Luận Văn Nghiên cứu mối nối dị thể P-N trên nền vật liệu ZnO

TÓM TẮT LUẬN VĂN Đèn LED đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn trong đời sống hàng ngày nhờ khả năng phát ra ánh sáng theo màu như ý muốn, mức tiêu thụ năng lượng thấp, có thể đạt kích thước nhỏ, không chứa những chất độc hại có khả năng gây nguy hiểm đến sức khỏe của con người. Tuy nhiên, đèn LED vẫn còn một số hạn chế cần khắc phục để có thể đạt được hiệu quả quang học của các loại đèn thông dụng hiện nay.
Đèn LED làm từ các sợi nano ZnO là hướng nghiên cứu mới trên thế giới hiện nay nhằm thay thế các đèn LED từ GaN nhờ:


Hiệu quả cao mà cấu trúc đèn LED bằng sợi nano mang lại so với các cấu trúc theo từng lớp thông dụng.
Các tính chất quang và điện tốt hơn của ZnO.
Vấn đề hiện đang ngăn cản sự sử dụng các đèn LED từ sợi nano này đến từ bản thân vật liệu ZnO, do đó các nghiên cứu trên những cấu trúc ZnO với các loại vật liệu khác là một nhánh rẽ từ hướng nghiên cứu chính này.
Luận văn sẽ đi theo nhánh rẽ đó với hai loại vật liệu: một polymer dẫn điện (PEDOTdata:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAABAQMAAAAl21bKAAAAA1BMVEXh5PJm+yKVAAAAAXRSTlMAQObYZgAAAApJREFUCNdjYAAAAAIAAeIhvDMAAAAASUVORK5CYII=" class="mceSmilieSprite mceSmilie7" alt=":p" title="Stick Out Tongue :p">SS) và một hợp chất của đồng (CuSCN). Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu và thực hiện các cấu trúc sợi nano ZnO được phủ bởi hai loại chất này, sau đó thực hiện các phép đo tính chất điện hoặc điện phát quang. Mặc dù đã hoàn thành bước đo các tính chất điện của các cấu trúc 2D và thực hiện được các cấu trúc trên sợi nano, bước đo các tính chất trên những cấu trúc sợi nano vẫn chưa được hoàn tất vào thời điểm thực hiện luận văn này.
Từ các kết quả đã đạt được, các hướng phát triển cho các cấu trúc này sẽ được đề ra vào cuối luận văn.
Bóng đèn dây tóc có thể là phát minh thành công nhất của Thomas Edison, và cũng có thể là phát minh duy nhất của ông còn được sử dụng ngày nay. Với việc phủ lưới điện rộng khắp, những bóng đèn dây tóc đã thay đổi diện mạo của các thành phố và thay đổi hoàn toàn cuộc sống của con người. Chúng vẫn được sử dụng rộng rãi trên thế giới, nhất là tại các nước nghèo và những vùng nông thôn. Tuy nhiên, điều này đang được thu hẹp. Ngoài một số ưu điểm không thể bàn cãi, nhất là hệ số hoàn màu cao (CRI – Color Rendering Index), bóng đèn dây tóc có những nhược điểm buộc con người phải tìm những cách chiếu sáng khác thay thế, nhất là vào thời kì khan hiếm năng lượng hiện nay.
Bóng đèn dây tóc tiêu thụ rất nhiều năng lượng và không hiệu quả vì phần lớn phổ phát sáng của nó nằm trong vùng hồng ngoại và không có tác dụng chiếu sáng. Phần lớn năng lượng tiêu thụ chuyển thành nhiệt, làm bay hơi dây tóc, do đó làm giảm tuổi thọ của thiết bị. Vì vậy, bóng đèn huỳnh quang và bóng đèn LED ngày càng được sử dụng nhiều hơn. Vào ngày 8 tháng 12 năm 2008, Liên Minh Châu Âu thậm chí đã đi trước một bước khi thông qua dự thảo loại bỏ dần bóng đèn dây tóc kể từ ngày 1 tháng 9 năm 2009, tiến tới việc loại bỏ hoàn toàn bóng đèn dây tóc vào năm 2012. Điều này có thể giúp tiết kiệm lượng điện năng tiêu thụ tương đương với năng lượng của 11 triệu hộ gia đình tại Châu Âu sử dụng. Các lựa chọn thay thế ngày càng được mở rộng, tuy nhiên lại mang những nhược điểm khác: thời gian đáp ứng lâu hơn, sự xuất hiện của các chất độc hại như thủy ngân, không tương thích với một số môi trường làm việc hoặc không thể điều chỉnh độ sáng theo ý muốn bằng dòng điện. Việc sử dụng các đèn LED có thể giúp vượt qua các nhược điểm này nhờ vào các tính chất đặc biệt của chúng.
Các diode phát sáng (LED) đã được thương mại hóa từ trước. Chúng nhỏ gọn hơn, ít tiêu thụ năng lượng hơn, có tuổi thọ cao hơn và phát ra ánh sáng với các màu sắc khác nhau. Các đèn LED đều tiên đã được phát triển vào các năm 1960. Chúng được làm từ hợp chất của gallium, arsenic và phosphore và phát ánh sáng màu đỏ (có bước sóng 655 nm). Về sau, đèn LED với các màu sắc khác đã được chế tạo bằng cách pha tạp các bán dẫn của gallium. Ngày nay, đèn LED đỏ, xanh lá cây và xanh đã xuất hiện trên thị trường và đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng khác nhau, mở đường cho việc tạo ra ánh sáng trắng.
Đèn LED trắng có thể đạt đến độ sáng 300 lm/W, cao hơn giá trị của các nguồn sáng khác (thường vào khoảng từ 15 đến 100 lm/W). Có hai hướng tiếp cận để tạo ra ánh sáng trắng: bằng cách kếp hợp các đèn LED ba màu cơ bản trên cùng một bóng đèn, hoặc sử dụng một diode bán dẫn phát sáng ở bước sóng ngắn (vùng màu xanh hoặc cực tím) và một chất chuyển đổi bước sóng có khả năng hấp thụ ánh sáng từ diode và phát ra ánh sáng thứ cấp có bước sóng dài hơn. Những chất chuyển đổi bước sóng này thường được gọi là phosphore.
Đèn LED trắng thương mại đầu tiên được chế tạo dựa trên chất InGaN, có thể phát ánh sáng màu xanh. Chất phosphore được sử dụng là YAG pha tạp Ce. Một phần ánh sáng xanh này được phosphore hấp thụ và chất phosphore này phát ra trở lại ánh sáng vàng. Ánh sáng vàng và ánh sáng xanh chưa được hấp thụ bỏi phosphore sẽ kết hợp để tạo ra ánh sáng trắng. Ánh sáng trắng cũng có thể đạt được bằng một cơ chế khác, bằng cách sử dụng một chất phosphore có phổ rộng được kích thích bằng nguồn sáng tử ngoại. Chất phosphore này đã đuợc sử dụng trong các bóng đèn hùynh quang. Tuy nhiên, nhược điểm cỷa loại đèn LED bằng UV này là sự mất mát năng lượng lớn hơn khi tia tử ngoại được chuyển về một bước sóng dài hơn. Các đèn LED dựa trên phosphore có thể cho ánh sáng có độ hoàn màu cao. Ánh sáng trắng này có thể lạnh, tái hoặc ấm như trong các bóng đèn dây tóc, tùy theo lượng phosphore.
Thị trường LED bị thống trị bởi các bóng đèn dựa trên gallium và các hợp chất của nó như GaN, InGaN, AlGaN. Tuy nhiên, chúng có các nhược điểm sau:


