Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất vật lý của dây nano si bằng phương pháp bốc bay nhiệt

- Nguyễn Hữu Lâm (Viện Vật lý Kĩ thuật, Trƣờng ĐH Bách Khoa Hà Nội) đã cho phép em đƣợc tiếp cận và sử dụng các thiết bị nghiên cứu của Viện, NCS.
- Em muốn gửi lời cảm ơn tới ban lãnh đạo cùng toàn thể các thầy cô trong Viện ITIMS, những ngƣời đã chỉ bảo, giảng dạy và tạo những điều kiện tốt nhất cho em đƣợc nghiên cứu học tập tại Viện.
- Xin đƣợc cảm ơn tất cả các thành viên trong nhóm quang điện tử Viện ITIMS vì đã sát cánh cùng em trong thời gian làm luận văn này, những thảo luận và giải đáp thắc mắc của toàn thể mọi ngƣời giúp em giải quyết nhiều vấn đề trong quá trình nghiên cứu.
- Em không thể không gửi lời cảm ơn tới gia đình đã luôn ở bên cạnh hỗ trợ và ủng hộ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa học.
- Tác giả Nguyễn Văn Kiên ii Tôi xin cam đoan nội dung bản luận văn này là những gì chính tôi đã nghiên cứu trong suốt thời gian học thạc sĩ, các số liệu và kết quả là trung thực chƣa đƣợc công bố ở công trình nào hoặc cơ sở nào khác dƣới dạng luận văn.
- Tính chất quang của vật liệu bán dẫn.
- Đặc điểm cấu trúc vùng năng lƣợng của chất bán dẫn.
- Các quá trình phát quang xảy ra trong vật liệu bán dẫn.
- Vật liệu Silic tinh thể khối.
- Cấu trúc vùng năng lƣợng và tính chất quang của silic tinh thể khối.
- Vật liệu silic cấu trúc nano.
- Các cấu trúc thấp chiều của vật liệu silic.
- Dây nano silic.
- Chế tạo dây nano silic.
- Phƣơng pháp bốc bay nhiệt.
- Các mẫu đã chế tạo.
- Các phƣơng pháp phân tích tính chất của vật liệu.
- Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM.
- Phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDX.
- Phổ huỳnh quang (PL.
- Khảo sát sự ảnh hƣởng của độ dày lớp xúc tác màng phủ vàng đến hình thái cấu trúc của quá trình hình thành dây nano silic.
- Ảnh hƣởng của thời gian bốc bay và tốc độ thổi khí đến hình thái và cấu trúc của vật liệu.
- Khảo sát tính chất huỳnh quang của các mẫu đã chế tạo.
- 45 v DANH MỤC BẢNG BIỂU STT Tên bảng Trang 1 Bảng 2.1: Các mẫu đã chế tạo 22 2 Bảng 3.1: Tỉ lệ % nguyên tử giữa oxi và silic trong mẫu K340 tại các vị trí khảo sát khác nhau 33 3 Bảng 3.2: Tỉ lệ % nguyên tử giữa oxi và silic trong mẫu K140, K150 36 4 Bảng 3.3: So sánh tỉ lệ % nguyên tử giữa oxi và silic trong các mẫu đã chế tạo 38 vi DANH MỤC HÌNH VẼ STT Tên hình vẽ Trang 1 Hình 1.1: Cấu trúc vùng năng lƣợng của chất bán dẫn 4 2 Hình 1.2: Mô hình tái hợp chuyển mức thẳng 6 3 Hình 1.3: Mô hình tái hợp chuyển mức xiên 7 4 Hình 1.4: Mô hình tái hợp thông qua trạng thái exciton 8 5 Hình 1.5: Mô hình tái hợp thông qua các donor và acceptor 9 6 Hình 1.6: Mô tả cấu trúc tinh thể của silic 10 7 Hình 1.7: Mô tả vùng