Thạc Sĩ tìm hiểu tính chất quang điện của màng đa lớp với lớp trung gian là kim loại - Ag

MỤC LỤC
Trang
Danh mục các bảng . 3
Danh mục các hình vẽ . 4
Danh mục chữ viết tắt . 6
MỞ ĐẦU . 7
PHẦN I : TỔNG QUAN
CHƯƠNG I: Tổng quan về vật liệu . 10
1.1.Tổng quan về ZnO . 10
1.2. Tổng quan về kim loại . 12
1.3. Màng đa lớp 16
1.3.1. Lý thuyết ma trận màng đa lớp 16
1.3.2. Chuyển tiếp kim loại – bán dẫn 17
1.3.3. Màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO 20
1.3.3.1.Sự oxy hóa kim loại 20
1.3.3.2. Sự hợp mạng (epitaxy) giữa Ti với Ag . 21
CHƯƠNG II: Phương pháp tạo màng và các hệ đo xác định tính chất màng 23
2.1. Phương pháp tạo màng bằng phún xạ Mangetron DC . 23
2.1.1. Phún xạ . 23
2.1.2. Phún xạ phản ứng 24
2.1.3. Phương pháp phún xạ phản ứng Magnetron . 24
2.1.3.1. Cấu tạo hệ phún xạ Magnetron . 24
2.1.3.2. Nguyên lý hoạt động . 25
2.1.3.3 Đặc trưng của hệ Mangetron phẳng . 26
2.1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ lắng đọng màng 27
2.1.4. Hệ Magnetron không cân bằng và hệ Magnetron cân bằng 28
2.1.4.1. Hệ Magnetron không cân bằng 28
2.1.4.2. Hệ Magnetron cân bằng . 28
2.1.5. Ưu và nhược điểm của phương pháp phún xạ Mangetron . 29
2.2. Các hệ đo xác định tính chất màng 29
2.2.1. Xác định độ truyền qua của màng bằng thiết bị V – 530 uv/vis spectrophotometer. 29
2.2.2. Hệ đo nhiễu xạ DIFFRAKTOMETER D500 30
2.2.3. Hệ đo độ dày màng 31
2.2.4. Xác định nồng độ hạt tải, độ linh động bằng phép đo hiệu ứng Hall 31
2.2.5. Phương pháp bốn mũi dò 33
2.2.6. Hệ đo I-V 35
2.2.7. Hệ đo AFM . 35
2.2.8. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) . 37
PHẦN II: THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG III: Kết quả và bàn luận . 40
3.1. Ứng dụng lý thuyết ma trận cho hệ màng đa lớp với sự kết hợp của
lập trình máy tính . 40
3.2. Màng đa lớp GZO/Ag/GZO . 45
3.2.1. Chế tạo bia gốm ZnO:Ga (GZO) . 45
3.2.1.1. Các thiết bị, hóa chất được sử dụng 45
3.2.1.2. Các bước cơ bản của quá trình chế tạo bia gốm 45
3.2.2. Chế tạo màng . 47
3.2.2.1. Hệ chân không trong quá trình tạo màng . 47
3.2.2.2. Quá trình xứ lý bề mặt đế . 50
3.2.2.3. Quá trình lắng đọng màng . 51
3.2.3. Tính chất của màng GZO/Ag/GZO . 52
3.2.3.1. Sự phụ thuộc điện trở vào bề dày lớp Ag 52
3.2.3.2. Tính chất điện và quang của màng đa lớp GZO/Ag/GZO 56
3.2.3.3. Sự oxy hóa của màng đa lớp . 58
3.3. Màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO . 59
3.3.1. Tính chất điện 61
3.3.2. Tính chất quang . 64
KẾT LUẬN . 68
HƯỚNG PHÁT TRIỂN . 69
Danh mục các công trình 70
Tài liệu tham khảo . 71
Phụ lục

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1: Một số thông số của ZnO [4] 10
Bảng 1.2: Hằng số quang học của một số kim loại 13
Bảng 3.1: Kết quả bề dày các lớp từ chương trình máy tính . 42
Bảng 3.2: Thông số màng đa lớp với bề dày Ag thay đổi . 43
Bảng 3.3: Sự phụ thuộc độ linh động vào bề dày màng Ag 55
Bảng 3.4: Sự phụ thuộc điện trở mặt của màng Ag vào tốc độ lắng đọng 55
Bảng 3.5: Thông số tạo màng GZO/Ag/GZO . 56
Bảng 3.6: Tính chất điện của màng đa lớp GZO/Ag/GZO và màng đơn lớp GZO . 56
Bảng 3.7: Thông số tạo màng GZO/Ti/Ag/Ti/GZO . 61
Bảng 3.8: Tính chất điện của màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO và màng đơn
lớp GZO . 61
Bảng 3.9: Độ linh động và nồng độ hạt tải của màng đa lớp và màng Ag 61