độ hoàn màu khá thấp đối với các đèn LED hiệu suất cao.
hiệu quả giảm khi độ sáng tăng.
vốn đầu tư ban đầu cao đối với các ứng dụng trong gia đình.
Do đó, các hướng nghiên cứu cải tiến đã được mở ra. Một ứng cử viên có tiềm năng thay thế GaN là ZnO. Vốn bị bỏ qua trong lĩnh vực diode phát sáng trong một thời gian dài vì các vấn đề pha tạp loại p dai dẳng của mình, chất bán dẫn II-VI này đã được chú ý trở lại trong khoảng mười năm trở lại đây. ZnO phát sáng ánh sáng màu xanh hoặc tử ngoại, có năng lượng liên kết exciton cao hơn GaN, có thể trở nên trong suốt, . Kết hợp với các chất phosphores màu đỏ, xanh lá cây và xanh dương, một chiếc đèn LED trắng có độ hoàn màu cao.
Ngoài các tính chất quang học đáng chú ý, ZnO phù hợp cho việc tổng hợp các sợi nano nhờ vào cấu trúc của nó. Các sợi nano ZnO cũng có thể được nuôi dễ dàng trên nhiều loại đế và có ít khuyết tật nhờ vào sự triệt tiêu các ứng suất nhờ các bề mặt tự do của các cấu trúc một chiều. Đối với các linh kiện điện phát quang, sự kết hợp giữa các cặp điện tử – lỗ trống phải diễn ra ở liên diện giữa các chất bán dẫn [i]p[/i] và [i]n[/i]. Trong trường hợp của các sợi nano, tỉ lệ giữa diện tích bề mặt và thể tích lớn làm tăng diện tích phát quang, do đó các cấu trúc một chiều này rất được chú ý. Hướng tiếp cận này có thể mang lại các đèn LED có hiệu quả cao và giá thành thấp.
Tuy vậy, như sẽ trình bày ở phần sau, vật liệu ZnO rất khó được pha tạp loại p. Điều đó dẫn đến việc tìm các giải pháp thay thế cho mối nối p-n từ ZnO. Một trong các giải pháp, được nghiên cứu trong luận văn này, là thực hiện một mối nối dị thể (heteojunction) giữa vật liệu ZnO loại n và một vật liệu khác loại p, trên các cấu trúc hai chiều hoặc trên các sợi nano. Luận văn này được thực hiện tại Bộ Phận Linh Kiện Quang Học và Quang Tử (Département Optique et Photonique – DOPT), thuộc CEA Grenoble. Nhóm nghiên cứu của DOPT đã chế tạo thành công các sợi nano bằng phương pháp MOVPE (Metal-Organic Vapor-Phase Epitaxy) và nghiên cứu các linh kiện chiếu sáng dựa trên sợi nano (GaN, ZnO). Hai loại vật liệu loại p được sử dụng: một polymer dẫn điện – PEDOT – và đồng thiocyanate (CuSCN). Các thí nghiệm diễn ra trước hết trên các mẫu ZnO phẳng hay còn gọi là 2D trên các mặt khác nhau (mặt [i]c[/i] và mặt [i]m[/i]). Sau đó, các sợi nano ZnO sẽ được phủ bởi các loại vật liệu này bằng các phương pháp khác nhau và các tính chất điện của chúng sẽ được xác định bằng các phương pháp đo đạc. Cuối luận văn là kết luận về tiềm năng tạo mối nối p-n với ZnO của hai loại vật liệu này và hướng phát triển về sau