Đề tài Chế tạo màng đa lớp zno/ag/zno ở nhiệt độ phòng

CHẾ TẠO MÀNG ĐA LỚP ZnO/Ag/ZnO Ở NHIỆT ĐỘ PHÒNG Thực hiện: Nguyễn Văn Thọ CBHD: TS Lê Trấn Tổng Quan • Màng dẫn điện trong suốt TCO được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị quang điện, màn hình hiển thị, pin mặt trời Mành hình hiển thị Pin mặt trời Tuy nhiên những màng TCO này có điện trở khá cao TỔNG QUAN • Vì vậy đã có nhiều hướng nghiên cứu nhằm tạo ra màng có độ dẫn điện cao • Gần đây có nhiều tác giả phát triển màng đa lớp ITO/Kim loại(10 nm)/ITO (IMI) ITO Kim Loại ITO TỔNG QUAN • Màng IMI tạo ra có nhiều ưu điểm vượt trội so với màng TCO như độ dẫn điện cao, có độ truyền qua cao trong dải bước sóng nhìn thấy và bề dày nhỏ hơn so với TCO • Tuy nhiên để chế tạo màng IMI có chi phí cao khi chế tạo bia ITO và màng ITO thường độc ITO Kim Loại ITO Tổng Quan • Vấn đề là phải thay thế ITO bằng một vật liệu khác có giá thành rẻ hơn và ít độc, nhưng màng tạo ra vẫn có tính chất tương tự. • ZnO có thể thay thế ITO tốt nhất vì nó rẻ không độc, rễ kiếm trong tự nhiên ZnO Kim Loại ZnO TỔNG QUAN • Tính chất quang và tính chất đện của màng phụ thuộc vào lớp kim loại • Ag là kim loại có độ dẫn diện tốt nhất cho màng ITO/Ag/ITO. Màng ITO/Ag/ITO đã được tạo ra với độ dẫn điện và độ truyền qua tốt. Trong những báo cáo gần đây chưa đề cập tới việc chọn Ag cho lớp cơ bản ZnO. Vì vậy chúng tôi phát triển màng ZnO/Ag/ZnO ZnO Ag ZnO THỰC NGHIỆM • Màng ZnO và ZnO/Ag/ZnO được chế tạo trên đế thủy tinh. • Bia Ag có độ tinh khiết 99.999%, bán kính 7.62 cm, bề dày 0.64 cm • Bia ZnO có độ tinh khiết 99.9995% bán kính 7.62 cm, bề dày 0.64 cm 0.64 cm 7.62 cm Đế thủy tinh THỰC NGHIỆM • Đế thủy tinh được sử lý bề mặt bằng siêu âm trong acetone, rửa trong nước tinh khiết. và sau đó được sấy khô bằng dòng khí N trước khi tạo màng. • Phương pháp tạo màng được chọn là Phún xạ magnetron RF và DC do nó dễ dàng diều chỉnh các thông số tạo màng Hệ phún xạ magneton THỰC NGHIỆM • Đế thủy tinh được sử lý bề mặt bằng siêu âm trong acetone, rửa trong nước tinh khiết. và sau đó được sấy khô bằng dòng khí N trước khi tạo màng. • Phương pháp tạo màng được chọn là Phún xạ magnetron RF và DC do nó dễ dàng diều chỉnh các thông số tạo màng Hệ phún xạ magneton THỰC NGHIỆM • Khỏang cách bia đế 53 mm. áp suất buồng phún xạ 6.10-3 Torr trong khí Ar tinh khiết. Tốc độ quay của đế được điều chỉnh ở 18 vòng/phút (rpm). • Độ dày của màng ZnO được phủ trong khoảng 20 nm đến 100 nm và màng Ag trong khoảng từ 1 nm đến 15 nm. 53 mm 6.10-3 Torr THỰC NGHIỆM • Độ dày của màng được đo bằng phương pháp surface profiler (Alpha-step 500, TENCOR) và FE-SEM (XL-40 FEG field emission scanning electron microscope) • Nghiên cứu cấu trúc màng sử dụng nhiễu xạ kế tia X (XRD) Regaku (D/MAX 2500). Điện trở suất được xác định bằng phương pháp 4 mũi dò. Thính chất quang học được đo bằng quang phổ kế UV–vis–IR (HewlettPackard 8452A diode array spectrophotometer) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN • Khi bề dày của lớp Ag tăng Hình 1: Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của màng ZnO và ZnO/Ag/ZnO xuất hiện đỉnh nhiễu xạ dọc theo (2 0 0) •có sự đóng góp của Ag vào quá trình hình thành mạng đa tinh thể ở vùng gần lớp tiếp xúc. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Điện trở suất đo được của màng đa lớp khi lớp Ag 6 nm là 3 ohm/sq Hình 2: Sự phụ thuộc của điện trở suất của màng ZnO/Ag/ZnO vào độ dày của lớp Ag đối với ZnO có bề dày (a) 20 nm, (b) 30 nm, (c) 50nm Điện trở suất giảm nhanh khi độ dày của lớp Ag tăng tới 6nm KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tính chất điện của màng đa lớp phụ thuộc vào tác động của lớp Ag vào lớp ZnO ở gần lớp tiếp xúc. Hình 2: Sự phụ thuộc của điện trở suất của màng ZnO/Ag/ZnO vào độ dày của lớp Ag đối với ZnO có bề dày (a) 20 nm, (b) 30 nm, (c) 50nm Khi bề dày của lớp Ag tăng lớn hơn 6 nm điện trở suất hầu như không thay đổi KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Đối với màng đa lớp ZnO/Ag/ZnO có sự dịnh chuyển đỉnh phổ về phía bước sóng dài Hình 3: Sự phụ thuộc độ truyền qua của màng đa lớp ZnO/Ag/ZnO lên độ dày của lớp Ag Đối với phổ của màng đơn lớp ZnO xuất hiện đỉnh phổ ở gần 450 nm với độ truyền qua trên 80% KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 3: Sự phụ thuộc độ truyền qua của màng đa lớp ZnO/Ag/ZnO lên độ dày của lớp Ag Ở bề dày 6 nm của lớp Ag độ truyền qua của màng ZnO/Ag/ZnO đạt trên 90% ở bước sóng 580 nm KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 4: Sự phụ thuộc của độ truyền qua cực đại của màng đa lớp ở bước sóng 580 nm lên bề dày của lớp Ag đối với lớp ZnO ở: (a) 20 nm, (b) 30 nm, (c) 50 nm,(d) 100 nm Khi đo độ truyền qua của màng đa lớp với độ dày các lớp khác nhau ở bước sóng 580 nm. Ta luôn đạt được cực đại khi độ dày lớp Ag ở 6 nm KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 4: Sự phụ thuộc của độ truyền qua cực đại của màng đa lớp ở bước sóng 580 nm lên bề dày của lớp Ag đối với lớp ZnO ở: (a) 20 nm, (b) 30 nm, (c) 50 nm,(d) 100 nm •Theo báo cáo của M.Fahland, P. Karlsson, C. Charton, Thin Solid Films 392 (2001) 334 và G. Leftheriotis, P. Yianoulis, D. Patrikios, Thin Solid Films 306 (1997) 92. Một lớp Ag liên tục có độ hấp thụ thấp và độ dẫn điện tốt. Lớp Ag mỏng được xem là trong suốt trong dải bước sóng nhìn thấy KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 4: Sự phụ thuộc của độ truyền qua cực đại của màng đa lớp ở bước sóng 580 nm lên bề dày của lớp Ag đối với lớp ZnO ở: (a) 20 nm, (b) 30 nm, (c) 50 nm,(d) 100 nm •Ở độ dày dưới mức tới hạn điện trở suất và độ hấp thụ của màng tăng nhanh •Do có sự chuyển từ dạng màng liên tục sang dạng ốc đảo tách biệt của nguyên tử Ag KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 5: Sự phụ thuộc của độ truyền qua màng ZnO/Ag/ZnO lên độ dày của lớp ZnO •Phổ truyền qua của màng ZnO/Ag/ZnO có sự dịch chuyển bờ hấp thụ về phía bước sóng dài •Phổ truyền qua của màng (20nm)ZnO/Ag/ZnO(20nm) có độ truyền qua cao nhất, hơn 90% KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 5: Sự phụ thuộc của độ truyền qua màng ZnO/Ag/ZnO lên độ dày của lớp ZnO •S.S. Lin, J.L. Huang báo cáo trong [24, 25] đối với Ti- và Al- pha tạp vào màng ZnO, độ ghồ ghề sẽ tăng khi tăng bề dày •Màng (ZnO/Ag/ZnO với độ dày lớp ZnO 20nm sẽ có độ ghồ ghề nhỏ nhất KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 5: Sự phụ thuộc của độ truyền qua màng ZnO/Ag/ZnO lên độ dày của lớp ZnO •G. Laukaitis, S. Lindroos, S. Tamulevieius, M. Leskela trong công trình [26] đã báo cáo rằng độ ghồ ghề rất gần với sự phát triển cấu trúc hình học của màng •Yếu tố này sẽ ảnh hưởng tới phổ truyền qua và độ dẫn điện của màng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 6: Hình chụp AFM của màng ZnO/Ag/ZnO với độ dày lớp ZnO khác nhau (a) 20 nm, (b) 50 nm and (c) 100 nm KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 7: Ảnh cross-sectional SEM của màng ZnO(50 nm)/Ag(6 nm)/ ZnO(50 nm) •Lớp Ag không cố định. Có sự khếch tán lớp Ag vào lớp Ag •Làm thay đổi độ ghồ ghề của màng và như vậy cũng làm thay đổi cấu trúc hình học của màng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 8: Sự phụ thuộc của điện trở suất và độ truyền qua cực đại lên độ dày của lớp Ag đối với màng ZnO(20 nm)/Ag/ZnO(20 nm) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 9: So sánh giữa những màng ZnO/Ag/ZnO có bề dày lớp Ag khác nhau và lớp ZnO có độ dày là 20, 30 và 50 nm KẾT LUẬN Nhiều cấu trúc màng đa lớp ZnO/Ag/ZnO đã được tạo ra và khảo sát tính chất điện, quang. Màng đa lớp tốt nhất đạt được có điện trở suất 3 ohm/sq với độ truyền qua trên 90% ở bước sóng 580 nm. Có thể tổng hợp điện cực có điện trở suất nhỏ ở nhiệt độ phòng không cần sử dụng đế ở nhiệt độ cao hoặc ủ nhiệt. Có thể chế tạo màng loại này trên vật liệu polymer