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Phản xạ R của Al, Ag, Au, Cu, Rh, trong vùng ánh sáng khả kiến
và hồng ngoại [4] . 14
Hình 1.2: Phổ quang của bức xạ mặt trời, bức xạ từ bề mặt nóng và độ nhạy
của mắt người . 14
Hình 1.3: Phản xạ của bề mặt kim loại . 15
Hình 1.4 : Giản đồ năng lượng tại lớp tiếp xúc kim loại – bán dẫn 17
Hình 1.5: Đường đặc trưng I –V của lớp tiếp xúc kim loại và bán dẫn 19
Hình 1.6: Năng lượng tự do Gibbs biến thiên theo nhiệt độ 20
Hình 1.7: Phổ nhiễu xạ tia X của màng hai lớp Ti/Ag 22
Hình 2.1 : Sơ đồ tạo màng bằng phương pháp phún xạ 23
Hình 2.2 : Cấu tạo hệ Magnetron phẳng 24
Hình 2.3. Hệ phún xạ Magnetron . 25
Hình 2.4. Sự phân bố thế trong hệ phún xạ Magnetron phẳng DC 26
Hình 2.5: Sự phụ thuộc của tốc độ lắng đọng màng vào dòng và thế 27
Hình 2.6: Sơ đồ hệ Magnetron không cân bằng . 28
Hình 2.7: Sơ đồ hệ Magnetron cân bằng 28
Hình 2.8: Nguyên tắc đo phổ XRD, trên cơ sở định luật Bragg . 30
Hình 2.9: Hệ đo độ dày màng bằng dao động tinh thể thạch anh . 31
Hình 2.10: Nguyên tắc phép đo hiệu ứng Hall 32
Hình 2.11. Chuyển động của hạt tải điện . 32
Hình 2.12. Sơ đồ phương pháp đo bốn mũi dò 34
Hình 2.13: Thiết bị đo bốn mũi dò 34
Hinh 2.14: Hệ đo I- V Keithley 2400 . 35
Hình 2.15: Sơ độ hệ đo AFM 36
Hình 2.16: Sơ độ hệ đo FE-SEM . 38
Hình 3.1 : Sơ đồ khối của chương trình máy tính tính với lớp giữa là các
kim loại khác nhau 41
Hình 3.2: Phổ lý thuyết từ chương trình Matlab của màng đa lớp GZO/Ag/GZO 42
Hình 3.3: Phổ truyền qua theo lý thuyết của các màng đa lớp GZO/Ag/GZO
có bề dày lớp Ag thay đổi 44
Hình 3.4: Quy trình tạo bia gốm bằng phương pháp dung kết 46
Hình 3.5 : Sơ đồ buồng chân không 47
Hình 3.6 : Cấu tạo bên trong của buồng chân không . 48
Hình 3.7 : Hệ magnetron vuông tròn dùng cho bia GZO 48
Hình 3.8 : Hệ magnetron tròn dùng cho bia Ag 49
Hình 3.9 : Hệ magnetron tròn dùng cho bia Ti 50
Hình 3.10: Sơ đồ quá trình lắng đọng màng 51
Hình 3.11: Sự phụ thuộc điện trở mặt của màng vào bề dày của lớp Ag . 52
Hình 3.12: Sự phụ thuộc điện trở suất của màng vào bề dày của lớp Ag 53
Hình 3.13 : Ảnh FE-SEM của các mẫu Ag có bề dày lần lượt
6nm(a); 8nm(b); 10nm(c); 12nm(d); 14nm(e); 16nm(f) . 54
Hình 3.14 : So sánh phổ truyền qua của màng đa lớp thực nghiệm và lý thuyết . 57
Hình 3.15 : Bề mặt màng đa lớp GZO/Ag/GZO vừa chế tạo (hình 3.15a),
sau 2 tuần khảo sát (hình 3.15b) và sau 4 tuần khảo sát (hình 3.15c) 58
Hình 3.16: Bề mặt màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO vừa chế tạo (hình 3.16a)
và sau 6 tháng khảo sát (hình 3.16b) . 59
Hình 3.17 : Ảnh AFM của bề mặt Ag khi không có phủ (3.17a);
bề mặt Ag khi có phủ Ti (3.17b) . 60 59
Hình 3.18: Phổ XRD của màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO 60
Hình 3.19: Đường đặc trưng I-V của màng đa lớp 62
Hình 3.20: Sơ đồ các lớp màng của màng đa lớp 62
Hình 3.21: Phổ truyền qua của các màng đa lớp . 64
Hình 3.22: Phổ truyền qua của các màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO và màng
đơn lớp GZO . 65
Hình 3.23: Độ hấp thu năng lượng của màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO so với
thuỷ tinh . 66
Hình 3.24: Độ hấp thu năng lượng của màng đơn lớp GZO so với thuỷ tinh . 66
Hình 3.25: Độ truyền qua trung bình của màng đơn lớp và đa lớp khi mở rộng
sang vùng tử ngoại . 67
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

