Khóa luận Chế tạo và nghiên cứu tính chất cấu trúc, tính chất quang của bột ZnO chế tạo bằng phương pháp sol-Gel và màng ZnO chế tạo bằng phương pháp phun tĩnh điện

ZnO là chất bán dẫn thuộc loại AIIBVI, có vùng cấm rộng ở nhiệt độ phòng cỡ 3.3 eV [23], chuyển rời điện tử thẳng, exiton tự do có năng lượng liên kết lớn ( cỡ 60 meV). ZnO được ứng dụng trong [24,28] thiết bị phát xạ UV, pin mặt trời , thiết bị sóng âm khối, thiết bị sóng âm bề mặt. So với các chất bán dẫn khác, ZnO có được tổ hợp của nhiều tính chất quý báu, bao gồm tính chất điện, tính chất quang và áp điện, nhiệt độ thăng hoa và nóng chảy cao, bền vững với môi trường hidro, tương thích với các ứng dụng trong môi trường chân không, [24] ngoài ra ZnO còn là chất dẫn nhiệt tốt, tính chất nhiệt ổn định. Do có nhiều tính chất ưu việt như vậy nên vật liệu ZnO có nhiều ứng dụng trong khoa học công nghệ và đời sống. Mặt khác bán dẫn ZnO còn là môi trường tốt để pha thêm các ion quang tích cực. Vì thế pha thêm các ion kim loại chuyển tiếp vào bán dẫn ZnO tạo thành bán dẫn từ pha loãng(DMSs) có khả năng mang đầy đủ các tính chất: điện, quang, từ mở ra nhiều ứng dụng đặc biệt là các thiết bị điện tử nền spin .[20]. Nano tinh thể là vật liệu đang được các nhà khoa học quan tâm , do những đặc tính vật lý mới mà vật liệu khối không có được. Những nano tinh thể có kích thước nhỏ hơn bán kính exiton Borh được gọi là các chấm lượng tử. Ở đó xuất hiệu ứng đặc biệt mà vật liệu khối không có được, đó là hiệu ứng giam giữ lượng tử . Các tính chất vật lý của vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu chế tạo được nhỏ hơn kích thước này thì xuất hiện nhiều tính chất mới rất phong phú [10]. Vì thế việc nghiên cứu và chế tạo vật liệu ZnO kích thước nano có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Vật liệu ZnO có thể tồn tại 2 dạng : bột và màng trong đó mỗi loại có những ứng dụng khác nhau: Màng mỏng ZnO có nhiều ứng dụng trong đời sống: chế tạo pin mặt trời do màng mỏng ZnO có độ dẫn điện và độ truyền qua cao, chế tạo diot phát quang, do ZnO có khả năng tránh tác dụng của điện từ trường và tia tử ngoại vì nó có khả năng hấp thụ ánh sáng tử ngoại, chế tạo các sensor khí và vật liệu áp điện . Bột ZnO được trộn trong kem, mỹ phẩm hoặc phấn rôm có tác dụng hấp thụ tia tử ngoại bảo vệ da, làm chất phụ gia trong công nghiệp sơn. Khi pha tạp chất thích hợp bột ZnO dùng làm chất quang dẫn trong công nghệ ảnh, công nghệ gốm và chế tạo các vasistor [ 6]. Bên cạnh đó vật liêụ bán dẫn ZnO pha thêm kim loại chuyển tiếp có thể có cả tính chất của vật liệu từ và tính chất của vật liệu bán dẫn, có tên gọi là bán dẫn từ pha loãng ( DMSs), hiện nay loại vật liệu này đang được nghiên cứu một cách rộng rãi và có nhiều kết quả đáng chú ý. Do những đặc tính quý báu và khả năng ứng dụng cao nên ZnO được chọn làm đối tượng nghiên cứu của khóa luận. Dựa trên những điều kiện hiện có của phòng thí nghiệm em lựa chọn đề tài: “ Chế tạo và nghiên cứu tính chất cấu trúc, tính chất quang của bột ZnO chế tạo bằng phương pháp sol-gel và màng ZnO chế tạo bằng phương pháp phun tĩnh điện ”. Kế thừa công nghệ chế tạo bột và màng ZnO. Mục đích của khóa luận: Chế tạo: - Chế tạo mẫu bột ZnO bằng phương pháp sol-gel - Chế tạo mẫu màng ZnO bằng phương pháp phun tĩnh điện Nghiên cứu : - Khảo sát cấu trúc tinh thể của bột ZnO ở các nhiệt độ ủ khác - Khảo sát tính chất cấu trúc và tính chất bề mặt của mẫu màng ở các nhiệt độ đế khác nhau. Đối tượng nghiên cứu: Bột ZnO, màng ZnO được chọn làm đối tượng nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu : - Các mẫu màng chế tạo bằng phương pháp phun tĩnh điện từ dung dịch chế tạo bằng phương pháp sol-gel. - Mẫu bột chế tạo bằng phương pháp sol-gel. Bố cục luận văn: gồm 56 trang, 50 hình vẽ, chia thành 3 chương: Chương I: Trình bày tổng quan về vật liệu ZnO. Chương II: Giới thiệu về các công nghệ chế tạo, các phương pháp nghiên cứu bột và màng ZnO. Chương III : Chế tạo và kết quả. Cuối cùng là phần kết luận và tài liệu tham khảo.

