Chế tạo màng mỏng ZnO trên đế Si có lớp Ti đệm

MỤC LỤC TRANG Chương I – Tổng quan 1.1.Màng mỏng ZnO trên đế Si có lớp Ti đệm 1.1.1.Giới thiệu 1.1.2.Tác dụng đệm của Ti lên màng ZnO trên Si 1.1.3.Ứng dụng 1.1.4.Ưu điểm của ZnO 1.2.Tạo màng bằng phương pháp phún xạ MAGNETRON DC 1.2.1.Cơ chế vật lí của phún xạ 1.2.2.Hiệu suất phún xạ 1.2.3.Cấu tạo hệ phún xạ 1.2.4.Kĩ thuật phún xạ 1.2.5.Đặt trưng của phún xạ 1.3.Quá trình tạo bia gốm ZnO 1.4.Phép đo hall xác định đặt tính điện 1.5.Phương pháp bốn đấu dò xác định đặt tính điện 1.6.Tính chất điện 1.7.Đặt tính quang 1.8. Cấu trúc ZnO Chương II – Thực nghiệm và kết quả bàn luận 2.1.Chế tạo bia gốm ZnO 2.1.1.Chuẩn bị vật liệu bột Oxit 2.1.2.Nghiền trộn bột Oxit 2.1.3.Định hình bia ZnO 2.1.4.Nung bia ZnO 2.2.Bia kim loại Ti 2.3.Làm sạch lam thủy tinh và Silic 2.4.Các bước trong quá trình phún xạ 2.5.Môi trường chế tạo màng mỏng ZnO/Si và ZnO/Ti/Si 2.6.Kết quả và thảo luận 2.6.1.Chế tạo màng ZnO trên đế thủy tinh 2.6.2.Chế tạo màng ZnO trên đế Si (111) và (100) 2.6.3.Chế tạo màng ZnO trên đế silic có lớp đệm Ti Chương III – Kết luận – hướng phát triển Tài liệu tham khảo Phụ lục Chương I – TỔNG QUAN 1.1. Màng mỏng ZnO trên đế Si có lớp Ti đệm. 1.1.1.Giới thiệu ZnO là một trong những hợp chất bán dẫn thuộc nhóm II/VI nó được các nhà khoa học quan tâm hàng đầu, có độ rộng vùng cấm 3,37 eV và năng lượng liên kết exciton lớn 60 meV ở nhiệt độ phòng, nó có khả năng cung cấp sự phát xạ exciton có hiệu suất cao ở nhiệt độ phòng và được quan tâm ứng dụng đối với những thiết bị quang học như là:Diod phát quang xanh hoặc cực tím (LEDs) và những Diod Laser thế hệ đời mới (LDs). Màng ZnO được tạo ra trên những đế khác nhau, như là: Ngọc bích (sapphire), Si, ScAlMgO4, GaAs, CaF và SiO2 ... cho đến bây giờ đế sapphire được dùng phổ biến nhất.Tuy nhiên do dộ dẫn nhiệt kém, khó cắt ra mành nhỏ và giá thành cao, nên đế sapphire có vẻ không thích hợp để phủ ZnO cho ứng dụng công nghiệp. Từ quan điểm này, Si thích hợp hơn cho việc thay thế, vì giá rẻ và độ dẫn nhiệt tuyệt vời, độ kết tinh cao, có thể có kích thước lớn được...Tuy nhiên ZnO phủ lên Si là một kỹ thuật khó do bề mặt Si dễ bị Oxi hóa trong suốt quá trình phủ màng. Sự Oxi hóa bề mặt Si hình thành một lớp SiOx vô định hình, lớp này làm giảm chất lượng của màng ZnO phủ trên đế Si. Do đó, Một vài lớp đệm như: Zn, Al, Ru, AlN, MgO, CaF2, ZnS, và GaN, đã được đưa vào để ngăn ngừa bề mặt chất nền Si khổi bị Oxi hóa trong quá trình phủ màng ZnO. Trong những loại lớp đệm, chú ý rằng còn một vài lớp kim loại, như là: Zn, Al, Ru được dùng để làm lớp nền rất tốt. Trong bài nghiên cứu này của chúng tôi, lớp kim loại mỏng Ti được đưa vào làm lớp đệm kim loại mới cho sự phủ màng mỏng ZnO trên đế Si. Yếu tố tác đông để dùng Ti làm lớp đệm ban đầu, là do nó có điện trở hóa học cao. Điểm nóng chảy cao (1668Co) và có cùng cấu trúc lục giác xiếc chặt (HCP) như của ZnO. Ngoài ra, sự lệch mạng giữa Ti và ZnO là 10%, nhỏ hơn sự lệch mạng giữa Si và ZnO (15%) và do đó sẽ giảm tác động của sự lệch mạng. Trong công trình này, màng mỏng ZnO định hướng mạnh theo trục c được phủ lên lớp nền Si (111) bằng cách đưa vào lớp mỏng Ti làm lớp đệm ban đầu cho sự lắng động phún xạ Magnetron DC. So sánh với màng mỏng ZnO phủ lên đế Si (111) mà không có lớp đệm Ti, cấu trúc và tính chất quang học của màng mỏng ZnO phủ trên Ti/Si (111) cho ta được mẫu cải tiến, có tính chất tốt hơn. 1.1.2.Tác dụng đệm của Ti lên màng ZnO trên Si. Lớp Ti mỏng được dùng làm lớp đệm để bảo vệ bề mặt Si (111 ) khổi bị Oxi hóa và sự sai mạng giữa chất nền Si và màng mỏng ZnO. Tác động của lớp mỏng Ti lên chất lượng màng mỏng ZnO được nghiên cứu đánh giá