Đề tài Các phương pháp thực nghiệm chuyên ngành - Nghiên cứu tính chất quang điện của màng tin

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN CỦA MÀNG TiN GVHD : TS Lê Trấn HVTH : Phạm Văn Thịnh MÔN : CÁC PP THỰC NGHIỆM CHUYÊN NGÀNH NỘI DUNG I. GIỚI THIỆU MÀNG TiN II. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT CỦA MÀNG III.ỨNG DỤNG TỪ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA MÀNG TiN 1. Màng phản xạ trong hệ màng đa lớp 2. Màng TiN trên dụng cụ cắt gọt I. GIỚI THIỆU MÀNG TiN Một số tính chất của màng TiN : • Màng TiN là vật liệu có màu của kim lọai vàng, độ cứng cao (21 - 24 GPa) • Chịu nhiệt cao (nhiệt nóng chảy là 29500C) • Chống ăn mòn cao, oxy hóa chậm (bắt đầu oxy hóa ở 8000C) và có điện trở suất khá nhỏ (20 - 30µΩ.cm) • Độ phản xạ cao trong vùng hồng ngoại, chiết suất thấp và hệ số tắt cao Cấu trúc tinh thể của TiN: Có cấu trúc của muối ăn (NaCl) : • Ti lấp đầy những vị trí trong mạng lập phương tâm mặt (fcc) • N lấp đầy vị trí bát diện II. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT CỦA MÀNG 1. Xác định thông số quang học • 1.1. Phương pháp phổ truyền qua - Xác định được các thông số quang học của màng mỏng (độ dày, chiết suất, hệ số hấp thụ, hệ số tắt) tiến hành xác định phổ truyền qua của màng. Từ các thông số của phổ truyền qua thu được và bằng pp tính toán ta sẽ xác định được các thông số quang học của màng. - Sử dụng máy quang phổ truyền qua Hewlett Packard 1.2. Phương pháp Ellipsometry tanp i s r e r   Chiết suất n, hệ số tắt k của TiN thay đổi theo bước sóng. 2. Phương pháp xác định cấu trúc màng • 2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X 0.9 (2 ) cos b      Công thức Sherrer: 2.2. Phương pháp Stylus 2.3. Phép đo hiệu ứng Hall .( )L DF q V B     y x zq E q E B y x zE E B  . y Hall z x E R B j  . . 1 . . . . . x z Hall x z E B R E B q n q n           Ta có : Ở trạng thái cân bằng: 2.4. Phương pháp sử dụng phần mềm khớp phổ Scout • Mục đích: Xđ độ dày, chiết suất, độ rộng vùng cấm, điện trở suất, nồng độ hạt tải và độ linh động. • Nguyên tắc: - Khai báo các dữ liệu - Xđ loại phổ cần khớp, vẽ phổ lý thuyết của nó dựa trên các thsố đã khai báo - Chọn các thsố muốn khớp sao cho phổ lí thuyết trùng với phổ thực nghiệm nhất. - Thay đổi dần các thsố để kết quả khớp là tốt nhất. Từ đó ta xđ được các thsố của màng. II. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT CỦA MÀNG 3. Xác định điện trở suất • 3.1. Phương pháp đo điện trở vuông .R d  3.2. Phương pháp đo bốn mũi dò .sR d  . . ln 2 s U R G I   G : Số hiệu chỉnh (tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của mẫu) Với : III. ỨNG DỤNG • TiN được ứng dụng trong những lĩnh vực sau: • Màng phản xạ hồng ngoại trong hệ màng đa lớp. • Màng cứng phủ trên những dụng cụ cắt gọt, khoan, cưa, nghiền • Màng chống ăn mòn. • Hàng rào khuyếch tán trong vi mạch và công nghệ IC • Trang trí trên kim loại, oxit kim loại 1. Màng phản xạ trong hệ màng đa lớp 1.1. Giới thiệu 1.2. Thực nghiệm và kết quả • 1.2.1.Tính chất điện • 1.2.2.Tính chất quang 1.3. Kết luận 1.1. Giới thiệu Màng gương nóng truyền qua: • Màng có độ truyền qua cao ở vùng khả kiến (bước sóng: 380nm ≤ λ ≤ 760nm) và phản xạ cao ở vùng hồng ngoại ( λ ≥ 760nm). • Mục đích: Tiết kiệm điện năng tiêu thụ từ lò sưởi (vùng khí hậu lạnh) và từ máy lạnh (vùng khí hậu nóng) là vấn đề đang được quan tâm nhiều hiện nay Ba hướng tạo màng gương nóng truyền qua: • Màng dẫn điện như: Bạc, vàng và đồng..(màng kim loại thường không bền về nhiệt, cơ và hóa học) • Màng bán dẫn có độ phản xạ cao ở vùng hồng ngọai như: MgO, ZnO, NiO, SiO..(Màng bán dẫn phản xạ cao ở vùng bước sóng λ> 2000nm) • Màng đa lớp điện môi- kim loại -điện môi : SiO2/Al/SiO2, Al2O3/Mo/Al2O3, TiO2/Ag/TiO2, Al2O3/Cu/Al2O3 Màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2 • Màng đa lớp có khả năng khắc phục được nhược điểm của màng bán dẫn pha tạp là có vùng bước sóng phản xạ rộng λ> 760 nm nhưng bền hơn màng kim loại về cơ, nhiệt và hóa học. • TiO2 có chiết suất cao nên khử phản xạ tốt và nó là màng có độ bền cơ học cao • TiN có độ bền cơ học, hóa học lẫn nhiệt học rất cao 1.2. Thực nghiệm và kết quả Phương pháp phún xạ phản ứng Magnetron DC • Hệ chân không có áp suất tới hạn 10-4 torr • Bia Titanium, độ tinh khiết 99.6%, kích thước bia 100x100x6(mm). • Khí làm việc Argon (99.99%) và khí hoạt tính Nitơ (99.99%),tỉ lệ khí N2 so với Ar thay đổi từ 5% từ 15%. • Hệ Magnatron có kích thước 119x119x51(mm), từ trường do nam châm vĩnh cửu Ferit (350 Gauss) Phún xạ phản ứng Magnetron DC: Lý do chọn pp Phún xạ • Cần chế tạo màng TiN có chiết suất thấp, hệ số tắt k lớn ↔ màng có điện trở suất thấp hay độ phản xạ cao ở vùng hồng ngọai. Do đó, màng TiN phải có cấu trúc đặc, tức là mật độ khối lớn → cần phải tạo màng theo cơ chế nhiệt động học và động học. • Giảm điện trở suất của màng chủ yếu áp dụng cơ chế động học → tăng cường mật độ ion năng lượng cao đến màng → sử dụng hệ magnetron gần cân bằng • Chỉ sử dụng một loại bia nguyên liệu là TiN (Ngay cả khi tạo màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2) Hệ magnetron cân bằng Hệ magnetron không cân bằng Từ trường khép kín Các e chịu tác dụng của từ trường ngang e chủ yếu chuyển động gần bia Đế ít bị e va đập Đế ít bị đốt nóng Thích hợp tạo màng cho các loại đế không chịu được T0 cao: nhựa, giấy, B  (hướng vô) Từ trường không khép kín Các e ít chịu tác dụng của từ trường ngang e theo điện trường đến đế với v lớn Đế bị nhiều e va đập mạnh Đế bị đốt nóng Thích hợp tạo các màng yêu cầu T0 cao Điện trường 1.2. Thực nghiệm và kết quả • Quá trình tạo màng với áp suất 3.10-3 torr đến 6.10-3 torr, • Thế phún xạ thay đổi từ 350 V đến 650 V, Bề dày màng được xác định bằng phương pháp Stylus. Điện trở mặt của màng được xác định bằng phương pháp bốn mũi dò. Cấu trúc tinh thể và kích thước hạt của màng xác định từ phổ nhiễu xạ tia X. Chiết suất n và hệ số tắt k xác định bằng pp Ellipsometry 1.2.1.Tính chất điện Khảo sát ảnh hưởng của thế phún xạ theo tỉ lệ khí Nitơ và Argon: Khảo sát ảnh hưởng của thế phún xạ theo tỉ lệ khí Nitơ và Argon: • Điện trở suất giảm theo thế phún xạ, là do sự truyền xung lượng giữa ion và nguyên tử Titan tăng, làm tăng độ linh động của nguyên tử hấp thụ Titan trên bề mặt, dẫn đến phản ứng giữa Titan và Nitơ tăng cho màng hợp thức tốt • Kết quả cho thấy với tỉ lệ % của Nitơ và Ar là 10 thì thế phún xạ ngưỡng là 550 V, khi đó màng có điện trở suất thấp nhất Phổ nhiễu xạ của các màng TiN được tạo theo thế phún xạ khác nhau và các thông số: tỉ lệ N2/Ar là 10%; áp suất làm việc p=3mtorr: Khảo sát ảnh hưởng của thế phún xạ theo tỉ lệ khí Nitơ và Argon: • Khi tăng thế phún xạ đạt đến giá trị ngưỡng, cơ chế trung hòa Auger xảy ra có nghĩa là điện tử dẫn điện thứ nhất từ Ti chuyển qua trạng thái cơ bản của ion N2 bằng hiệu ứng đường hầm, trung hòa nó và đồng thời trao năng lượng thừa cho điện tử thứ hai trong vùng dẫn điện, kích thích nó lên miền năng lượng liên tục. • Vậy, khi tăng thế phún xạ, Nguyên tử trung hòa N2 giải phóng từ bề mặt bia Ti và được cấp năng lượng cỡ thế áp vào bia Khảo sát sự ảnh hưởng của điện trở suất theo khoảng cách bia đế Phổ nhiễu xạ của màng TiN được tạo với các thông số: Up=550V ; tỉ lệ N2/Ar là 10%; p=3mtorr, 200 0C. khoảng cách bia và đế thay được : h=3,5cm; h=4,5cm; h=5,5cm Khảo sát sự ảnh hưởng của điện trở suất theo nhiệt độ Sự ảnh hưởng của điện trở suất theo nhiệt độ đế: Phổ nhiễu xạ của các TiN với các thông số: Up=550 V; tỉ lệ N2/Ar là 10%; p = 3mtorr; khoảng cách bia đế là h=4,5 cm ; nhiệt độ thay đổi từ 2000C đến 4000C Khảo sát sự ảnh hưởng điện trở suất theo áp suất phún xạ: Phổ nhiễu xạ của các màng TiN được tạo theo áp suất phún xạ và các thông số: Up= 550 V; tỉ lệ N2/Ar là 10%,khỏang cách bia đế h =4,5cm; nhiệt độ 2000C 1.2.2.Tính chất quang Chiết suất n và hệ số tắt k của màng mỏng TiN Chiết suất n và hệ số tắt k của mẫu L1 theo bước sóng Chiết suất n và hệ số tắt k của màng mỏng TiN • Từ công thức thực nghiệm: Rs là điện trở mặt của màng →khi màng có Rs nhỏ thì hệ số phản xạ R lớn 2 0 0(1 2 )sR c R   0 0 1 376 c   Phổ phản xạ của mẫu L1 theo bước sóng Phổ phản xạ của mẫu L4 theo bước sóng 1.3. KẾT LUẬN • Màng TiN tạo được có cấu trúc tinh thể cao, tồn tại đủ các mặt mạng (111), (200) và (311). • Màng có điện trở suất thấp ρ=35µΩ.cm ứng với các thông số tạo màng tối ưu: Thế phún xạ ngưỡng Up=550V, tỉ lệ N2/Ar = 10%, khoảng cách giữa bia đế h = 4,5cm, áp suất phún xạ tòan phần P = 3.10-3 torr, nhiệt độ đế 2000C. • Chiết suất và hệ số tắt của màng ở bước sóng 550nm là 1,14 và 2,13. Theo lý thuyết Drude 2 2 p2 2 2 2 2 (n ik) ' n k (1 )              2 p 2 2 '' 2nk ( )          Liên hệ giữa tính chất quang và điện:  2 21n 2          2 21k 2        và p - tần số cộng hưởng plasma o,  - hằng số điện môi trong môi trường và chân không * em - khối lượng hiệu dụng của các hạt mang điện - mật độ hạt mang điện 1    - thời gian hồi phục * e 1 e m       N Liên hệ giữa tính chất quang và điện: 0 1   hay  << Vùng hấp thụ o o 2 R 1 2 4      2 2 2 2 (n 1) k R (n 1) k      p n ~ k / 2 1 2       2 2 o* * Ne 1 Ne m m        Với Hagen-Rubens o 2 2 o 24n 2 A 1 R 2 (n 1) k k 4           Đối với màng rất mỏng 2 2 o S S o S o S Z R 2R R 1 Z R Z R                o o 1 Z 376 c     trở kháng phông chính là trở kháng của không gian tự do Do RS << Z0 2S 0 2R R (1 ) Z   Màng có điện trở mặt nhỏ hay có độ dẫn điện tốt, cho kết quả phản xạ cao Hagen-Rubens Vùng phản xạ p 1      2 p' 1 0               2 p 3 " 1        1/ 2 p 2 n 2      2 p p 1/ 2k 1             và khi bề dày của màng lớn hơn bề dày lớp da  thì hệ số phản xạ sẽ là : 1/ 2 p 2 R 1      Hệ số phản xạ R lớn, độc lập với bước sóng Vùng truyền qua p   2 p ' 1              2 p 3 " 1        và 2 p1/ 2 1/ 2n 1            2 p1/ 2 3 k 0 2        Trường hợp này vật liệu gần như trong suốt 2. Màng TiN trên dụng cụ cắt gọt • 2.1. Giới thiệu • 2.2. Thực nghiệm và kết quả. • 2.3. Kết luận 2.1. Giới thiệu • Nghiên cứu để tạo các loại màng phức hợp (composite) có độ cứng, độ chống mài mòncao để phủ lên các vật liệu khối có thể giòn, dễ gãy nhưng rẻ tiền để tăng hiệu quả của sản phẩm • TiN độ cứng cỡ 2300 HV (so với Kim cương 10.000 HV) →phủ màng TiN lên vật liệu bằng thép thường, thép vận tốc cao (HSS) và tungsten carbide (WC) bằng phương pháp phún xạ mạ ion (SIP-Sputter Ion Plating) 2.1. Giới thiệu • Một số loại mũi khoan đã được phủ màng TiN: • Vật liệu bằng thép thường, thép vận tốc cao (HSS) và tungsten carbide (WC) Phương pháp phún xạ mạ ion (SIP- Sputter Ion Plating) • Cơ chế tương tự phún xạ Magnetron phẳng. Tuy nhiên nó còn kết hợp thêm một thế hiệu dịch âm đặt lên đế phủ màng. • Tác dụng: - Thế âm áp vào để thay đổi dòng và năng lượng của hạt phún xạ (thế âm cỡ -5→-300V) làm giảm sự bắn phá đế bởi ion →tăng mật độ màng,màng phẳng hơn, tăng độ bám dính.. - Thế âm áp lên đế đủ để giải hấp những loại khí hấp phụ trên đế, đồng thời làm tăng năng lượng bề mặt đế, giúp tăng cường khuyếch tán bề mặt của các nguyên tử bia. 2.2. Thực nghiệm và kết quả • Hệ sử dụng là hệ magnetron phẳng: (Kathod) Đế (Anod) S N N N N Phún xạ mạ ion (Ion Plating) Ti N2 TiN Ưu điểm: không đốt nóng trực tiếp vật liệu, không gây phản ứng giữa chất bay hơi với thuyền nung như trong kỹ thuật nhiệt bốc bay nên tạo màng hợp kim khá dễ dàng, phản ứng được kích hoạt bằng plasma và thế nên nhiệt độ đế rất thấp so với phương pháp CVD phải kích hoạt phản ứng bằng nhiệt độ Các thông số tối ưu cho quá trình tạo màng: • Dòng phóng điện Ia: 0,8 → 1,2A • Áp suất khí còn lại: 10-5 torr • Áp suất khí làm việc: 10-3 → 5.10-3torr • Khoảng giữa bia và đế h: 3 → 5cm • Thời gian phủ màng: 60 phút • Thế dịch của đế Vd: -100V • Thế của bia: -480 → -540V • Tỷ lệ hỗn hợp khí Nitơ và Argon ban đầu: 1/8 • Vật liệu đế: Thép thường, WC (tungsten carbide), HSS (high speed steel) Yêu cầu màng TiN: 1. Ứng suất • Ứng suất là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích của mặt cắt dọc có thứ nguyên là lực (N/m2 hay Pa). Ứng suất phụ thuộc vào đại lượng (∆x/x). Do đó dựa vào dạng ứng suất ta thấy: Ứng suất nén là âm, ứng suất căng là dương. • Ứng suất cần thiết cho màng mỏng phủ lên dụng cụ cắt gọt là ứng suất nén. Yêu cầu màng TiN: 2. Độ cứng Độ cứng là thước đo sức bền của vật liệu khi bị va chạm hay bị trầy xước Độ cứng bản chất của màng TiN phụ thuộc vào áp suất riêng phần của Nitơ trong quá trình tạo màng, vì trong các hợp thức được tạo ra giữa nitơ và titan thì TiN là hợp thức có độ cứng cao nhất. Độ cứng màng thay đổi theo nhiệt độ: Yêu cầu màng TiN: 3. Độ bám dính Là đại lượng đặc trưng cho khả năng liên kết giữa các hạt vật chất màng và đế. Để được độ bám dính cao cần thõa mãn hai yếu tố: • Ứng suất nén vừa đủ • Có lớp tiếp giáp giữa hai môi trường màng và đế Để đạt được điều đó trước tiên bề mặt của đế cần được xử lý sạch 2.3. Kết luận Thí nghiệm đạt được kết quả tốt với những vật liệu sau: • Mạ TiN trên đế thép thường (của Đức và Liên Xô) • Mạ TiN trên đế WC • Mạ TiN trên đế HSS Khả năng sử dụng tăng lên gấp 10 lần CẢM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN !!