấu trúc delafossite, giới thiệu đặc điểm cấu trúc và tính chất của một số hợp chất thường được sử dụng, chương 2 tổng quan về p-ZnO, các mô hình lý thuyết pha tạp acceptor N, đồng pha tạp donor – acceptor và một số kết quả thực nghiệm từ các tài liệu tham khảo. Thực
nghiệm được trình bày trong phần B gồm chương 3 tổng hợp vật liệu khối và màng CuCrO2-Mg, chương 4 tổng hợp màng ZnO pha tạp N, đồng pha tạp Al-N và Ga-N.