bởi phương pháp: Khúc xạ tia X (XRD). Đã có nhiều công trình nghiên cứu trường hợp này. ZnO phủ lên Si là một kỹ thuật khó do bề mặt Si dễ bị Oxi hóa trong suốt quá trình phủ màng. Sự Oxi hóa bề mặt Si hình thành một lớp SiOx vô định hình, lớp này làm giảm chất lượng của màng ZnO phủ trên đế Si. Trong bài nghiên cứu này, lớp kim loại mỏng Ti được đưa vào làm lớp đệm kim loại mới cho sự phủ màng mỏng ZnO trên đế Si. Yếu tố tác động để dùng Ti làm lớp đệm ban đầu, là do nó có điện trở hóa học cao. Điểm nóng chảy cao (1668Co) và có cùng cấu trúc lục giác xiếc chặt (HCP) như của ZnO. Ngoài ra, sự lệch mạng giữa Ti và ZnO là 10%,nhỏ hơn sự lệch mạng giữa Si và ZnO (15%) và do đó sẽ giảm tác động của sự lệch mạng. 1.1.3.Ứng dụng. Xa hơn, ZnO đã được xem xét như một vật liệu đầy hứa hẹn cho nhiều ứng dụng khác nhau như là pin mặt trời, những sensors khí, máy tạo dao động siêu âm và máy chuyển đổi năng lượng. Màng mỏng ZnO là vật liệu được biết là tốt được dùng cho kích thích áp điện và tách dao động của thiết bị cộng hưởng. ZnO là một vật liệu thú vị trong ứng dụng bởi vì nó kết hợp hệ số máy năng lượng cao với IC-based quá trình dao động . Ứng dụng đặc biệt là máy đầu dò micro, dùng để đo độ lớn như là : Lực, áp suất và gia tốc. Có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng màng ZnO. 1.1.4.Ưu điểm của ZnO. ZnO được chú ý bởi nó chứa đựng rất nhiền ưu điểm: -Là hợp chất có nhiều trong tự nhiên và rẻ tiền hơn so với các vật liệu khác như: GaAs, ITO, In... -Không độc hại, trong khi đó một số loại màng gây hại cho sức khỏe như: Màng Cd. -Dể gia công sản xuất bằng kĩ thuật phún xạ, một kĩ thuật khá phổ biến hiện nay. -Có khả năng hấp thụ tia tử ngoại. 1.2.Tạo màng bằng phương pháp phún xạ MAGNETRON DC. 1.2.1.Cơ chế vật lí của phún xạ. - Phún xạ là hiện tượng mà những nguyên tử bị bức ra khỏi bề mặt của một vật liệu bất kì khi nó bị bắn phá bởi những ion. -Có hai loại phún xạ: Phún xạ phản ứng và phún xạ không phản ứng. +Phún xạ không phản ứng là: Các ion bắn phá vào vật liệu bia là những ion khí trơ, do đó trong lúc chuyển động đập vào bia nó không phản ứng với bia. Vd: Màng Al, Cu, Ag...trong môi trường phún xạ là khí trơ, với bia kim loại tương ứng, ion bắn phá là ion khí trơ. +Phún xạ phản ứng là: Các ion bắn phá vào vật liệu bia có phản ứng với bia tạo hợp chất. Vd: Màng Al2O3, ZnO, TiO2... với bia kim loại tương ứng, ion bắn phá tạo phản ứng là ion Oxi. Hình 1: Cơ chế vật lí của sự phún xạ. Hình2: Những hạt phún xạ. Hình 3: Các Ion trong quá trình phún xạ. -Phún xạ là một quá trình: +Những sự va chạm của các ion – bia. +Truyền động lượng. +Bắn ra những nguyên tử, đám nguyên tử hoặc những phân tử trên bề mặt bia. -Kết quả là: +Vật liệu từ bia sẽ hình thành màng trên đế (nếu bia là đơn chất è màng đơn chất; bia là hợp chất è màng hợp chất và mang tính chất của màng mỏng). +Năng lượng trung bình của hạt thoát ra khỏi bia khoảng 1-10eV (có thể làm nóng đế). -Độ xuyên sâu của những ion +Độ xuyên sâu của những ion phụ thuộc vào: •Năng lượng của những ion. •Góc tới của ion. •Khối lượng của ion so với khối lượng của nguyên tử,phân tử bia. Độ xuyên sâu trung bình của ion khoảng 10 - 40 nm. Hình 4: Mô tả quá trình xuyên sâu của ion. 1.2.2.Hiệu suất phún xạ. Hiệu suất phún xạ = TỔNG CÁC NGUYÊN TỬ PHÚN XẠ/TỔNG CÁC ION TỚI = (1.1) -Hiệu suất phún xạ phụ thuộc vào: +Bản chất của bia. +Bản chất của những ion +Năng lương tới của những ion. +Góc tới. Hình 5: Biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất phún xạ vào năng lượng ion Ar. Hình 6: Biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất vào năng lượng tới của ion bắn bia. Hình 7: Sự phụ thuộc của hiệu suất vào góc tới của ion tới. Tỉ lệ hiệu suất () cao nhất ở khoảng 720. 1.2.3.Cấu tạo hệ phún xạ. -Hệ Magnetron bao gồm: +Bản cathode: Dùng làm nguồn điện tử. +Bản anode: Nơi thu nhận điện tử. +Kết hợp với điện từ trường vuông góc nhau. Hình 8: Mô tả điện trường và từ trường vuông góc trong hệ Magnetron. Một số loại hệ Magnetron thông thường. Các loại này thường có bên trong lò Viba. Hình 9: Một số hệ Magnetron thông dụng. Hình 10: Sơ đồ hệ phún xạ MAGNETRON . -Vật liệu cần phủ hay vật liệu màng (bia): Dùng để phún xạ được gắn chặt với một bản giải nhiệt (bàn này được áp điện thế vào). Toàn bộ bia, bản giải nhiệt è là cathode. Cathode được cách điện với đất. -Từ trường do một vòng nam châm bên ngoài bao quanh và đối cực với một lỗi nam châm ở giữa. Chúng được nối từ với nhau bằng một tấm sắt (việc nối từ có tác dụng khép kín đường sức từ phía dưới). -Bằng cách bố trí thích hợp vị trí giữa các nam châm è tạo ra các giá trị khác nhau của cường độ từ trường trên bề mặt bia. -Vật liệu được phủ (đế): Được nối đất (áp điện thế dương). Hình 11: Sơ đồ minh họa của hệ phún xạ magnetron. Hình 12: Mô tả hệ Magnetron. *Nguyên lý hoạt động: +Khi thế âm được áp vào hệ, giữa cathode (bia) và anode (đế -vật liệu cần phủ) sinh ra một điện trường làm định hướng và truyền năng lượng cho các hạt mang điện có trong hệ (thông thường một thể tích khí ở điều kiện thường luôn chứa một số điện tử vả ion, 1cm3 khí quyển trên mặt biển trung bình có 103 ion âm và dương tạo nên bởi tia vũ trụ, tia tử ngoại, và phóng xạ của môi trường xung quanh). +Những điện tử và ion tạo thành thác lũ điện tử, những ion đập vào Kathode và giải phóng các điện tử thứ cấp, các điện tử này được gia tốc trong điện trường đồng thời bị tác động của từ trường ngang, từ trường này sẽ giữ điện tử ở gần cathode theo quỹ đạo xoắn trôn ốc. Nhờ vậy chiều dài quãng đường đi của điện tử đã được tăng lên nhiều lần trước khi nó đến anode. +Trong quá trình chuyển động của điện tử, điện tử sẽ va chạm với các nguyên tử khí và sinh ra những ion (sự ion hóa). Các ion này được gia tốc đến Kathode và làm phát xạ ra những điện tử thứ cấp. Như vậy, nồng độ điện tử tăng, khi số điện tử được sản sinh bằng với số điện tử mất đi do quá trình tái hợp, lúc đó phóng điện tự duy trì. Lúc này khí phát sáng trên bề mặt bia, thế phóng điện giảm và dòng tăng nhanh. Những điện tử năng lượng cao sinh ra nhiều ion và những ion năng lượng cao đập vào Kathode làm phún xạ vật liệu bia và bức xạ các điện tử thứ cấp để tiếp tục duy trì phóng điện. Lúc này khi tăng thế rất nhỏ dòng sẽ tăng đáng kể. Sự ion hóa diễn ra trong điện từ trường vuông góc nhau tạo thành Plasma. +Plasma là đám gồm ion dương và những điện tử tạo thành trạng thái gần như trung hòa về điện. +Vùng Plasma hình thành trong điện từ trường vuông góc nhau. +Với những ứng dụng tạo màng trong môi trường Plasma, ion dương được sinh ra bởi quá trình va chạm giữa các hạt trung hòa và những điện tử mang năng lượng. +Những điện tử trong môi trường Plasma có độ linh động rất lớn. Điều khiển các điện tử có độ linh động lớn này chính là đang điều khiển được Plasma. Hình 13: Bài toán tìm phương trình chuyển động của điện tử trong điện từ trường vuông góc nhau. Định luật II Newton: (1.2) (1.3) Từ phương trình trên, ta thấy điện trường và từ trường vuông góc với nhau thì chuyển động của hạt sẽ là tổng hợp của hai dạng chuyển động: Chuyển động tròn và chuyển động tịnh tiến dọc theo trục X. Nói cách khác, quỹ đạo của chúng là cycloic với bán kính larmor: (1.4) 1.2.4.Kĩ thuật phún xạ. a) Chân không được tạo bởi 2 loại bơm. -Bơm sơ cấp (bơm rote,bơm quay dầu). -Bơm turbo (bơm khuyếch tán). b) Khí được đưa vào (thường là Ar) để thực hiện quá trình ion hóa chất khí. c) Chân không. -Bơm quay (bơm rote,sơ cấp,bơm quay dầu): + Tốc độ : 30 m3/h. + Áp suất tới hạn : 10-2 torr . -Bơm turbo (bơm khuyếch tán): + Tốc độ 200 l/s + Áp suất tới hạn 10-10 torr. -Chân không phún xạ : + Chân không tới hạn :10-7 torr . + Áp suất làm việc :10-2 è 10-3 torr . 1.2.5.Đặt trưng của phún xạ. a) Ngưỡng phún xạ: Để xảy ra quá trình phún xạ, các ion đập vào cathode phải có một năng lượng tối thiểu nào đó, gọi là năng lượng ngưỡng Eo của quá trình phún xạ (hay ngưỡng phún xạ). Nếu năng lượng của ion bắn phá nhỏ hơn năng lượng Eo thì phún xạ không xảy ra. Ngưỡng phún xạ phụ thuộc rất ít vào khối lượng ion, nhưng lại phụ thuộc vào bản chất của từng loại bia kim loại. Ngưỡng phún xạ nói chung nằm trong khoảng 10eV đến 30eV. b) Hệ số phún xạ: Sự phún xạ được đặt trưng bởi hệ số phún xạ s, là tỉ số giữa số nguyên tử bị phún xạ na với số ion ni đập vào bế mặt cathode, tính trong cùng một khoảng thời gian. (1.5) Nếu trong khoảng thời gian , khối lượng vật liệu bị phún xạ là , khối lượng của một nguyên tử vật liệu là µ thì ta có: (1.6) Cũng trong thời gian này, số lượng một ion điện tích oanh tạc lên bia được xác định thông qua dòng I: (1.7) Từ đó ta có : (1.8) Hệ số phún xạ theo (1.5) được tính bằng số nguyên tử trên số ion.Tuy nhiên, trong một số trường hợp người ta có thể biểu diễn theo đơn vị gam/coulomb, bằng cách đặt: (1.9) (1.10) Thì hệ số phún xạ s hay s’ phụ thuộc vào bản chất của vật liệu phún xạ, loại ion và năng lượng của ion oanh tạc lên bia, gốc đập ion lên bế mặt cathode và phụ thuộc vào áp suất khí làm việc. c) Sự phân bố theo góc của các hạt phún xạ: Theo năng lượng bắn phá của các ion mà các hạt phún xạ sẽ phân bố theo các góc khác nhau. Khi năng lượng ion càng lớn thì sự phân bố góc của các hạt phún xạ càng gần với định luật cosin. d) Năng lượng hạt phún xạ: Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của màng mỏng được chế tạo bằng phương pháp phún xạ là năng lượng của các nguyên tử được phún xạ. Một số công trình cho thấy, hàm phân bố theo năng lượng của các hạt phún xạ có cực đại trong khoảng từ 1-2eV và trải rộng đến hàng trăm eV. Áp suất khí cũng ảnh hưởng đến năng lượng phún xạ. Ở áp suất cao, tần số va chạm giữa các nguyên tử được phún xạ với các nguyên tử khí gia tăng, làm giảm đáng kể năng lượng của dòng hơi tạo màng. e) Vận tốc phún xạ: tronng vùng năng lượng thường sử dụng trong phún xạ (200-400V), vận tốc phún xạ tăng chậm theo năng lượng của các ion, nhưng tăng rất nhanh theo mật độ dòng xác định số ion bắn phá bia. Vận tốc phún xạ khoảng 5.10-4gcm-2s-1 nó nhỏ so với vận tốc bốc bay (10-2gcm-2s-1) đạt được nhờ một thiết bị bốc bay chùm điện tử. Theo Gurmin vận tốc phún xạ trong trường hợp ion có năng lượng từ thấp đến trung bình được cho bởi: (1.11) Với (1.12) Trong đó: S: Hiệu suất phóng xạ m2 : Khối lượng ion I : Dòng ion E : Năng lượng ion E: Điện tích của điện tử E0 : Nhiệt thăng hoa γ : Hàm của m1/m2 β : Hệ số tỉ lệ V: Điện áp m1 : Khối lượng của nguyên tử bia. 1.3. Quá trình chế tạo bia gốm ZnO. Quá trình chế tạo bia gốm gồm có 3 giai đoạn : + Chuẩn bị vật liệu: Trộn, nghiền, rây. +Định hình vật liệu: Ép bột kim loại è thành hình tròn hoặc hình vuông. Hình 14: Sản phẩm bia ZnO sau khi hoàn thành. +Cuối cùng là nung: Kết khối vật liệu. Trong quá trình chế tạo bia gốm thì quá trình nung (quá trình kết khối ) là quá trình quang trọng nhất, quyết định tính chất bia phún xạ. Quá trình kết khối là quá trình rắn chắc lại của các phân tử dạng bột dưới tác dụng của nhiệt hoặc áp suất. Vật liệu kết khối có cường độ cơ học cao, độ xốp và khả năng hút nước thấp, mật độ thể tích lớn. Hiện tượng kết khối bao gồm nhiều quá trình hóa lý rất phứ tạp xảy ra kế tiếp nhau, không thể tách riêng từng quá trình. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết khối: Thành phần hóa học, khoáng vật, trạng thái bề mặt riêng, điều kiện nung... Trong đó điều kiện nung là quang trọng nhất. Vế mặt hóa học vật thể kết khối hoàn toàn khác với trước khi nung. Hiện tượng kết khối chỉ xảy ra ở trang thái rắn (dạng Oxit tinh khiết). Nói chung sản phẩm muốn kết khối trong điều kiện thông thường phải nung đến nhiệt độ không nhỏ hơn 0.8Tnc (Tnc: Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu). Những dấu hiệu đặt trưng của sản phẩm đã kết khối: Giảm thể tích, sản phẩm rắn chắc lại (độ bền cơ tăng). Khoảng kết khối: Hiệu số nhiệt kết thúc quá trình và nhiệt độ bắt đầu kết khối. Nhiệt độ bắt đầu kết khối là nhiệt độ ứng với nó, các tính chất bắt đầu thay đổi đột ngột. Nhiệt độ kết thúc quá trình kết khối là nhiệt độ, ở đó các tính chất của sản phẩm nung bắt đầu đạt cực đại hay cực tiểu. Các tính chất mô tả cấu trúc của sản phẩm nung: Độ xốp, mật độ và khả năng hút nước. Cũng có những trường hợp độ bền cơ cũng được dùng để xem xét quá trình kết khối của sản phẩm. Trong các tính chất này khả năng hút nước thường được coi là tiêu chuẩn đầu tiên để so sánh mức độ so sánh của sản phẩm nung. Trong kĩ thuật nung, khoảng kết khối có ý nghĩa đặt biệt. Khoảng kết khối rộng thì quá trình nung dễ dàng hơn (đối với đất sét và cao lanh có thể hàng trăm độ), ngược lại khoảng kết khối hẹp khó nung (sản phẩm chứa SiO2 khoảng kết khối chỉ 10-150C). Khoảng kết khối có thể tính toán khi biết thành phần hóa học hoặc xác định bằng thực nghiệm khi nghiên cứu mẫu nhỏ bằng phương pháp DTA (Differntial Thermal Analysis) hoặc TGA (Thermal Gravimetric Analysis). Có một vài lý thuyết về kết khối, nhưng lý thuyết khuếch tán đã được chấp nhận và sử dụng rãi nhất. Lý thuyết này cho rằng, kết khối là cơ chế kết tụ của các hạt khi tiếp xúc. Trước khi kết khối, nơi đó đã tập hợp các “Ốc đảo” có kích thước khác nhau, và sau đó các “Ốc đảo” lớn hơn sẽ tăng trưởng bằng cách “nuốt” các ốc đảo nhỏ hơn. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung: -Thành phần hóa học: Lý thuyết và thự nghiệm đều cho rằng thành phần hóa học của sản phẩm là yếu tố chủ yếu quyết định nhiệt độ và khoảng kết khối. -Kích thước và thành phần hạt: Kích thước và thành phần hạt chẳn những có tác dụng đến việc sắp xếp các hạt trong sản phẩm lúc mới tạo hình mà còn là nhân tố khá quan trọng ảnh hưởng đến quá trình kết khối. Kích thước hạt càng bé, sản phẩm càng kết khối tốt. -Mật độ của sản phẩm: Độ sít chặt của sản phẩm có ảnh hưởng đến quá trình kết khối. Mật độ càng cao, kết khối càng thuận lợi. -Nhiệt độ nung cực đại và thời gian lưu: Nhiệt độ nung cực đại và thời gian lưu là yếu tố rất cơ bản, có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng sản phẩm nung và chính do thành phần hóa học của sản phẩm quyết định. -Thời gian lưu sản phẩm ở nhiệt độ nung cực đại ngắn hay dài quá đều có ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm. Với sản phẩm có khoảng kết khối hẹp, nên nung ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nung lý thuyết từ 20-300C và kéo dài thời gian lưu ở nhiệt độ đó lâu hơn và ngược lại. Tốc độ thay đổi nhiệt độ: Tốc độ nâng nhiệt độ lúc nung sản phẩm phụ thuộc chủ yếu vào quá trình biến đổi các phần tử trong sản phẩm. Cấu trúc thay đổi, lực liên kết giữa chúng cũng sẽ khác nhau, do đó, nếu tốc độ nâng nhiệt không hợp lý sẽ dẫn đến các dạng khuyết tật. Tốc độ làm nguội chẳng những có ảnh hưởng đến việc phát triển các tinh thể rắn mà còn liên quan đến sự xuất hiện ứng suất nội. -Môi trường khí: Trong quá trình nung sản phẩm, môi trường khí giữ vai trò quan trọng vì nó có thể làm thay đổi thành phần hóa học và tính chất của sản phẩm. 1.4. Phép đo Hall xác định tính chất điện. Phép đo Hall dùng để xác định điện trở suất ([ρ]=Ω.cm), loại hạt tải, nồng độ hạt tải ([n]=dm-3), độ linh động ([µ]= cm2/V.s). Phép đo được thực hiện theo phương pháp van der Pauw, với sự tiếp xúc ohmic được tạo ra bởi lớp Nhôm từ phương pháp lắng đọng chùm electron, dùng làm mẫu như một màng che trong tiếp xúc gắn liền với mẫu. Kích thước mẫu lớn nhất là 7 x 7 mm, với những mẫu được cắt ra từ mẫu lớn hơn bằng biện pháp vết khía và những vết nứt. Lớp tiếp xúc tạo thành một dạng hình vuông 4 x 4 mm,và mỗi điểm có đường kính xấp xỉ là 0,5 mm. Những mẫu được tạo nên trên một tấm giữ màng chắn thông dụng, được đặt trong hệ bốc bay electron, buồng chân không thì được bơm xuống ~5x10-7 torr dùng một bơm khuyếch tán được kết nối một bằng bơm rotary chuẩn. Chất thải (điện tích) của Al trong túi nguồn lắng đọng chùm electron được làm bay hơi ở chế độ ~15 Å/s để sinh ra màng mỏng khoảng ~3300 Å như được đo ở tinh thể thạch anh (SiO2) ở cân vi lượng. Phần phủ kính buồng chân không bao bọc đầu dò áp suất trong phép đo Hall để ngăn cản sự ngưng tụ suốt phép đo nhiệt độ thấp, vì vậy phép đo Hall được thực hiện trong buồng tối. Hệ thống Hall được tập hợp từ các thành phần thềm. Một máy cung cấp từ chuẩn trường Frieldial mẫu V-FR2503 cung cấp dòng cho một nam châm cường độ mạnh Varian Associates, được đặt ở cường độ đến 8,000 gauss. Một máy Keithley loại 220 cung cấp một dòng không đổi, với một máy đo khuếch đại tín hiệu vi thế Keithley loại 197 được dùng để đo điện thế cuối cùng. Một mạng chuyển đổi HP loại 3488A được nối vào lớp tiếp xúc mẫu thích hợp với thành phần điện tử thích hợp cho những dạng thăm dò khác nhau được thiết lập bởi phương pháp Van der Pauw. Một máy chỉ vạch đường cong Tektronix loại 177 được đưa vào trong hệ thống để xác định những lớp tiếp xúc có phải là Ohmic hay không bằng cách ghi nhận đường cong. Một máy tính điều khiển tất cả các thiết bị, và yêu cầu và xử lí dữ liệu. Dữ liệu được báo cáo bởi hệ bao gồm nồng độ hạt mang điện (n), độ linh động(µ), điện trở suất (ρ), loại hạt mang điện, hệ số Hall (RH), và phép phân tích lỗi. Khi hoạt động, trước tiên hệ thống xác định dòng thích hợp cho phép đo. Hệ thống được lập trình để đáp ứng một dòng cần thiết hoạt động là 5 mV. Với phép đo này, dòng xuyên qua lớp tiếp xúc ở một bên hình vuông, và độ giảm thế được đo thông qua điểm tiếp xúc ở mặt đối diên của hình vuông. Thật quan trọng để hiểu chất lượng thông tin được cho bởi phép đo Hall, và những giả định và hầm bẫy dưới đây là liên kết với nó. Cho trường hợp tạp chất thoái hóa ZnO : Al có một vài sản phẩm thu được cần phải được xác định dạng, và một vài giới hạn cần được làm khớp. Đầu tiên là hệ số Hall (γH), nói chung được cho là bằng 1. Đây là sự xấp xỉ tốt cho nhiều chất bán dẫn, nhưng không dùng được ở độ chính xác cao nhất, giá trị nên được thẩm định. Một điều rằng vật liệu được cấy suy biến có thể tạo ra những dải tạp chất, và tác động lên hàm phân bố electron (f(e)). Độ lớn của điện thế Hall là khó khăn phát sinh khác. Cho những mẫu có hệ số linh động Hall thấp, sự khác biệt giữa thế Hall khi có và không có trường điện từ là nhỏ, làm cho phép đo chính xác của thế Hall phụ thuộc từ trường trở nên khó khăn. Điều này yêu cầu rằng phải cẩn thận khi phân tích dữ liệu để chắc chắn sự thay đổi trong phép đo vì thế Hall thì thích hợp và phù hợp với sự phân cực trường từ và dạng hình học kết nối. Những phép đo này đầu tiên được sử dụng để so sánh những mẫu tương đối với nhau. Vì những mẫu giống nhau được dùng cho hệ thống Hall, và màng thì tương thích với cùng loại vật liệu, sự so sánh dữ liệu giữa những mẫu cần độ chính xác cần thiết. Sự so sánh với giá trị trong các tài liệu với những nghiên cứu khác đối với ZnO sẽ hợp lý vì các thông số vật liệu phải giống nhau. Thông số được sử dụng trong phép đo Hall thường không được nêu lên, vì vậy trong khi so sánh với tài liệu chuẩn, chúng phải được kiểm tra với con mắt tinh tường. Phương pháp đo các thông số điện bằng phép đo Hall rất chính xác, nhưng trong luận văn của chúng tôi sử dụng phương pháp bốn đầu dò để xác định những thông số điện của màng. 1.5. Phương pháp bốn đấu dò xác định đặt tính điện. Những phương pháp đo được lấy trên Alessi bốn điểm cảm biến. Một đầu cảm biến nhiệt với tim tungsten có bán kính nhọn 0,002”, một khoảng cách cảm biến 0,05”, và cảm biến có áp lực 70 đến 180 grams được dùng để đo tất cả các phép đo. Dòng được đáp ứng bởi Crytronics loại nguồn dòng 120 với dãy đáp ứng giữa 1µA đến 100 mA. Thế được đo bởi điện kế nanovolt Keithley loại 181 với một trở kháng đầu vào cao hơn 1 giga-ohm. Phương trình 3.1 và 3.2 được dùng để xác định điện trở của lá kim loại (Rs có đơn vị là Ω/sq) và điện trở suất (ρ có đơn vị Ω.cm), theo thứ tự đó (1.13) (1.14) Hình 15: Bốn mũi dò. Dựa trên thứ nguyên của mẫu và cảm biến nhiệt, không có hệ số hiệu chỉnh hình học nào được ứng dụng. t là độ dày của màng (cm), và V là điện thế được đo ở dòng tương ứng I. 1.6. Tính chất điện. Máy đo cảm biến bốn điểm dò được thảo luận trong phần phương pháp bốn đấu dò (1.5). Dữ liệu dòng và thế được kết hợp với độ dầy (~0.5 µm) để xác định điện trở của màng. Điện trở như là một hàm trước và sau một giờ xử lý nhiệt ở 400C0 , khí ở môi trường xung quanh, và vị trí của chất nền xuất hiện trên bảng 1. Như được biểu diễn ở hình 16, vị trí 1,2 và 3 sự tương ứng đến tâm, bên trái và bên phải mẫu 2.5 x 5 cm. Số hạng NC trong bảng 1 đề cặp đến “sự không bằng lòng”, cái mà xảy ra khi nguồn dòng không thể điều khiển được dòng được lựa chọn. Điều này xảy ra khi điện trở của mẫu quá cao, và điển hình xảy ra màng ZnO: Al có điện trở ≥ 102 Ω·cm cho độ dầy màng trong thực nghiệm này. Hình 16: Mô tả các điểm trên đế đặt bốn đầu dò . Điện trở đo được có độ lớn biến thiên năm bậc, và không có điện trở cao hơn nào được dùng. Bốn lớp của những thay đổi đã được tìm thấy ở trong dữ liệu và bao gồm cách xử lí theo vị trí, xử lí run-to-run, xử lý nhiệt, và xử lý nhiệt môi trường xung quanh. Với vị trí, biến đổi lớn nhất tăng thêm bốn bậc về độ lớn và ba lần về độ lớn xảy ra trên dự liệu được lấy trước và sau khi ủ. Sự biến đổi nhỏ nhất đối với tọa độ xấp xỉ hệ số 3 và hệ số 2 Bảng 1.dữ liệu điện trở trước và sau khi xử lý nhiệt được đo bởi cảm biến bốn điểm như là hàm của tọa độ và môi trường khí xung quanh. cho trước và sau khi nung, theo thứ tự đó. Hơn nữa, do điện trở lắng đọng phù hợp nhất với điểm 1, tương ứng với tâm của mẫu. Nhiều điện trở quá cao thì ưu tiên đo trước nung, như được biểu diễn bởi giá trị NC cái mà chỉ tìm thấy ở điểm thứ nhất. Sau khi nung, điện trở điểm 1 là cao nhất cho mẫu được nung dạng khí, không khí không di động, và Oxi, nhưng điểm 2 có điện trở cao nhất cho mẫu nung trong Nito. Sự biến đổi run-to-run trong điện trở xảy ra trong dữ liệu từ trước và sau khi sử lý nhiệt. So sánh của điện trở, từ điểm giống nhau trên mẫu phải được dùng để đánh giá những biến đổi run-to-run vì điểm tác động lớn có trên điện trở. Sự biến đổi run to run trong điện trở cho màng được nung đã được trùng hợp bởi tác động khác nhau xung quanh tác động. Vì vậy dữ liệu sẽ được đánh dấu về sau. Ưu tiên nung trước dãy điện trở từ 0,67 đến >560 Ω.cm, 1.7x10-2 đến 190Ω·cm và 1.4x10-2 đến 35 Ω·cm của dữ liệu lấy từ điểm 1,2,và 3 theo thứ tự định sẵn.dữ liệu từ chứng tỏ rằng bất chấp dùng sự lắng động đậm đặt và điều kiện đặt trưng, hơn nữa ba số hạng khác nhau trong độ lớn biến đổi xảy ra cho dữ liệu điện trở. Điều này chứng tỏ rằng những biến đổi lớn xảy ra cho tất cả ba điểm đo. Mối quan hệ giữa những biến đổi nhỏ giữa những phép đo lặp lại từ mẫu điều khiển của 26% và 15% cho điểm 2 và điểm, theo thứ tự định sẵn, biến đổi của phép đo được đề suất là không có trách nhiệm cho sự khác nhau lớn run to run. Nung đặt trưng ở 400C0 khoảng một giờ làm thay đổi điện trở của mẫu, nhưng giá trị của sự thay đổi biểu diễn biến đổi đáng kể. Sự nung đặt trưng làm giảm bớt điện trở, ngoại trừ cho trường hợp môi trường Oxi bao quanh nơi đó thì điện trở tăng ở một số điểm. Những khác nhau trong đáp ứng của điện trở vào môi trường khí sử dụng trong khi nung sẽ xuất hiện sau đó. Bởi vì kết quả thay đổi với môi trường khí, những sự biến đổi trong đáp ứng nhiệt phải được khảo sát bằng cách quan sát những điểm biến đổi trên mẫu được nung trong môi trường tương tự. Để tạo điều kiện cho việc nghiên cứu sự thay đổi điện trở với xử lý nhiệt, bảng 4-5 đưa ra giá trị của sự thay đổi trong điện trở với sự nung. Dấu hỏi có nghĩa là giá trị của điện trở trước và sau là quá cao không đo được. Sự thay đổi của điện trở lớn nhất được tìm thấy ở điểm 1, cũng là nơi có điện trở suất ban đầu cao nhất. Sự thay đổi trong điện trở suất ở điểm 2 lớn hơn một cách tương thích so với sự thay đổi ở điểm 3 bất chấp sự giống nhau của những điện trở suất ban đầu. Tập trung vào những thay đổi của điện trở suất ở môi trường khí đặt biệt, việc nung trong Nito đãn đến thay đổi lớn nhất: điện trở suất giảm đến 331 lần cho điểm 1; ở điểm 3, điện trở suất giảm 2,6 lần. Sự thay đổi lớn hơn xảy ra với giá trị ban đầu cao hơn. Điện trở suất thấp nhất 1.30x10-2 Ω·cm thì thấp hơn không đáng kể so với một vài giá trị đã được ghi trước. Đối với dạng khí, sự giảm mạnh của điên trở suất xảy ra tại tất cả các điểm, ngoài ra tất cả các trở suất thu được thấp hơn đáng kể so với bất kì điện trở suất nào đã được ghi nhận từ thí nghiệm này. Những sự biến đổi của điện trở suất theo vị trí là kết quả nhỏ nhất trong thí nghiệm này. Những điện trở suất được ghi cho mẫu này thì cũng nhỏ hơn những điện trở suất được ghi, đặt biệt ở điểm 1. Với không khí cố định, sự thay đổi nhỏ xảy ra ở điểm 2, và không có thay đổi nào vượt quá sai số thí nghiệm xảy ra ở điểm 3. Điện trở suất ban đầu ở điểm 2 là cao hơn ở điểm 3. Sự thay đổi lớn hơn một bậc về độ lớn xảy ra ở điểm 1 khi nó được xét ở giá trị NC thì lớn hơn 5x102Ω·cm, nhưng độ lớn của sự thay đổi thì không xác đinh được. Đối với khí Oxi, điện trở suất giảm xuống ít nhất 5 lần. Ngược lại, ở điểm 2 và 3, điện trở suất tăng lên một hệ số lần lượt là 53 và 7. Giá trị ban đầu ở điểm 1 là cao hơn nhiều giá trị ban đầu ở điểm 2 hoặc là điểm 3. Bảng 2: Những thay đổi điện trở suất với nhiệt độ 4000C nung 1 giờ. 1.7.Đặt tính quang. Phương pháp đánh giá tính chất quang của mang Tính chất quang gồm có hệ số phản xạ R, hệ số truyền qua T và hệ số hấp thụ A. Nguyên lý chủ yếu kiểm tra hệ số phản xạ R, hệ số truyền qua T là thông qua đo quang năng của các chùm phản xạ, chùm truyền qua rồi so với quang năng của chùm tới. Người ta thường khảo sát tính chất quang của màng mỏng trong vùng ánh sáng từ tử ngoại, khả kiến đến vùng hồng ngoại gần bằng máy UV-Vis. Các máy UV-Vis thường được thiết kế để đo độ hấp thụ hay truyền qua của mẫu trong dải bước sóng từ 120-1200nm. Nguồn sóng được sử dụng thường là đèn deuterium (190-350nm) cho vùng UV, và đèn Halogen (340-1100nm) cho vùng Vis/NIR.