[TABLE="class: MsoNormalTable, width: 378"]
[TR]
[TD="width: 121"] AFM
[/TD]
[TD="width: 384"] Atomic force microscopy
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD="width: 121"] AZO
[/TD]
[TD="width: 384"] ZnO pha tạp nhôm
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD="width: 121"] CTO
[/TD]
[TD="width: 384"] Conductive tin oxide
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD="width: 121"] DC
[/TD]
[TD="width: 384"] Direct current, nguồn một chiều
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD="width: 121"] GZO
[/TD]
[TD="width: 384"] ZnO pha tạp Galium
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD="width: 121"] LCD
[/TD]
[TD="width: 384"] Liquid crystal display
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD="width: 121"] LED
[/TD]
[TD="width: 384"] Light Emitting Diode
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD="width: 121"] OLED
[/TD]
[TD="width: 384"] LED hữu cơ
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD="width: 121"] LVDT
[/TD]
[TD="width: 384"] Linear Variable Differential Transformer
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD="width: 121"] IMI
[/TD]
[TD="width: 384"] ITO/Meltal/ITO
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD="width: 121"] ITO
[/TD]
[TD="width: 384"] In[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB] pha tạp Sn
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD="width: 121"] TCO
[/TD]
[TD="width: 384"] Transparent conductive oxide
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD="width: 121"] ZMZ
[/TD]
[TD="width: 384"] AZO/Meltal/AZO
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD="width: 121"] XRD
[/TD]
[TD="width: 384"] X ray diffraction
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]



MỞ ĐẦU
Điện cực trong suốt (TCO) gồm CTO, ITO, . được ứng dụng nhiều trong các thiết bị quang điện như màng hình tinh thể lỏng (LCD), LED hữu cơ (OLED), pin mặt trời (solar cells) Trong đó, màng ITO (Indium pha tạp thiếc oxit ) [30], [40] được sử dụng rộng rãi vì nó có nhiều ưu điểm như trong suốt ở vùng khả kiến (độ truyền qua > 85%) và dẫn điện tốt (điện trở suất ). Tuy nhiên, màng ITO có một số hạn chế như giá thành đắt (vì Indium rất hiếm), được tạo ở nhiệt độ đế cao (300[SUP]0[/SUP]C), hoặc ủ nhiệt ((300[SUP]0[/SUP]C – 550[SUP]0[/SUP]C) để có tính chất quang điện tốt [8], [16], [24].
ZnO là vật liệu có độ rộng vùng cấm rộng 3,2eV, dễ pha tạp, điện trở suất thấp, độ truyền qua cao, không độc hại, có nhiều trong tự nhiên và giá thành thấp. Nên các nghiên cứu gần đây [9], [19], [23], [25], [29], [32] dần thay thế ITO bằng ZnO pha tạp như ZnO pha tạp Al (AZO), ZnO pha tạp Ga (GZO), ZnO pha tạp In , F
Tuy nhiên, để có một thiết bị quang điện hoàn hảo cần tích hợp rất nhiều lớp và điều này dẫn đến bề dày của thiết bị lớn, dễ gây ứng suất, trong đó sự đóng góp của bề dày điện cực trong suốt là đáng kể. Thật vậy, một điện cực trong suốt như ITO hay ZnO pha tạp cần điện trở mặt khoảng vài đòi hỏi màng dày (). Để giảm độ dày của điện cực trong suốt cần thay ITO hay ZnO pha tạp bằng kim loại có độ dẫn điện tốt. Vì vậy, bạc (Ag) được lựa chọn để cải thiện tính dẫn điện của màng vì Ag là kim loại dẫn điện tốt và có độ hấp thụ thấp trong vùng khả kiến so với các kim loại khác [1], [4]. Tuy nhiên, Ag cũng như các kim loại khác phản xạ trong vùng khả kiến, do đó để nâng cao độ truyền qua trong vùng này lớp Ag cần được khử phản xạ.
Các công trình nghiên cứu về màng điện cực trong suốt gần đây, đi sâu vào việc tìm hiểu tính chất quang điện của màng đa lớp với lớp trung gian là kim loại - Ag như màng đa lớp ITO/Meltal/ITO (IMI) [11], [33] ; ZnO/Metal/ZnO (ZMZ) [13], [14], [15], [34], [41] ; AZO/Metal/AZO [17], [21], [35], [36]; GZO/Metal/GZO[20], [21], [37]. Màng đa lớp được tạo ra có tính chất điện và quang phụ thuộc vào cấu trúc của màng. Với cùng điện trở mặt, màng đa lớp có bề dày nhỏ hơn rất nhiều so với màng đơn lớp. Độ truyền qua của màng đa lớp phụ thuộc vào bề dày của lớp khử phản xạ và bề dày của lớp kim loại trung gian. Tuy nhiên màng đa lớp tạo ra kém bền do lớp Ag bị oxi hóa. Để tạo được màng đa lớp trong suốt dẫn điện tốt cần tìm cách bảo vệ lớp Ag [4], [10], [26], [27], [33].
Trong công trình này, màng đa lớp trong suốt dẫn điện GZO/Ti/Ag/Ti/GZO được chế tạo với lớp Ti có tác dụng bảo vệ lớp Ag không bị oxy hóa.