Brillouin thứ nhất của silic 10 8 Hình 1.8: Cấu trúc vùng năng lƣợng của silic 11 9 Hình 1.9: Mô tả các cấu trúc thấp chiều của silic 13 10 Hình 1.10: Sự phụ thuộc độ rộng vùng cấm vào kích thƣớc của dây nano silic 15 11 Hình 1.11: Phổ huỳnh quang của dây nano Si với đƣờng kính 5 nm, 7 nm, và 9 nm 16 12 Hình 1.12: Phổ huỳnh quang của dây nano silic với đƣờng kính 18 nm, đo ở nhiệt độ thấp, kích thích với bƣớc sóng 325 nm 17 13 Hình 1.13: Phổ huỳnh quang của dây nano Si với đƣờng kính 15 nm 18 14 Hình 1.14: Các quá trình mọc dây nano Si theo cơ chế VLS 19 15 Hình 1.15: Giản đồ pha hai nguyên Au-Si 19 vii 16 Hình 2.1a: Mô hình hệ bốc bay nhiệt 21 17 Hình 2.1b: Quy trình nâng nhiệt 22 18 Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo phổ nhiễu xạ tia X 23 19 Hình 2.3: Mặt phản xạ Bragg 24 20 Hình 2.4: Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 25 21 Hình 2.5: Thiết bị đo phổ huỳnh quang 28 22 Hình 3.1: Ảnh hiển vi điện tử SEM của mẫu có (a) độ dày màng xúc tác Au 1nm (K140).
- và (b) độ dày màng xúc tác Au 3nm (K340) 30 23 Hình 3.2: Phổ tán xạ năng lƣợng của mẫu K340 tại các vị trí khác nhau đƣợc đánh dấu lần lƣợt là (a) Spectrum 3.
- và (c) Spectrum 5 32 24 Hình 3.3: Ảnh hiển vi điện tử SEM của mẫu có (a) thời gian bốc bay 20 phút (K120).
- (c) thời gian bốc bay 40 phút (K140) và (d) thời gian bốc bay 50 phút (K150) 34 25 Hình 3.4: Kết quả phân tích EDX các mẫu (a): Thời gian bốc bay 40 phút (K140).
- (b): Thời gian bốc bay 50 phút (K150) 35 26 Hình 3.5: Kết quả chụp XRD các mẫu với thời gian bốc bay khác nhau từ 20 đến 50 phút 36 27 Hình 3.6: Ảnh SEM mẫu C315 37 28 Hình 3.7: Kết quả chụp EDX mẫu C315 38 viii 29 Hình 3.8: Kết quả chụp XRD mẫu C315 39 30 Hình 3.9: Phổ huỳnh quang mẫu bốc bay 30 phút (K130), bốc bay 40 phút (K140) và bốc bay 50 phút (K150) 40 31 Hình 3.10: Kết quả chụp phổ tán xạ huỳnh quang mẫu C315 41 32 Hình 3.11: Các loại hình thái của dây Si đã đƣợc chế tạo (a) dây Si bị oxi hóa mạnh.
- (b) các dây Si ít bị oxi hóa 42 1 MỞ ĐẦU Sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghệ thông tin và khoa học máy tính đòi hỏi các thiết bị linh kiện vi điện tử trên cơ sở Si có kích thƣớc nhỏ hơn, tốc độ truyền tải và xử lý tín hiệu nhanh hơn.
- Các yêu cầu trên đang nhanh đƣa loại vật liệu này tiếp cận đến các giới hạn về công nghệ.
- Các yếu tố vật lý mới nhƣ quang tử và lƣợng tử đang đƣợc nghiên cứu nhằm chế tạo ra các thiết bị có tính năng vƣợt trội.
- Đặc biệt, việc nghiên cứu tổng hợp chế tạo các vật liệu Si có cấu trúc nano ứng dụng trong công nghệ chế tạo các thiết bị quang điện tử, thiết bị quang điện và huỳnh quang đã nhận đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhóm nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.
- Khả năng phát quang của vật liệu nano Si đã khắc phục đƣợc nhƣợc điểm yếu nhất của vật liệu silic khối đó là khả năng phát quang yếu, đồng thời việc nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu Si có cấu trúc nano phát quang trong vùng ánh sáng nhìn thấy sẽ tạo ra đƣợc một bƣớc nhảy đột biến trong việc tích hợp quang – điện tử.
- Nhiều kết quả nghiên cứu chế tạo và ứng dụng thành công vật liệu Si cấu trúc nano đã đƣợc công bố trong các tạp chí khoa học công nghệ uy tín.
- Ở nƣớc ta, việc nghiên cứu vật liệu Si có cấu trúc nano cũng đƣợc quan tâm tại nhiều nhóm nghiên cứu nhƣ nhóm nghiên cứu của GS.
- Phạm Văn Hội tại Viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
- nhóm nghiên cứu của PGS.
- Nguyễn Hữu Lâm tại các viện: Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), Viện Tiên tiến 2 Khoa học và Công nghệ (AIST), Viện Vật lí kỹ thuật thuộc trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội .
- Với mục tiêu là chế tạo thành công vật liệu Si có cấu trúc nano và khảo sát một số tính chất vật lý của vật liệu nhằm phục vụ cho các nghiên cứu cơ bản, định hƣớng ứng dụng, em đã lựa chọn đề tài luận văn: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất vật lý của dây nano Si bằng phương pháp bốc bay nhiệt” Luận văn đã nghiên cứu, chế tạo dây nano Si bằng phƣơng pháp bốc bay nhiệt, đồng thời khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hình thành dây, nghiên cứu cải tiến để ổn định công nghệ chế tạo.
- Đã chứng tỏ độ dày lớp màng phủ vàng xúc tác có ảnh hƣởng đến hình thái cấu trúc của dây nano silic - Đã chỉ ra đƣợc thời gian bốc bay ảnh hƣởng đến hình thái, cấu trúc của dây nano Si.
- Cụ thể ở đây là thời gian bốc bay càng dài thì dây mọc càng nhiều.
- Đã thấy đƣợc hơi Si lắng đọng dị hƣớng, ƣu tiên theo hƣớng (113) của Si cấu trúc lập phƣơng tâm mặt và đã đƣa ra đƣợc gợi ý về nguyên nhân của sự mọc dị hƣớng này.
- Đã đƣa ra đƣợc phổ huỳnh quang đặc trƣng cho vật liệu Si cấu trúc nano đồng thời liên hệ các phát xạ huỳnh quang này với hiệu ứng giam cầm lƣợng tử trong vật liệu.
- Tính chất quang của vật liệu bán dẫn 1.1.1.
- Đặc điểm cấu trúc vùng năng lƣợng của chất bán dẫn Cấu trúc vùng năng lƣợng quyết định trực tiếp đến tính chất phát quang của các chất bán dẫn, vì vậy việc tìm hiểu cấu trúc vùng năng lƣợng của nó là rất cần thiết.
- Chất bán dẫn là chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện.
- Chất bán dẫn hoạt động nhƣ một chất cách điện hoặc chất dẫn điện tùy thuộc các điều kiện khác nhau nhƣ nhiệt độ.
- Tính chất dẫn điện của vật liệu đƣợc giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lƣợng.
- Nhƣ ta đã biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lƣợng gián đoạn.
- Khi các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành khối vật liệu, các mức năng lƣợng của nguyên tử bị phủ lên nhau, trở thành các vùng năng lƣợng.
- Có ba vùng năng lƣợng chính bao gồm: 1) Vùng hóa trị: Vùng có năng lƣợng thấp nhất theo năng lƣợng là vùng mà điện tử bị liên kêt mạnh với nguyên tử và không linh động.
- Mức năng lƣợng cực đại của vùng hóa trị gọi là đỉnh vùng hóa trị, ký hiệu là Ev.
- 2) Vùng dẫn: Vùng có mức năng lƣợng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động.
- Điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có khả năng dẫn điện.
- Mức năng lƣợng cực tiểu của vùng dẫn gọi là đáy vùng dẫn, kí hiệu là Ec.
