saobang_tinhyeu20091993
New Member
Download miễn phí Ảnh hưởng của sự pha tạp Ga lên tính chất điện của màng ZnO tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron
Ta có thể nóisự khác nhau trong cáchbố trí thí nghiệm giữa hai màng ZnO-Al và ZnO-Ga là
dosự khác nhau trong bán kính iontạp chất (Ga3+0.062nm, Al3+0.057nm[3]). Ion Ga khi thay thế
Zn trongmạng ZnOsẽlàmmạng có xuhớng co lại (Zn2+0.083nm[3]), thể hiện trên phổ nhiễu xạ
hình 2.Nếucờng độ tích phâncủa đỉnh (002)của pha ZnO hoà tanrắn Ga làI1,cờng độ tích
phâncủa đỉnh (002)của pha ZnO làI2 thìtỉlệI1/I2 trong công trình này là 1.51, sovới tài liệu
[4]ta thấy thoả điều kiện cósự hoà tanrắn. Dosự hoà tantốt nên khôngdễ dàngtạo thành nút trống
Shottky, đồng thời Ga khó khuếch tán ramặt ngoài tinh thể, nhưvậybềmặt bia có thể xem như
đồng nhất hóahọc, công thoát điệntử trung bìnhhầu như không đổi khắpbềmặt bia. Chúng tôi
cũng chụp phổ nhiễuxạ bia ZnO + 3.15% at. Al thì không thấy xuất hiệnvạch phổI1, chứngtỏ
khôngcó sựhoà tan của Al trongmạngtinh thể ZnO
Để tải bản Đầy Đủ của tài liệu, xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.
Ai cần download tài liệu gì mà không tìm thấy ở đây, thì đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí
Tóm tắt nội dung tài liệu:
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 10, SOÁ 03 - 2007ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ PHA TẠP Ga LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA MÀNG ZnO
TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON
Cao Thị Mỹ Dung, Trần Cao Vinh, Nguyễn Hữu Chí
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG – HCM
TÓM TẮT: Màng ZnO-Ga được tạo từ bia ZnO pha tạp 4.4% nguyên tử (at.) Ga với bề
dày khoảng 600nm, bằng phương pháp phún xạ magnetron RF ở nhiệt độ phòng, có điện trở suất
r ~ 4.6 x 10-4 Wcm và độ truyền qua T » 85% trong vùng phổ khả kiến. Tại nhiệt độ phòng, phổ
nhiễu xạ cho thấy màng có tính tinh thể tốt với định hướng (002) mạnh.
Cách bố trí bia-đế song song trong quá trình phún xạ cho thấy tính chất màng ít bị ảnh
hưởng bởi sự bắn phá của các hạt ion âm năng lượng cao, màng có độ bền nhiệt khi ủ trong môi
trường không khí so với màng ZnO pha tạp Al (ZnO-Al), điều này có thể được giải thích dựa trên
sự sai khác của bán kính ion các nguyên tử tạp chất ảnh hưởng đến quá trình hòa tan rắn thay
thế trong bia.
1. GIỚI THIỆU
Màng oxyt trong suốt dẫn điện (TCO) có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực quang-điện tử do
điện trở suất thấp và độ truyền qua cao. Chúng được ứng dụng trong chế tạo gương nóng, màn
hình hiển thị phẳng diện tích lớn (LCD, OLED), pin mặt trời, cửa sổ thông minh (màng điện sắc),
… Màng TCO chủ yếu sử dụng rộng rãi là màng ITO (In2O3 pha tạp SnO2) được tạo bằng phương
pháp phún xạ magnetron, và hiện nay màng ZnO pha tạp nguyên tố nhóm III (như Al, Ga, In,
Sc,…) đang được nghiên cứu để thay thế cho vật liệu màng ITO do tính kinh tế của nó.
Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy màng ZnO-Al phún xạ bằng phương pháp magnetron
đạt được tính chất cao về độ dẫn điện cũng như độ truyền qua, tuy nhiên do cách bố trí bia-đế (để
tránh sự bắn phá của ion âm) nên vận tốc phún xạ thấp, tiêu tốn vật liệu nhiều, cũng như không có
độ bền nhiệt khi xử lý nhiệt độ cao trong môi trường không khí [1], do đó màng ZnO-Ga đang
được nghiên cứu để khắc phục các nhược điểm trên.
2. THỰC NGHIỆM
Màng ZnO-Ga được phún xạ trên đế thuỷ tinh từ bia thiêu kết (ZnO + 4.4% at. Ga) ở nhiệt độ
1500oC trong không khí. Bia tròn có đường kính 7.6 cm, dày 2.5 mm, đã được chế tạo tại phòng
thí nghiệm[2]. Hệ tạo màng là hệ chân không UNIVEX 450 (Đức), áp suất nền 3x10-6 torr, áp suất
làm việc 3x10-3 torr, lưu lượng khí làm việc Ar (99.999%) là 25sccm, nhiệt độ đế từ nhiệt độ
phòng đến 300oC, công suất phún xạ RF 200W.
Trước khi phủ màng, đế thủy tinh được tẩy rửa bằng phóng điện plasma trong chân không với
dòng 15mA, thế 2000V trong thời gian khoảng 10 phút. Bia và đế được bố trí song song nhau với
khoảng cách 4.5 cm [2]. Tính chất điện được xác định bằng phương pháp 4 mũi dò, tính chất
quang được xác định bằng phổ truyền qua UV-Vis, cấu trúc màng được phân tích bằng phổ nhiễu
xạ tia X (XRD).
3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Màng ZnO-Ga là màng bán dẫn loại n, do sự pha tạp donor Ga hay sự hình thành lỗ trống
oxy. Chúng tui tiến hành tạo màng ZnO-Ga tại nhiệt độ phòng, công suất phún xạ RF 200 W với
cách bố trí bia-đế song song cách nhau 4.5cm (bảng 1).
Bảng 1.Màng tạo ở công suất phún xạ RF 200W
Mẫu Thời Độ dày Nhiệt độ đế Điện trở mặt (W/) r T (%)
Science & Technology Development, Vol 10, No.03 - 2007
gian
(phút)
(nm) sau khi phủ
(0C)
x 10-4 (W.cm)
tại tâm bia cách tâm 2 cm tại tâm bia cách tâm 2 cm
GR8 3 350 62 14.5 16 5.0 5.6 ~85
GR7 5 600 65 7.6 8.6 4.6 5.2 ~85
GR9 7 850 75 4.9 5.9 4.2 5.0 ~85
Công trình [5] cho kết quả thực nghiệm với khoảng cách bia-đế 9cm (bảng 2, hình 1). Từ
bảng 2 thấy rằng, vị trí tối ưu để đạt điện trở thấp là vị trí e. Ở vị trí đó sẽ tránh sự bắn phá của ion
âm năng lượng cao nhưng vận tốc phún xạ thấp (v = 3.8
ο
Α /s).
Bảng 2[5]
Mẫu Vị trí a d e
Bề dày (nm) 760 1900 1400
r (W.cm) 5.3 x 10
-
1
8 x 10-4 4.9 x
10-4
Hình 1. Cách bố trí thí nghiệm bia -đế trong hệ
phún xạ [5].
Ta có thể nói sự khác nhau trong cách bố trí thí nghiệm giữa hai màng ZnO-Al và ZnO-Ga là
do sự khác nhau trong bán kính ion tạp chất (Ga3+ 0.062nm, Al3+ 0.057nm[3]). Ion Ga khi thay thế
Zn trong mạng ZnO sẽ làm mạng có xu hướng co lại (Zn2+ 0.083nm[3]), thể hiện trên phổ nhiễu xạ
hình 2. Nếu cường độ tích phân của đỉnh (002) của pha ZnO hoà tan rắn Ga là I1, cường độ tích
phân của đỉnh (002) của pha ZnO là I2 thì tỉ lệ I1/I2 trong công trình này là 1.51, so với tài liệu [4]
ta thấy thoả điều kiện có sự hoà tan rắn. Do sự hoà tan tốt nên không dễ dàng tạo thành nút trống
Shottky, đồng thời Ga khó khuếch tán ra mặt ngoài tinh thể, như vậy bề mặt bia có thể xem như
đồng nhất hóa học, công thoát điện tử trung bình hầu như không đổi khắp bề mặt bia. Chúng tui
cũng chụp phổ nhiễu xạ bia ZnO + 3.15% at. Al thì không thấy xuất hiện vạch phổ I1, chứng tỏ
không có sự hoà tan của Al trong mạng tinh thể ZnO (hình 3).
Hình 2. Phổ nhiễu xạ của bia ZnO-Ga.
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 10, SOÁ 03 - 2007
Hình 3. Phổ nhiễu xạ của bia ZnO-Al.
Ngoài ra, tính toán cho thấy rAl/rZnO = 0.057/0.1625 = 0.35, tỉ số này nhỏ hơn 0.414 tức là Al
chỉ hoà tan xen kẽ vào lổ hổng 8 mặt [7] . Do đó, trong bia ZnO-Al không có sự hòa tan rắn thay
thế tốt của Al, phần lớn chúng kết tủa xen kẽ giữa các nút mạng hay trên biên hạt. Dưới tác dụng
nhiệt, chúng khuếch tán ra mặt ngoài, tích tụ ở mặt ngoài bia dưới dạng hấp thụ nên bề mặt bia
không đồng nhất hóa học, chúng tạo thành vết có công thoát jl khác nhau, trên diện tích vết
tương đối fl. Nếu công thoát trên bề mặt Katốt có giá trị khác nhau và thỏa điều kiện (jlmin - S -
eE ) >> kT, thì mật độ dòng ion âm phát xạ vết có dạng [6]:
(1)
trong đó: S: ái lực điện tử của nguyên tử Oxygen; j : công thoát điện tử trung bình của bia; E:
điện trường trên bề mặt catốt
Hình 4. Đồ thị biễu diễn sự thay đổi điện trở suất của màng ZnO-Sc (·) và ZnO-Al (o) theo khoảng cách
trên đế tương ứng với vị trí trên bia trong công trình [8]
Dòng phát xạ ion âm sẽ lớn tại vùng ăn mòn của bia do nhiệt độ T lớn. Có thể giả thuyết rằng
tại vết phát xạ ion âm, công thoát của bia chính bằng công thoát của chính vật chất hấp phụ (nếu
( )
( )å
l
l
l
-
þ
ý
ü
î
í
ì j-j=
þ
ý
ü
î
í
ì j-+
=
kT
eexpfNAA
kT
eESeexpAei
Khoảng cách trên đế (cm)
Đ
iệ
n
trở
su
ất
r
(W
cm
)
Science & Technology Development, Vol 10, No.03 - 2007
hạt hấp phụ có hai lớp đơn nguyên tử). Thực nghiệm trong công trình [8] (hình 4) cho thấy bia
ZnO-Sc cho dòng phát xạ ion âm lớn hơn bia ZnO-Al. Độ âm điện của Sc nhỏ (cSc = 1.36[3]) so
với O (cO = 3.44[3]) nên chúng dễ thành lập hợp chất, ngăn cản khả năng thay thế của Sc vào
mạng ZnO, dưới tác dụng nhiệt, Sc dễ dàng khuếch tán ra mặt ngoài bia, và do công thoát thấp
hơn (jlAl = 4.28eV, jlSc = 3.5eV[9]) nên ZnO-Sc cho dòng phát xạ ion âm lớn hơn, thoả công
thức (1). Công thức (1) cũng phù hợp để lý giải cho các trường hợp bia BaTiO3 hay bia YBCO
(Y-Ba-Cu oxide) có sự xuất hiện của dòng ion âm năng lượng cao phát xạ từ bia, ảnh hưởng đến
tính chất màng. Điều đó là do các kim loại có độ âm điện c nhỏ so với O và công thoát j thấp
nh