doc60 trang | Chia sẻ: tuandn | Lượt xem: 7086 | Lượt tải: 10download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Khóa luận Chế tạo và nghiên cứu tính chất cấu trúc, tính chất quang của bột ZnO chế tạo bằng phương pháp sol-Gel và màng ZnO chế tạo bằng phương pháp phun tĩnh điện, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
MỞ ĐẦU ZnO là chất bán dẫn thuộc loại AIIBVI, có vùng cấm rộng ở nhiệt độ phòng cỡ 3.3 eV [23], chuyển rời điện tử thẳng, exiton tự do có năng lượng liên kết lớn ( cỡ 60 meV). ZnO được ứng dụng trong [24,28] thiết bị phát xạ UV, pin mặt trời , thiết bị sóng âm khối, thiết bị sóng âm bề mặt. So với các chất bán dẫn khác, ZnO có được tổ hợp của nhiều tính chất quý báu, bao gồm tính chất điện, tính chất quang và áp điện, nhiệt độ thăng hoa và nóng chảy cao, bền vững với môi trường hidro, tương thích với các ứng dụng trong môi trường chân không, [24] ngoài ra ZnO còn là chất dẫn nhiệt tốt, tính chất nhiệt ổn định. Do có nhiều tính chất ưu việt như vậy nên vật liệu ZnO có nhiều ứng dụng trong khoa học công nghệ và đời sống. Mặt khác bán dẫn ZnO còn là môi trường tốt để pha thêm các ion quang tích cực. Vì thế pha thêm các ion kim loại chuyển tiếp vào bán dẫn ZnO tạo thành bán dẫn từ pha loãng(DMSs) có khả năng mang đầy đủ các tính chất: điện, quang, từ mở ra nhiều ứng dụng đặc biệt là các thiết bị điện tử nền spin….[20]. Nano tinh thể là vật liệu đang được các nhà khoa học quan tâm , do những đặc tính vật lý mới mà vật liệu khối không có được. Những nano tinh thể có kích thước nhỏ hơn bán kính exiton Borh được gọi là các chấm lượng tử. Ở đó xuất hiệu ứng đặc biệt mà vật liệu khối không có được, đó là hiệu ứng giam giữ lượng tử . Các tính chất vật lý của vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu chế tạo được nhỏ hơn kích thước này thì xuất hiện nhiều tính chất mới rất phong phú [10]. Vì thế việc nghiên cứu và chế tạo vật liệu ZnO kích thước nano có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Vật liệu ZnO có thể tồn tại 2 dạng : bột và màng trong đó mỗi loại có những ứng dụng khác nhau: Màng mỏng ZnO có nhiều ứng dụng trong đời sống: chế tạo pin mặt trời do màng mỏng ZnO có độ dẫn điện và độ truyền qua cao, chế tạo diot phát quang, do ZnO có khả năng tránh tác dụng của điện từ trường và tia tử ngoại vì nó có khả năng hấp thụ ánh sáng tử ngoại, chế tạo các sensor khí và vật liệu áp điện ... Bột ZnO được trộn trong kem, mỹ phẩm hoặc phấn rôm có tác dụng hấp thụ tia tử ngoại bảo vệ da, làm chất phụ gia trong công nghiệp sơn. Khi pha tạp chất thích hợp bột ZnO dùng làm chất quang dẫn trong công nghệ ảnh, công nghệ gốm và chế tạo các vasistor [ 6]. Bên cạnh đó vật liêụ bán dẫn ZnO pha thêm kim loại chuyển tiếp có thể có cả tính chất của vật liệu từ và tính chất của vật liệu bán dẫn, có tên gọi là bán dẫn từ pha loãng ( DMSs), hiện nay loại vật liệu này đang được nghiên cứu một cách rộng rãi và có nhiều kết quả đáng chú ý. Do những đặc tính quý báu và khả năng ứng dụng cao nên ZnO được chọn làm đối tượng nghiên cứu của khóa luận. Dựa trên những điều kiện hiện có của phòng thí nghiệm em lựa chọn đề tài: “ Chế tạo và nghiên cứu tính chất cấu trúc, tính chất quang của bột ZnO chế tạo bằng phương pháp sol-gel và màng ZnO chế tạo bằng phương pháp phun tĩnh điện ”. Kế thừa công nghệ chế tạo bột và màng ZnO. Mục đích của khóa luận: Chế tạo: - Chế tạo mẫu bột ZnO bằng phương pháp sol-gel - Chế tạo mẫu màng ZnO bằng phương pháp phun tĩnh điện Nghiên cứu : - Khảo sát cấu trúc tinh thể của bột ZnO ở các nhiệt độ ủ khác - Khảo sát tính chất cấu trúc và tính chất bề mặt của mẫu màng ở các nhiệt độ đế khác nhau. Đối tượng nghiên cứu: Bột ZnO, màng ZnO được chọn làm đối tượng nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu : - Các mẫu màng chế tạo bằng phương pháp phun tĩnh điện từ dung dịch chế tạo bằng phương pháp sol-gel. - Mẫu bột chế tạo bằng phương pháp sol-gel. Bố cục luận văn: gồm 56 trang, 50 hình vẽ, chia thành 3 chương: Chương I: Trình bày tổng quan về vật liệu ZnO. Chương II: Giới thiệu về các công nghệ chế tạo, các phương pháp nghiên cứu bột và màng ZnO. Chương III : Chế tạo và kết quả. Cuối cùng là phần kết luận và tài liệu tham khảo. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Cấu trúc tinh thể - Tinh thể ZnO tồn tại dưới 3 dạng cấu trúc: Cấu trúc lục giác Wurtzite ở điều kiện thường, cấu trúc lập phương giả kẽm ở nhiệt độ cao và cấu trúc lập phương kiểu NaCl xuất hiện ở áp suất cao. 1.1 Cấu trúc lập phương kiểu lục giác Wurtzite Bảng 1 : Mô tả các chỉ số đặc trưng của vật liệu bán dẫn khối ZnO tại nhiệt độ phòng [18] Thuộc tính  Giá trị   Các thông số mạng tại 300K    a0  0.32495 nm   c0  0.52069 nm   c0/a0  1.602   u  0.345   Khối lượng riêng  5.606 g/cm3   Pha bền tại 300K  Wurtzite   Điểm nóng chảy  1975 0C   Hắng số điện môi  8.656   Chiết suất  2.008; 2.029   Vùng cấm  Thẳng; độ rộng: 3.3 eV   Năng lượng liên kết exciton  60 meV   Khối lượng electron hiệu dụng  0.24   Khối lượng lỗ trống hiệu dụng  0.59   Độ linh động Hall ở 300K  200cm2(Vs)-1   Đây là cấu trúc bền vững của tinh thể ZnO. Trong cấu trúc này, mỗi ô mạng có 2 phân tử ZnO, trong đó 2 nguyên tử Zn nằm ở vị trí có toạ độ (0,0,0) và (1/3,2/3,1/2) còn 2 nguyên tử O nằm ở vị trí có toạ độ (0,0,u) và (1/3,1/3,1/2+u) với u =3/5. Mạng lục giác Wurtzite có thể coi là 2 mạng lục giác lồng vào nhau, một mạng chứa các anion O2- và một mạng chứa các cation Zn2+. Mỗi nguyên tử Zn liên kết với 4 nguyên tử O nằm ở 4 đỉnh của một tứ diện, trong đó 1 nguyên tử ở khoảng cách u.c, 3 nguyên tử còn lại ở khoảng cách [1/3 a2 + c2( u - 1/2 )2 ]1/2 . Ở 300K, ô cơ sở của ZnO có hằng số mạng a = b = 3,249Å và c = 5,206Å [11].Với cấu trúc Wurtzite mạng ZnO có các mạng phân cực tạo bởi các mặt điện tích dương của mạng Zn2+ và mặt mạng âm của mạng O2- xen kẽ nhau. Các trục phân cực cơ bản xếp theo phương [0001] Mô hình cấu trúc lục giác Wurtzite được mô tả trên hình 1.1. Trong ô cơ sở tồn tại 2 trục phân cực song song với phương (0,0,1). Khoảng cách giữa các mặt phẳng mạng có chỉ số Miller (hkl) trong hệ lục giác Wurzite là: 1.2 Cấu trúc lập phương đơn giản kiểu NaCl Đây là cấu trúc giả bền của ZnO xuất hiện ở áp suất cao. Trong cấu trúc này mỗi ô cơ sở gồm 4 phân tử ZnO. Lý thuyết và thực nghiệm[11] đã chứng minh : Nếu áp suất chuyển pha được tính khi một nửa lượng vật chất đã hoàn thành quá trình chuyển pha thì áp suất chuyển pha từ lục giác Wurzite sang lập phương khoảng 8,7 GPa. Khi áp suất giảm tới 2 GPa thì cấu trúc lập phương kiểu NaCl lại biến đổi thành cấu trúc lục giác Wurzite. Hằng số mạng của cấu trúc lập phương kiểu NaCl khoảng 4,27Å [11]. 1.3 Cấu trúc lập phương giả kẽm Ở nhiệt độ cao, tinh thể ZnO tồn tại ở cấu trúc lập phương giả kẽm. Đây là cấu trúc giả bền của ZnO. Trong cấu trúc này, mỗi ô mạng có 4 phân tử ZnO trong đó 4 nguyên tử Zn nằm ở vị trí có toạ độ: (1/4,1/4,1/4); (1/4,3/4,3/4); (3/4,1/4,3/4); (3/4,3/4,1/4) và 4 nguyên tử Oxy nằm ở vị trí có toạ độ: (0,0,0); (0,1/2,1/2); (1/2,0,1/2); (1/2,1/2,0) [11]. Mô hình cấu trúc lập phương giả kẽm được mô tả trên hình 1.4 2. Cấu trúc vùng năng lượng 2.1. Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO ở dạng lục giác Wurzite Vật liệu ZnO có cấu trúc năng lượng vùng cấm thẳng, với độ rộng vùng cấm 3.3 eV ở nhiệt độ phòng. Cấu hình đám mây điện tử của nguyên tử O là: 1s22s22p4 và của Zn là: 1s22s22p63s23p63d104s2. Trạng thái 2s, 2p và mức suy biến bội ba trong trạng thái 3d của Zn tạo nên vùng hóa trị . Trạng thái 4s và suy biến bội hai của trạng thái 3d trong Zn tạo nên vùng dẫn [2]. Từ cấu hình điện tử và sự phân bố điện tử trong các quỹ đạo chúng ta thấy rằng Zn và Zn2+ không có từ tính bởi vì các quỹ đạo đều được lấp đầy các điện tử, dẫn đến moment từ của các điện tử bằng không. Theo Biman, cấu trúc vùng năng lượng của ZnO ở vùng dẫn có đối xứng Γ7, còn vùng hóa trị có cấu trúc trúc suy biến bội ba ứng với ba vùng hóa trị khác nhau, và hàm sóng của lỗ trống của các vùng con này lần lượt có đối xứng là Γ9, Γ7 và Γ7. Nhánh cao nhất trong vùng hóa trị có đối xứng Γ9, hai nhánh thấp hơn có cùng đối xứng Γ7. Chuyển dời Γ9→Γ7 là chuyển dời cho phép sóng phân cực có E vuông góc với K, còn chuyển dời Γ7→Γ7 cho phép với mọi phân cực. Thông qua việc khảo sát các kết quả thực nghiệm về phổ hấp thụ và phổ phát xạ, Thomas đã đồng nhất ba vùng hấp thụ exciton là ba vùng A, B, C lần lượt tương ứng với độ rộng khe năng lượng là 3.3708, 3.378, 3.471 eV tại nhiệt độ 77K, tương ứng với ba nhánh trong vùng hóa trị.. Tuy nhiên, theo kết qủa thực nghiệm, người ta thấy có sự thay đổi thứ tự đối xứng giữa hai nhánh vùng hóa trị nói trên. Thứ tự của chúng phải là Γ7 đối với vùng cao nhất, và Γ9 đối với vùng tiếp theo, và cuối cùng là Γ7. Điều này cho thấy sự tách quỹ đạo spin của bán dẫn ZnO, và ngược so với các bán dẫn AIIBVI khác. Hình 1.5 Vùng Brilouin của cấu trúc lục giác Wurzite  Hình 1.6 Cấu trúc đối xứng vùng năng lượng của ZnO   Các véc tơ tịnh tiến của ô cơ sở [2] là: =a ( 1, - , 0); = a ( 1, , 0); = c ( 0, 0, 1) Các véc tơ trong không gian mạng đảo được xác định: = 2a-1(1,, 0);  = 2a-1(1, , 0); =2 c-1(0,0,1) Vùng Brilouin của ô cơ sở của cấu trúc lục giác Wurzite có dạng khối lục lăng 8 mặt. Sơ đồ vùng Brilouin và sơ đồ vùng năng lượng được trình bày trên hình 1.5 và 1.6. 2.2. Cấu trúc vùng năng lượng của mạng lập phương giả kẽm Mạng lập phương giả kẽm có đối xứng tịnh tiến của mạng lập phương tâm mặt [11] nên có các véc tơ cơ sở là: =a ( 1, 1, 0); = a ( 1, 0, 1); = a ( 0, 1, 1) Do đó, mạng đảo là mạng lập phương tâm khối, có các véc tơ cơ sở: = 2a-1(1,, 0);  = 2a-1(1, , 0); =2 c-1(0,0,1) Vậy vùng Brilouin là khối bát diện cụt. 2.3 Cấu trúc vùng năng lượng của mạng lập phương kiểu NaCl Mạng này có đối xứng kiểu lập phương tâm mặt nên cũng có các véc tơ cơ sở giống với các véc tơ cơ sở của mạng lập phương giả kẽm. Vì vậy, vùng Brilouin cũng giống như của mạng lập phương giả kẽm [2]. 3. Tính chất điện của vật liệu ZnO Mạng tinh thể ZnO tạo bởi sự liên kết của Zn2+ và O2-.trong tinh thể hoàn hảo không xuất hiện các hạt tải tự do do đó ZnO là chất điện môi [ 3] . Trong thực tế mạng tinh thể không hoàn hảo, mạng tinh thể có những sai hỏng do: - Hỏng mạng do nút khuyết hay nguyên tử tạp. - Hỏng biên hay bề mặt do lệch mạng hay khuyết tật bọc. - Khuyết tật phức tạp do sự tương tác hay kết hợp những khuyết tật thành phần. ZnO thường là bán dẫn loại n do khuyết nút O. Nồng độ hạt tải nhỏ ( <10-6 cm). Theo [8] ta có thể chế tạo màng ZnO với độ dẫn điện cao bằng cách ủ nhiệt màng trong môi trường H2 tạo nút khuyết oxi. 4. Tính chất quang - Tính chất quang thể hiện sự tương tác giữa sóng điện từ với vật liệu. Khi chiếu kích thích lên bề mặt sẽ xảy ra sự chuyển dời điện tử lên các mức kích thích (cơ chế hấp thụ). Sau một thời gian điện tử có xu hướng chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn (cơ chế huỳnh quang) kèm theo sự bức xạ sóng điện từ. Qua nghiên cứu phổ truyền qua và phổ hấp thụ ta có thể xác định được các mức năng lượng của điện tử. - Phổ hấp thụ của ZnO cho thấy ZnO trong suốt với ánh sáng nhìn thấy. Sự hấp thụ mạnh nhất xảy ra với bước sóng cỡ 325 nm. Sự chuyển dời này ứng với sự chuyển dời của e từ vùng hoá trị lên vùng dẫn. Gần bờ hấp thụ cơ bản xuất hiện cực đại yếu tại bước sóng 356 nm. Cực đại này ứng với sự hình thành cấu trúc exiton[7] . 5. Xu hướng nghiên cứu vật liệu ZnO hiện nay[6] Vật liệu ZnO là đối tượng được nghiên cứu rất nhiều do có triển vọng ứng dụng thực tế trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Số lượng các công bố khoa học về công nghệ chế tạo và tính chất vật lý của vật liệu này ngày càng tăng cả trên các tạp chí cũng như các Hội nghị chuyên ngành 5.1 Vật liệu Cấu trúc nano ZnO một chiều Cấu trúc nano nói chung, và nano một chiều nói riêng đang được hầu hết các phòng thí nghiệm quan tâm, và là hướng nghiên cứu trọng tâm của nhiều phòng thí nghiệm. Cấu trúc nano một chiều cho nhiều tính chất tốt, nổi trội so với cấu trúc khối do có hiệu ứng giam hãm lượng tử. Cả tính chất và cơ chế giải thích vẫn đang được nghiên cứu, và chưa có một lý thuyết đầy đủ cho những hiệu ứng ở kích thước nano Nano 1-D ZnO hứa hẹn nhiều ứng dụng trong laser bước sóng ngắn (short-wavelength laser), transitor hiệu ứng trường (field-effect transitor), cảm biến khí độ nhạy cao (ultrasensitive nanosized gas sensor), cộng hưởng nano (nanoresonator), chuyển đổi tín hiệu (transducers), như rất nhiều vật liệu khác Si, InP, GaAs, CdS, SnO2… cấu trúc nano một chiều ZnO được tạo ra nhờ cơ chế : hơi - lỏng - rắn có xúc tác hoặc không có xúc tác. Tùy theo phương pháp chế tạo và nhiệt độ nuôi mà có thể thu được các cấu trúc nano một chiều dạng sợi (nanowires), dải (nanobelts), ống (nanotubes), vòng (rings), dạng đĩa (disks) [6] 5.2 Vật liệu bán dẫn từ pha loãng Việc pha tạp các nguyên tố kim loại chuyển tiếp như Co, Mn vào bán dẫn chủ ZnO là những vật liệu mà trong đó một phần cation của bán dẫn chủ được thay thế bằng ion từ tính hay kim loại đất hiếm. DMS được chú ý nghiên cứu là do khả năng ứng dụng của chúng trong spintronics. Trong DMS, các nguyên tố kim loại chuyển tiếp với lớp d đầy một phần (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Co và Cu) hoặc các nguyên tố đất hiếm với lớp f chưa lấp đầy ( Eu, Gd) đóng vai trò là các ion từ tính. Với trạng thái d hoặc f chưa lấp đầy, sẽ tồn tại các electron không tạo cặp, điều này quyết định đến tính chất từ của vật liệu. Trong vật liệu DMSs, điện tử vùng dẫn tự do và lỗ trống vùng hóa trị tương tác với momen từ liên kết của ion từ tính. Khi ion kim loại chuyển tiếp 3d thay thế vào vị trí của caction trong bán dẫn chủ, cấu trúc vùng năng lượng bị biến đổi do sự lai hóa mạnh giữa orbitan 3d của ion từ và orbitan p của các anion chủ lân cận. Sự lai hóa này dẫn đến tương tác từ lớn giữa spin 3d định xứ và các hạt tải trong vùng hóa trị của bán dẫn chủ. Do ứng dụng thực tế vật liệu DMSs phải có tính sắt từ với nhiệt độ Curie trên nhiệt độ phòng nên hiện nay DMSs vẫn đang được nghiên cứu [6]. Vật liệu bán dẫn từ pha loãng trên cơ sở ZnO pha tạp kim loại chuyển tiếp được đoán nhận có tính chất sắt từ ở nhiệt độ phòng đang là đề tài thời sự hiện nay. Việc sử dụng cả điện tích và spin của hạt tải điện cho khả năng chế tạo một lớp linh kiện mới như linh kiện phát ánh sáng phân cực, các chíp tích hợp bộ nhớ và chức năng vi xử lý, các linh kiện từ, các transistor công suất siêu thấp. Việc sử dụng spin hạt tải trong màng đa lớp kim loại tạo cơ sở chế tạo các ổ cứng cất giữ thông tin. Khả năng điều khiển tính chất phụ thuộc spin trong các ôxít điện tử cho phép chế tạo các linh kiện như diode phát quang spin, transistor trường spin, qubit spin cho máy tính lượng từ. 5.3 Vật liệu bán dẫn loại p Vấn đề pha tạp để tạo ra bán dẫn loại p là vấn đề thời sự trên thế giới. Bản thân ZnO là bán dẫn loại n và rất khó pha tạp ra bán dẫn loại p do trong ZnO tồn tại các ion H+. Các vật liệu bán dẫn ZnO loại p đang đựợc nghiên cứu và chế tạo bằng phương pháp phún xạ hoặc sol-gel là ZnO: N, ZnO: P. Chúng ta đã có bán dẫn loại n là ZnO:Al do đó chế tạo được bán dẫn loại p thì ta có chuyển tiếp p-n đồng thể. Từ đó mở ra các ứng dụng cho chế tạo LED trong vùng từ ngoại, và chế tạo laser. Do tính chất chống bức xạ nên các transistor dựa trên chuyển tiếp p-n có thể sử dụng trong phản ứng hạt nhân [6]. 6. Một số nghiên cứu về cấu trúc tinh thể và tính chất của ZnO, ZnO pha kim loại chuyển tiếp 6.1 Phổ nhiễu xạ tia X Các kết quả nghiên cứu cho thấy, màng và bột ZnO đều có cấu trúc lục giác wurtize[7,8], một số màng có định hướng ưu tiên theo phương (002). Điều đó có thể giải thích rằng trong tinh thể ZnO mật độ năng lượng của phương (002) là thấp nhất. Những hạt có năng lượng bề mặt thấp hơn sẽ trở lên lớn hơn khi màng phát triển, cho nên, sự mọc màng được ưu tiên theo phương (002) [5]. Trên hình 1.7 theo [23] khi nhiệt độ đế là 2300C và 4000C phổ XRay chỉ ra cấu trúc lục giác Wurtize của ZnO với a = 3.249 và c= 5.206 với 5 đỉnh nhiễu xạ tại 2Ө = 320, 34.40, 36.20, 58.60, và 62.90 tương ứng với các mặt phẳng mạng (100), (002),(101), (110), và (103). Ở nhiệt độ phòng (RT) thì mẫu ở dạng vô định hình do tồn tại vô số đỉnh nhiễu xạ, khi nhiệt độ tăng lên sự định hướng tinh thể là (002) và (103), các đỉnh khác mờ đi, điều đó khẳng định nhiệt độ cao là cần thiết để tạo ZnO tinh khiết. Tuỳ theo điều kiện công nghệ chế tạo mà cường độ đỉnh phổ thu dược khác nhau. Theo [24] khi màng ZnO chế tạo ở các điều kiện áp suất khác nhau thì có sự dịch đỉnh phổ về phía tăng 2Ө. Sự dịch đỉnh phổ tương ứng với mặt phẳng mạng (002) thể hiên trên hình vẽ 1.8 6.2 Tính chất điện. Theo nghiên cứu [27] màng ZnO nung ở 4500 đơn pha và định hướng mạnh theo trục c. Hình 1.11 và 1.12 thể hiện sự phụ thuộc của điện trở suất vào nhiệt độ. Theo [27] điện dẫn xuất  Với = const ; Ea cỡ 16.87 meV, Ea phụ thuộc vào nồng độ ion dono thêm vào và các mức năng lượng tạp chất. Khi nồng độ dono đưa vào tăng thì mức Fecmi tăng và Ea giảm. Ở nhiệt độ thấp thì  Trong đó  ; Vhp cỡ 1013 S-1. 6.3 Phổ tán xạ Raman Dưới đây là một số kết quả nghiên cứu về phổ tán xạ Raman của vật liệu ZnO: Kết quả cho thấy có 3 đỉnh xuất hiện rất rõ ràng được xác định ở các vị trí 338 cm-1, 439 cm-1 và 574 cm-1. Theo [21] thì mẫu chuẩn ZnO có các đỉnh phổ Raman ở vị trí: 332 cm-1 ứng với mode E2 ; 438 cm-1 ứng với mode E2; 575 cm-1 ứng với mode A1; 587 cm-1 ứng với mode E1. 6.4 Tính chất bề mặt Một số kết quả nghiên cứu hình ảnh bề mặt của mẫu màng.Tùy theo điều kiện chế tạo khác nhau mà hạt thu được có hình thái bề mặt khác nhau: có thể thu được các cấu trúc nano một chiều dạng sợi (nanowires), dải (nanobelts), ống (nanotubes), vòng (rings), dạng đĩa (disks) [6]. Hình ảnh thu dược dưới hình vẽ [14,15,16]: Kích thước hạt có ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất của vật liệu, đặc biệt đối với chất bán dẫn từ pha loãng. Nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ (Tc) tăng khi giảm kích thước hạt [5]. Chính vì thế khi nghiên cứu cấu trúc, tính chất của vật liệu và nhất là những hiệu ứng đặc biệt, chúng ta phải chú trọng đến kích thước hạt của vật liệu. Màng ZnO được chế tạo bằng phương pháp Sol- gel với các tốc độ quay phủ khác nhau có kích thước hạt khác nhau[22] . Kích thước trung bình của hạt giảm rõ rệt khi tốc độ quay tăng: 150nm (6000 vòng/phút), 100nm (10000 vòng/phút) và 80nm (15000 vòng/phút) (Hình 1.19).  a)   b)    c)   Hình 1.20: Ảnh SEM của màng ZnO trên đế thủy tinh ủ tại (a) 4500C, (b)5000C, và (c)5500C. Kết quả trên hình 1.20 theo [5] cho thấy, các màng ZnO đều có hạt vào kích thước nano, các hạt tương đối đồng đều, kích thước hạt trung bình cỡ 14 (nm). 6.5 Một số nghiên cứu tính chất quang 6.5.1 Phổ truyền qua của ZnO Tất cả các màng ZnO đều có bờ hấp thụ cơ bản xung quanh bước sóng 380 nm, độ truyền qua thay đổi trong khoảng từ 70%  95% tùy theo phương pháp và công nghệ chế tạo màng. Độ rộng vùng cấm của màng được xác định trong khoảng 3.24  3.37 eV. Hình vẽ dưới đây thể hiện sự thay đổi độ truyền qua của mẫu ở các điều kiên nhiệt độ đế khác nhau và khi áp suất thay đổi. Hình 1.21 : Phổ truyền qua màng ZnO ở các áp suất khác nhau Hình 1.22 : Phổ truyền qua màng ZnO ở các nhiệt độ đế khác nhau. Trong khoảng bước sóng 200  400 (nm) độ truyền qua của màng ZnO rất nhỏ. Khi nhiệt độ tăng thì hệ số truyền qua tăng. Theo[26] Màng lắng đọng ở nhiệt độ phòng có màu hơi nâu do lượng nhỏ oxi lắng đọng trên màng.Ánh sáng với bước sóng trong vùng hồng ngoại truyền qua rất tốt. Theo[26] với nhiệt độ đế 4000C thì độ truyền qua của màng ZnO cỡ 70%, ở nhiệt độ cao hơn thì độ truyền qua giảm và quy luật gần như tuyến tính. 6.5.2 phổ hấp thụ Phổ hấp thụ của ZnO cho thấy ZnO trong suốt với ánh sáng nhìn thấy . Sự hấp thụ mạnh nhất xảy ra ở cỡ bước sóng 325nm. 6.3 Phổ huỳnh quang Phổ huỳnh quang của màng ZnO ở nhiệt độ phòng theo nhiều tác giả có nhiều giải khác nhau phụ thuộc mạnh vào công nghệ chế tạo và điều kiện phát triển màng, như đã thấy trên hình vẽ 1.24 và 1.25. Tuy nhiên phổ huỳnh quang của ZnO được xác định ở nhiệt độ phòng có 3 đỉnh cơ bản: dải phát xạ gần vùng hấp thụ (UV) có đỉnh tại bước sóng 380 nm, dải phát xạ vùng màu xanh có đỉnh phổ lân cận bước só

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docBanchinh.doc
  • docmucluc.doc
  • docTÀI LIỆU THAM KHẢO.doc
Luận văn liên quan