- 3) Vùng cấm: Vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lƣợng nào.
- Do đó, điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm.
- Khoảng cách năng lƣợng Eg = Ec - Ev gọi là bề rộng vùng cấm.
- Trạng thái của điện tử trong các vùng năng lƣợng đƣợc phép đƣợc đặc trƣng bởi năng lƣợng E và các vectơ sóng (kx, ky, kz).
- 4 Hình 1.1: Cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn Dựa vào cấu trúc của vùng cấm, vật liệu bán dẫn đƣợc chia làm hai loại khác nhau.
- Bán dẫn có vùng cấm trực tiếp, còn gọi là vùng cấm thẳng: đỉnh của vùng hóa trị và đáy vùng dẫn có cùng một vectơ sóng .
- Sự chuyển mức (tái hợp) xảy ra trong bán dẫn này gọi là chuyển mức thẳng.
- Bán dẫn có vùng cấm không trực tiếp còn gọi là vùng cấm xiên: đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn không có cùng một vectơ sóng .
- Sự chuyển mức (tái hợp) xảy ra trong bán dẫn này gọi là chuyển mức xiên.
- Các quá trình phát quang xảy ra trong vật liệu bán dẫn Sự phát quang của vật liệu bán dẫn gồm hai quá trình chính là quá trình hấp thụ và quá trình tái hợp.
- Quá trình hấp thụ xảy ra khi điện tử đƣợc kích thích bởi năng lƣợng (có thể là quang năng, nhiệt năng.
- và chuyển lên vùng dẫn.
- Khi điện tử đƣợc kích thích lên trạng thái có năng lƣợng cao, nó luôn có xu hƣớng hồi phục, giải phóng năng lƣợng.
- Quá trình này gọi là quá trình tái hợp, năng lƣợng giải phóng trong quá trình này có thể dƣới dạng ánh sáng hay nhiệt năng.
- Dƣới đây là mô tả chi tiết các quá trình tái hợp xảy ra trong bán dẫn.
- Vùng dẫn Vùng hóa trị Eg ~ 1÷3eV Ec Ev 5 1.1.2.1.
- Tái hợp chuyển mức thẳng Tái hợp chuyển mức thẳng là chuyển mức vùng – vùng xảy ra trong bán dẫn có đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn nằm trên cùng một vectơ sóng .
- Khi điện tử hấp thụ một photon, nếu năng lƣợng của photon kích thích ≥ Eg thì điện tử sẽ chuyển lên vùng dẫn.
- Trong khi đó, ở vùng hóa trị đồng thời xuất hiện một lỗ trống tƣơng ứng và lỗ trống này có xu hƣớng chuyển về đỉnh vùng hóa trị.
- Khi ở trong vùng dẫn, các điện tử có xu hƣớng chuyển về đáy vùng dẫn.
- Thời gian hồi phục của điện tử và lỗ trống về đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị tƣơng ứng là ~ 10-12 đến 10-14 giây.
- Sau thời gian hồi phục, điện tử và lỗ trống đã ở điểm cực trị của các vùng năng lƣợng, sau đó xảy ra quá trình tái hợp điện tử, lỗ trống.
- Quá trình tái hợp vùng vùng của chuyển mức thẳng xảy ra tuân theo các định luật bảo toàn năng lƣợng và bảo toàn xung lƣợng [25]: Hν = Ec - Ev = c - v Ở đây Ec là năng lƣợng cực tiểu của vùng dẫn, Ev là năng lƣợng cực đại của vùng hóa trị.
- c, v là vectơ sóng của điện tử và lỗ trống.
- Mô hình tái hợp chuyển mức thẳng đƣợc mô tả nhƣ hình 1.2 6 Hình 1.2: Mô hình tái hợp chuyển mức thẳng 1.1.2.2.
- Tái hợp chuyển mức xiên Trong bán dẫn mà đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị không nằm trên cùng một vectơ sóng thì chuyển mức trong bán dẫn là chuyển mức xiên.
- Quá trình chuyển mức này luôn kèm theo sự hấp thụ hoặc bức xạ phonon [25].
- Hν = Ec – Ev ± Ep p = c - v Trong đó Ep là năng lƣợng của phonon, p là vectơ sóng của phonon.
- Ec là năng lƣợng cực tiểu của vùng dẫn, Ev là năng lƣợng cực đại của vùng hóa trị.
- Trong quá trình hấp thụ cơ bản chuyển mức xiên có sự tham gia của ba hạt (điện tử, photon và phonon).
- Có thể giải thích quá trình chuyển mức xiên thành hai giai đoạn nhƣ hình 1.3.
- E k Eg hʋ = Eg 7 Hình 1.3: Mô hình tái hợp chuyển mức xiên Trong giai đoạn thứ nhất, điện tử vùng hóa trị hấp thụ photon và chuyển mức thẳng lên một trạng thái giả định, thời gian sống của trạng thái giả định rất nhỏ cho nên độ bất định của trạng thái này rất lớn, có thể không thỏa mãn định luật bảo toàn năng lƣợng trong giai đoạn thứ nhất này.
- Trong giai đoạn thứ hai, điện tử chuyển từ trạng thái giả định trong vùng dẫn sang trạng thái cuối ở cực tiểu Ec bằng cách hấp thụ hoặc bức xạ một phonon.
- Các hạt tải điện liên kết – hạt exciton Khi bán dẫn có độ sạch cao và bị kích thích bằng ánh sáng với năng lƣợng cao hơn năng lƣợng của vùng cấm, trong chất bán dẫn sẽ hình thành cặp điện tử, lỗ trống.
- Các cặp điện tử, lỗ trống này có thể chuyển động tự do trong bán dẫn và đóng góp trực tiếp vào độ dẫn điện của chất bán dẫn.
- Trong một số trƣờng hợp, do tƣơng tác coulomb, điện tử và lỗ trống hút nhau, những trạng thái liên kết đặc biệt giữa điện tử và lỗ trống có thể xuất hiện.
- Năng lƣợng photon cần thiết để tạo ra các trạng thái này nhỏ hơn năng lƣợng vùng cấm, cặp điện tử - lỗ trống liên kết với nhau nhƣ vậy tạo thành các hạt giả gọi là exciton.
- Quá trình tái hợp các hạt tải sẽ triệt tiêu exciton và phát ra bức xạ dải khá hẹp dƣới dạng năng lƣợng ánh sáng hoặc năng lƣợng phonon.
- 8 Trƣờng hợp bán dẫn có vùng cấm thẳng, năng lƣợng tái hợp, bức xạ có dạng: hν = Eg - Ex Trƣờng hợp bán dẫn có vùng cấm xiên, định luật bảo toàn xung lƣợng đƣợc thỏa mãn khi có sự tham gia của phonon quang với năng lƣợng Ep.
- Nếu số phonon phát ra trong quá trình chuyển dời càng nhiều thì xác xuất chuyển dời càng thấp.
- Trong quá trình chuyển dời, phonon phát ra có năng lƣợng: hν = Eg - Ex – m.Ep Trong đó m là số phonon phát ra trong quá trình chuyển dời [25].
- Tái hợp thông qua trạng thái exciton đƣợc mô tả nhƣ hình 1.4 Hình 1.4: Mô hình tái hợp thông qua trạng thái exciton 1.1.2.4.
- Tái hợp thông qua các donor và acceptor Trƣờng hợp trong chất bán dẫn xuất hiện đồng thời các tạp chất donor và acceptor thì sẽ xảy ra tƣơng tác Coulomb giữa donor và acceptor.
- Nếu nồng độ của chúng đủ lớn thì có thể xảy ra tái hợp bức xạ điện tử của donor và lỗ trống của acceptor.
- Nếu hai tạp chất này cách nhau một khoảng r thì năng lƣợng của phonon phát ra có độ lớn là: hν = Eg – EA – ED

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt