Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang điện của màng trong suốt loại P dựa trên...

Tài liệu Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang điện của màng trong suốt loại P dựa trên nền vật liệu SnO2

.PDF
190
813
148

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẶNG HỮU PHÚC CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN CỦA MÀNG TRONG SUỐT DẪN ĐIỆN LOẠI P DỰA TRÊN NỀN VẬT LIỆU SnO2 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ TP. Hồ Chí Minh - Năm 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẶNG HỮU PHÚC CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN CỦA MÀNG TRONG SUỐT DẪN ĐIỆN LOẠI P DỰA TRÊN NỀN VẬT LIỆU SnO2 Ngành: Quang Học Mã số ngành: 64440109 Phản biện 1: GS.TS. Nguyễn Đại Hưng Phản biện 2: TS. Nguyễn Thị Ngọc Thủy Phản biện 3: PGS.TS. Trần Hoàng Hải Phản biện độc lập 1: PGS.TS. Vũ Thị Bích Phản biện độc lập 2: TS. Nguyễn Thị Ngọc Thủy NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. Lê Văn Hiếu. 2. TS. Lê Trấn. TP. Hồ Chí Minh – Năm 2017 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm khoa Vật lý kỹ thuật, ban giám hiệu trường Đại học Khoa học tự nhiên Tp Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Lê Văn Hiếu, Thầy đã luôn quan tâm sâu sát, hướng dẫn và động viên tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Lê Trấn, người đã tận tình hướng dẫn và định hướng cho tôi thực hiện công trình nghiên cứu này. Thầy là người đã chỉ bảo cho tôi tính nghiêm túc và trung thực trong nghiên cứu khoa học. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô ở bộ môn vật lý ứng dụng, bộ môn vật liệu nano và màng mỏng, phòng vật liệu kỹ thuật cao đã tận tình giúp đỡ, hỗ trợ cho tôi về trang thiết bị đo đạc trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các em sinh viên và học viên cao học đã hỗ trợ cho tôi trong thời gian thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong hội động chấm luận án tiến sĩ, đã nhận xét và đóng góp những ý kiến quí báu để luận án này được hoàn thiện hơn. Con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ và gia đình đã luôn đồng hành trong suốt thời gian làm luận án và luôn mong cho con thành công trong lĩnh vực khoa học và cuộc sống. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi và các cộng sự làm việc dưới sự hướng dẫn của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án này là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào mà tôi không tham gia. Nghiên cứu sinh Đặng Hữu Phúc. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Tổng hợp các công trình nghiên cứu màng SnO2 loại p của các tác giả ngoài nước. .................................................................................................................. 6 Bảng 1.2: Sự thay đổi điện trở của cảm biến khí loại n và p trong môi trường khí khử và oxy hóa ................................................................................................................. 22 Bảng 1.3: Hằng số mạng và kích thước hạt SnO2 lắng đọng ở điều kiện khác nhau ở công trình [25] ............................................................................................................. 41 Bảng 3.1: Kết quả đo Hall của màng SnO2 được lắng đọng trực tiếp theo nhiệt độ 59 Bảng 4.1: Kết quả đo Hall của màng GTO được làm từ bia chứa 15% wt Ga2O3 được lắng đọng theo nhiệt độ đế ........................................................................................ 70 Bảng 4.2: Kết quả đo Hall của màng GTO với 15% Ga2O3 được lắng đọng ở nhiệt độ 400 oC sau đó ủ lên 500 oC, 550 oC và 600 oC trong môi trường Ar ................... 71 Bảng 4.3: Kết quả đo Hall của màng SnO2 được lắng đọng ở nhiệt độ 400 oC sau đó ủ lên 500 oC, 550 oC và 600 oC trong môi trường Ar ............................................... 72 Bảng 4.4: Kết quả đo Hall của màng GTO được lắng đọng ở 400 oC sau đó ủ lên 550 oC ủ trong 1, 2 và 3 giờ trong môi trường khí Ar .............................................. 73 Bảng 4.5: Kết quả đo Hall của màng GTO khí lắng đọng ở nhiệt độ tới hạn từ các bia GTO chứa % wt Ga2O3 khác nhau sau đó ủ lên 550 oC trong Ar ............................. 73 Bảng 4.6: Kết quả nồng độ % các nguyên tố trong màng GTO ủ và không ủ ......... 80 Bảng 4.7: Kết quả đo Hall của màng TIO (10 % wt In2O3) được lắng đọng theo nhiệt độ đế .......................................................................................................................... 96 Bảng 4.8: Kết quả đo Hall của màng TIO (10 % wt In2O3) được lắng đọng ở nhiệt độ đế 500 oC sau đó ủ lên 550 oC và 600 oC trong môi trường Ar ............................... 97 Bảng 4.9: Kết quả đo Hall của màng TIO (10 % wt In2O3) được lắng đọng ở nhiệt độ đế 500 oC sau đó ủ ở 550 oC trong 1, 2 và 3 giờ trong môi trường Ar ..................... 97 Bảng 4.10: Kết quả đo Hall của màng TIO được lắng đọng từ các bia chứa 8%, 10%, 12% wt In2O3 ở nhiệt độ đế 500 oC sau đó ủ ở 550oC trong 2 giờ trong môi trường Ar ................................................................................................................................... 98 Bảng 4.11: Phần trăm nguyên tử trong màng TIO ủ ở 550 oC trong 2 giờ sau khi lắng đọng ở 500 oC ............................................................................................................ 98 Bảng 4.12: Kết quả đo Hall của màng ZTO được làm từ bia chứa 15 % wt ZnO được lắng đọng theo nhiệt độ đế ...................................................................................... 114 Bảng 4.13: Kết quả đo Hall của màng ZTO được làm từ bia chứa 15 % wt ZnO lắng đọng ở 500 oC sau đó ủ ở 550 và 600 oC ................................................................ 114 Bảng 4.14: Kết quả đo Hall của màng ZTO được lắng đọng ở 500 oC sau đó ủ lên 600 oC ủ trong 1, 2 và 3 giờ trong môi trường khí Ar ............................................ 115 Bảng 4.15: Kết quả đo Hall của màng ZTO khí lắng đọng ở nhiệt độ tới hạn từ các bia ZTO chứa % wt ZnO khác nhau sau đó ủ ở 600 oC trong Ar ........................... 115 Bảng 4.16: Phần trăm nguyên tử trong màng trong màng 15% ZTO lắng đọng ở 500 oC và màng 5%, 10%, 15% ZTO ủ ở 600 oC trong 2 giờ sau khi lắng đọng ở 500 oC................... ................................................................................................... 119 Bảng 5.1: Kết quả đo Hall của màng 15% ATO được lắng đọng trực tiếp theo nhiệt độ ............................................................................................................................. 129 Bảng 5.2: Kết quả đo Hall của màng SnO2 được ủ ở nhiệt độ khác nhau sau khi lắng đọng ở nhiệt độ phòng ............................................................................................. 130 Bảng 5.3: Kết quả đo Hall của màng 15% ATO được ủ ở nhiệt độ khác nhau sau khi lắng đọng ở nhiệt độ phòng .................................................................................... 130 Bảng 5.4: Kết quả đo Hall của màng 15 % ATO được ủ ở nhiệt độ khác nhau trong 2 giờ sau khi được lắng đọng ở nhiệt độ phòng ..................................................... 132 Bảng 5.5: Kết quả đo Hall của các màng 5% ATO (a), 10% ATO (b), và 15% ATO (c) được ủ ở 500oC sau khi lắng đọng ở nhiệt độ phòng......................................... 132 Bảng 5.6: Phần trăm nguyên tử trong màng SnO2 và ATO ................................... 136 Bảng 5.7: Kết quả đo Hall của các màng ATO, GTO, ZTO, TIO được chế tạo ở điều kiện tối ưu................................................................................................................ 141 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. Thiết bị điện tử trong suốt. ............................................................................ 2 Hình 1.1. a) Mô hình cấu trúc pin mặt trời trong đó lớp # có thể thay thế bởi các vật liệu ôxit. b) Giản đồ mức năng lượng của pin mặt trời hoạt động ở điều kiện chiếu sáng[100]..................................................................................................................... 12 Hình 1.2. Đặc trưng dòng thế I-V lớp tiếp giáp dị thể p a-SiC:H/ n ZnO:Al và p aSiC:H /SnO2:F [64]......................................................................................................14 Hình 1.3. Cấu trúc và mô hình các mức năng lượng của của cấu trúc OLED đa lớp. ...................................................................................................................................15 Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc chung của diode tiếp xúc p-n trong suốt trên đế thủy tinh. ...................................................................................................................................16 Hình 1.5. Sơ đồ mô hình cấu trúc của pin mặt trời DSSC vật liệu perovskite và giản đồ mức năng lượng của các cấu trúc TIO, SnO2, perovskite [35]. ...........................19 Hình 1.6. Giản đồ mức năng lượng của các cấu trúc a) FTO, SnO2, perovskite, b) FTO, SnO2:Li, perovskite [135].......... ........................................................................20 Hình 1.7. Mô hình hình thành lớp nghèo điện tích của cảm biến khí sử dụng vật liệu bán dẫn loại n và lớp tích tụ tích tụ lỗ trống của cảm biến khí sử dụng vật liệu bán dẫn loại p trong môi trường không khí [33]................................................................21 Hình 1.8. Mô hình cơ chế nhạy khí của cảm biến khí màng....................................22 Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc kết hợp cảm biến khí loại p và n [33].................................. 23 Hình 1.10. Nghiên cứu cảm biến khí bán dẫn loại ôxit loại n và p được thống kê trên Web of Knowledge tính đến ngày 15-7-2013 [33]...................................................... 23 Hình 1.11. Cấu trúc tinh thể SnO2............................................................................ 24 Hình 1.12. Cấu trúc tinh thể của SnO...................................................................... 25 Hình 1.13. Cấu trúc vùng năng lượng của SnO và SnO2[23].......................................25 Hình 1.14. Mô hình ba chiều của cấu trúc tinh thể Sn2O3.........................................26 Hình 1.15. Hàm mật độ trạng thái của pha Sn2O3. Trong đó Sn (a) giống với Sn ở mạng rutile SnO2 và Sn (b) giống với Sn ở mạng litharge SnO[85]............................ 27 Hình 1.16. Cấu trúc tinh thể của Sb2O3 dạng lập phương tâm mặt........................... 28 Hình 1.17. Cấu trúc tinh thể của Sb2O3 dạng trực thoi............................................. 28 Hình 1.18. Cấu trúc tinh thể của trạng thái β-Ga2O3 và α-Ga2O3.............................. 29 Hình 1.19. Cấu trúc tinh thể wurtzite của ZnO......................................................... 29 Hình 1.20. Cấu trúc tinh thể của In2O3...................................................................... 30 Hình 1.21. Giản đồ năng lượng EllingHam.............................................................. 31 Hình 1.22. Mô hình mặt SnO2 (110) với quả cầu lớn màu xanh và nhỏ màu đỏ lần lượt là nguyên tử oxy và thiếc. Ở trạng thái hợp thức đầy đủ (Hình a), và trạng thái oxy bắc cầu bị loại bỏ (Hình b) [84]....................................................................……32 Hình 1.23. Năng lượng bề mặt của 3 mặt mạng SnO2 (110), (101), (100) được biểu diễn theo thế hóa học oxy (μO) trong môi trường oxy hóa hay giàu oxy (đường ngang) và môi trường khử hay nghèo oxy (đường nghiêng) [40]........................................... 34 Hình 1.24. Năng lượng bề mặt của 3 mặt mạng SnO2 (110), (101), (100) được biểu diễn theo thế hóa học oxy (μo) [88].............................................................................. 36 Hình 1.25. Biểu đồ mô tả hai dạng sai hỏng Schottky và Frenkel [45]..................... 38 Hình 1.26. Phổ nhiễu xạ tia X và ảnh SEM hình thái bề mặt màng SnO2 được trình bày ở công trình [29]................................................................................................... 40 Hình 1.27. Hình thái bề mặt màng SnO2 và SnO2 pha tạp In được trình bày ở công trình [68]..................................................................................................................... 42 Hình 1.28. Hình thái bề mặt màng A) SnO2 và SnO2 pha tạp B) 5% và C) 10% Ga được trình bày ở công trình [4]. ..................................................................................42 Hình 1.29. Mô hình vị trí các mức năng lượng của sai hỏng nội tại trong vật liệu SnO2 ..........................................................................................................................43 Hình 1.30. Mô hình sự thay thế Ga3+ vào mạng Sn4+ và sự hình thành khuyết......... 45 Hình 1.31. Mô hình quá trình lấp khuyết và tạo lỗ trống khi màng GTO được ủ trong khí Ar....................................................................................................................... 45 Hình 2.1. Các quá trình xuất hiện do sự tương tác của những hạt năng lượng cao trên bề mặt bia, va chạm có thể kết thúc trong bia hay gây ra phún xạ...............................47 Hình 2.2. Mô hình bố trí bia-đế trong thực nghiệm...................................................49 Hình 2.3. Máy nghiền & trộn....................................................................................52 Hình 2.4. Máy ép bia.................................................................................................52 Hình 2.5. Lò nung VMK-180054 ............................................................................. 52 Hình 2.6. Máy mài bia. ............................................................................................. 52 Hình 2.7. Giản đồ nâng nhiệt để nung kết khối cho bia. .......................................... 53 Hình 2.8. (a) Lược đồ biểu diễn quá trình quang điện và (b) quá trình hủy các lỗ trống của phân lớp 1s thông qua sự phát xạ tia X hoặc (c) quá trình bắn electron Auger.........................................................................................................................55 Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng SnO2 được lắng đọng ở nhiệt độ khác nhau. .......................................................................................................................... 56 Hình 3.2. Ảnh FESEM hình thái bề mặt của màng SnO2 được lắng đọng ở nhiệt độ khác nhau .................................................................................................................. 58 Hình 3.3. Phổ truyền qua của màng SnO2 được lắng đọng ở nhiệt độ khác nhau. .. 60 Hình 3.4. Phổ bức xạ PL của màng SnO2 lắng đọng ở nhiệt độ khác nhau b) mô hình cơ chế bức xạ quang phát quang của màng SnO2 .....................................................61 Hình 4.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng GTO được lắng đọng theo nhiệt độ đế 64 Hình 4.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng SnO2 được lắng đọng ở nhiệt độ 400 oC rồi ủ lên các nhiệt độ 500 oC, 550 oC và 600 oC. ..................................................... 66 Hình 4.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng GTO được lắng đọng ở nhiệt độ 400oC rồi ủ lên các nhiệt độ 500 oC, 550 oC và 600 oC ....................................................... 66 Hình 4.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng GTO được lắng đọng ở 400 oC, rồi ủ ở 550 oC trong 1, 2 và 3 giờ ......................................................................................... 67 Hình 4.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng GTO với 5, 10 và 15% Ga2O3 được lắng đọng ở 400 oC, rồi ủ ở 550 oC trong 2 giờ ................................................................ 68 Hình 4.6. Ảnh FESEM hình thái bề mặt của màng GTO a) được lắng đọng ở 400 oC b) ủ ở 550 oC trong 2 giờ sau khi lắng đọng ở 400 oC .............................................. 69 Hình 4.7. Ảnh FESEM hình thái bề mặt của màng GTO 5%, 10%, 15% được ủ ở 550 C trong 2 giờ sau khi lắng đọng ở 400 oC................................................................ 69 o Hình 4.8. Phổ truyền qua của màng GTO được lắng đọng theo nhiệt độ đế ........... 74 Hình 4.9. Phổ truyền qua của màng SnO2 được lắng đọng ở 400 oC sau đó ủ theo nhiệt độ ...................................................................................................................... 75 Hình 4.10. Phổ truyền qua của màng GTO được lắng đọng ở 400 oC sau đó ủ theo nhiệt độ ...................................................................................................................... 75 Hình 4.11. Phổ truyền qua của màng GTO được lắng đọng ở 400 oC sau đó ủ lên 550 ºC ủ trong 1, 2 và 3 giờ trong môi trường khí Ar...................................................... 76 Hình 4.12. Phổ truyền qua của màng GTO theo phần trăm pha tạp Ga2O3 được lắng đọng ở điểm tới hạn sau đó ủ lên 550oC trong môi trường khí Ar trong 2 giờ ......... 76 Hình 4.13. Phổ bức xạ PL của a) màng SnO2 lắng đọng ở nhiệt độ phòng và màng GTO lắng đọng ở nhiệt độ khác nhau ....................................................................... 78 Hình 4.14. Phổ bức xạ PL của màng GTO lắng đọng ở nhiệt độ tới hạn rồi ủ ở các nhiệt độ cao hơn khác nhau ....................................................................................... 78 Hình 4.15. Cơ chế bức xạ quang phát quang của a) màng GTO và b) SnO2 ........... 78 Hình 4.16. Phổ XPS của Ga2p3/2 đối với a) màng GTO (G4) không ủ, b) màng GTO (G7) được ủ. .............................................................................................................. 79 Hình 4.17. Phổ XPS của Sn 3d5/2 đối với a) màng GTO (G4) không ủ, b) màng GTO (G7) được ủ ............................................................................................................... 79 Hình 4.18. Phổ XPS được tách đỉnh của O 1s đối với a) màng GTO (G4) không ủ, b) màng GTO (G7) được ủ ............................................................................................ 80 Hình 4.19. Đặc trưng I-V của p– GTO/n – Si với 10% wt Ga2O3 ........................... 81 Hình 4.20. Phổ truyền qua của màng TIO được lắng đọng theo nhiệt độ ................ 84 Hình 4.21. Phổ truyền qua của màng TIO được lắng đọng ở 500 oC sau đó ủ theo nhiệt độ và thời gian .................................................................................................. 85 Hình 4.22. Phổ truyền qua của màng TIO theo phần trăm pha tạp In2O3 được lắng đọng ở 500 oC sau đó ủ ở 550 oC trong 2 giờ ........................................................... 86 Hình 4.23. Phổ quang phát quang của màng TIO lắng đọng theo nhiệt độ đế và nhiệt độ ủ trong 1 giờ ......................................................................................................... 87 Hình 4.24. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng TIO được lắng đọng theo nhiệt độ..... 88 Hình 4.25. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng TIO được lắng đọng ở 500 oC sau đó ủ theo nhiệt độ .............................................................................................................. 90 Hình 4.26. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng SnO2 không ủ và ủ ở 550oC sau khi lắng đọng ở 500 oC ............................................................................................................ 90 Hình 4.27. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng TIO lắng đọng trực tiếp và ủ ở 550oC sau khi lắng đọng ở 500 oC ....................................................................................... 90 Hình 4.28. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng TIO ủ ở 550oC 1, 2, 3 giờ sau khi lắng đọng ở 500 oC ............................................................................................................ 91 Hình 4.29. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng TIO theo phần trăm pha tạp In2O3 ủ ở 550 oC trong 2 giờ sau khi lắng đọng ở 500 oC......................................................... 92 Hình 4.30. Ảnh FESEM hình thái bề mặt của màng TIO lắng đọng theo nhiệt độ . 93 Hình 4.31. Ảnh FESEM hình thái bề mặt của màng TIO được lắng đọng ở 500 oC sau đó ủ theo nhiệt độ................................................................................................ 94 Hình 4.32. Ảnh FESEM hình thái bề mặt của màng TIO ủ ở 550oC trong a) 2 giờ và b) 3 giờ sau khi lắng đọng ở 500oC ........................................................................... 94 Hình 4.33. Ảnh FESEM hình thái bề mặt a) màng SnO2 b) màng TIO được ủ ở 550 C trong 2 giờ sau khi lắng đọng ở 500 oC...........................................................95 o Hình 4.34. Ảnh FESEM hình thái bề mặt (A) màng 10 % TIO (B) màng 12% TIO được ủ ở 550oC trong 2 giờ sau khi lắng đọng ở 500oC. .......................................... 95 Hình 4.35. Phổ XPS của đỉnh Sn 3d5/2 and 3d3/2 (đường đứt nét) và đường làm khớp (đường đỏ) của màng TIO ủ ở 550oC trong 2 giờ sau khi lắng đọng ở 500oC ......... 99 Hình 4.36. Phổ XPS của đỉnh O 1s của màng TIO ủ ở 550 oC trong 2 giờ sau khi lắng đọng ở 500 oC. ................................................................................................. 100 Hình 4.37. Phổ XPS của đỉnh In 3d5/2 và 3d3/2 (đường đứt nét) và đường làm khớp (đường đỏ) của màng TIO ủ ở 550oC trong 2 giờ sau khi lắng đọng ở 500oC. ...... 100 Hình 4.38. Đặc trưng I-V của tiếp xúc dị thể p-TIO/n-Si ...................................... 101 Hình 4.39. Phổ truyền qua của màng ZTO được lắng đọng theo nhiệt độ đế. ....... 103 Hình 4.40. Phổ truyền qua của màng ZTO ủ 550 oC trong 1 giờ và ủ 600 oC trong 1, 2 và 3 giờ sau lắng đọng ở 500 oC .......................................................................... 104 Hình 4.41. Phổ truyền qua của màng ZTO được lắng đọng từ các bia chứa % wt ZnO khác nhau ủ ở 600 oC trong 2 giờ sau lắng đọng ở 500 oC ..................................... 105 Hình 4.42. Phổ PL của màng ZTO lắng đọng theo nhiệt độ, màng SnO2 lắng đọng ở 400 và 500oC ........................................................................................................... 105 Hình 4.43. Phổ PL của màng ZTO được ủ ở 550 oC và 600 oC ............................. 107 Hình 4.44. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng ZTO được lắng đọng theo nhiệt độ đế. ................................................................................................................................. 107 Hình 4.45. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng a) SnO2 và b) ZTO được lắng đọng ở nhiệt độ 500oC rồi ủ lên các nhiệt độ 550 oC và 600 oC ......................................... 108 Hình 4.46. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng ZTO được lắng đọng ở 500 oC, rồi ủ ở 600 oC trong 1, 2 và 3 giờ ....................................................................................... 109 Hình 4.47. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng ZTO với 5, 10 và 15% ZnO được lắng đọng ở 500 oC, rồi ủ ở 600 oC trong 2 giờ .............................................................. 110 Hình 4.48. Ảnh FESEM hình thái bề mặt màng 15% ZTO lắng đọng ở các nhiệt độ khác nhau. a) tp, b) 200 oC, c) 300 oC, d) 400 oC, e) 500 oC .................................. 111 Hình 4.49. Ảnh FESEM hình thái bề mặt màng SnO2 lắng đọng ở 500 oC sau đó ủ a) 550 oC và b) 600 oC và màng 15% ZTO lắng đọng ở 500 oC sau đó ủ c) 550 oC và d) 600 oC ...................................................................................................................... 112 Hình 4.50. Ảnh FESEM hình thái bề mặt màng ZTO lắng đọng ở 500oC sau đó ủ ở 550oC a) 2 giờ và b) 3 giờ ....................................................................................... 113 Hình 4.51. Phổ XPS của Sn 3d5/2 đối với a) màng 15% ZTO không ủ, màng ZTO với b) 5%, c) 10%, and d) 15% ZnO ủ ở 600oC trong 2 giờ sau khi lắng đọng ở 500oC ................................................................................................................................. 116 Hình 4.52. Phổ XPS của O 1s đối với a) màng 15% ZTO không ủ, màng ZTO với b) 5%, c) 10%, và d) 15% ZnO ủ ở 600 oC trong 2 giờ sau khi lắng đọng ở 500 oC .. 117 Hình 4.53. Phổ XPS của Zn 3d3/2 đối với a) màng 15% ZTO không ủ, màng ZTO với b) 5%, c) 10%, và d) 15% ZnO ủ ở 600oC trong 2 giờ sau khi lắng đọng ở 500oC ................................................................................................................................. 118 Hình 4.54. Đặc trưng I-V của a) tiếp xúc dị thể p-ZTO/n-Si b) điện cực In và p-ZTO và n-Si ..................................................................................................................... 119 Hình 5.1. Phổ truyền qua của màng ATO 15% được lắng đọng ở nhiệt độ khác nhau. ................................................................................................................................. 121 Hình 5.2. Phổ truyền qua của màng SnO2 được ủ theo nhiệt độ (1 giờ) trong khí Ar sau khi được lắng đọng ở nhiệt độ phòng. .............................................................. 122 Hình 5.3. Phổ truyền qua của màng ATO 15% được ủ theo nhiệt độ (1 giờ) trong khí Ar sau khi được lắng đọng ở nhiệt độ phòng. ......................................................... 122 Hình 5.4. Phổ truyền qua của màng ATO 15% được ủ theo nhiệt độ (2 giờ) trong khí Ar sau khi được lắng đọng ở nhiệt độ phòng .......................................................... 123 Hình 5.5. Phổ truyền qua của màng ATO 5, 10, và 15% được ủ trong Ar (2 giờ) sau khi lắng đọng ở nhiệt độ phòng............................................................................... 123 Hình 5.6. Phổ bức xạ PL của màng ATO a) ủ ở các nhiệt độ khác nhau b) ủ 500oC trong 1 và 2 giờ sau khi lắng đọng ở nhiệt độ phòng ............................................. 124 Hình 5.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng ATO được lắng đọng ở nhiệt độ khác nhau ......................................................................................................................... 125 Hình 5.8. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng SnO2 được ủ ở nhiệt độ khác nhau trong 1 giờ sau khi lắng đọng ở nhiệt độ phòng ............................................................... 126 Hình 5.9. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng ATO được ủ ở nhiệt độ khác nhau trong 1 giờ sau khi lắng đọng ở nhiệt độ phòng. .............................................................. 126 Hình 5.10a. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng ATO 15% được ủ ở nhiệt độ khác nhau trong 1 giờ sau khi được lắng đọng ở nhiệt độ phòng ............................................ 127 Hình 5.10b. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng ATO 15% được ủ ở nhiệt độ khác nhau trong 2 giờ sau khi được lắng đọng ở nhiệt độ phòng. ........................................... 127 Hình 5.11. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng ATO khảo sát theo % Sb2O3 trong bia ở nhiệt độ ủ 5000C trong 2 giờ ................................................................................ 128 Hình 5.12. Ảnh FESEM hình thái bề mặt của màng 10% ATO và SnO2 ủ ở 5000C sau khi lắng đọng ở nhiệt độ phòng. ....................................................................... 129 Hình 5.13. Phổ XPS của Sn 3d5/2 đối với a) SnO2, b) ATO 5% Sb2O3, c) ATO 10% Sb2O3, và d) ATO 15% Sb2O3 được ủ ở 500oC trong 2 giờ sau khi được lắng đọng ở nhiệt độ phòng. ........................................................................................................ 134 Hình 5.14. Phổ XPS của O 1S và kết quả tách đỉnh của a) SnO2, b) ATO 5% wt Sb2O3, c) ATO 10% wt Sb2O3, và d) ATO 15% wt Sb2O3 được ủ ở 500oC trong 2 giờ sau khi được lắng đọng ở nhiệt độ phòng ............................................................... 135 Hình 5.15. Đặc trưng I-V của tiếp xúc p-ATO/n-Si ............................................... 136 Hình 5.16. Phổ truyền qua của màng SnO2, 15% ATO, 15% GTO, 15% ZTO, 10% TIO được lắng đọng ở nhiệt độ phòng và màng SnO2 được lắng đọng ở 200oC.... 138 Hình 5.17. Phổ truyền qua của màng SnO2, ATO, GTO, ZTO, 10% TIO được chế tạo ở điều kiện tối ưu............................................................................................... 139 Hình 5.18. Sơ đồ các mức năng lượng tồn tại trong vùng cấm SnO2 .................... 139 Hình 5.19. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng ATO, GTO, TIO, ZTO được chế tạo ở điều kiện tối ưu........................................................................................................ 140 Hình 5.20. Ảnh hình thái bề mặt màng GTO, TIO, ZTO được chế tạo ở điều kiện tối ưu ............................................................................................................................. 141 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT TCO – ôxit dẫn điện trong suốt TFT – transistor màng mỏng GTO – SnO2 pha tạp nguyên tố Ga ATO – SnO2 pha tạp nguyên tố Sb TIO – SnO2 pha tạp nguyên tố In ZTO – SnO2 pha tạp nguyên tố Zn ITO – In2O3 pha tạp nguyên tố Sn XPS – xray photoelectron spectroscopy FESEM – field emission scanning electron microscope PL – photoluminescence PLD – plasma laser deposition (lắng đọng xung laser) APCVD - lắng đọng hơi hóa học ở áp suất khí quyển TFT LCDs - thin film transistor liquid crystal displays LEDs - light emitting-diode OLED - organic light emitting-diode HOMO- highest occupied molecular orbital DFT - density functional theory (lý thuyết Hàm mật độ trạng thái) % wt – phần trăm khối lượng VOCs - volatile organic compounds (chất hữu cơ độc hại) CH3NH3PbX3 (X = Cl-, Br-, I-) - methylammonium lead halide perovskite DCSC – dye-sensitized solar cell (pin mặt trời chất nhuộm màu) EDL – electron depletion layer (lớp nghèo điện tích) HAL – hole accumulation layer (lớp tích tụ lỗ trống) LEIS - low-energy ion scattering spectroscopy LEED – low-energy electron diffraction STM - scanning tunneling microscope ARUPS – angle-resolved photoemission spectroscopy UPS - Ultraviolet photoelectron spectroscopy ISS - Ion scattering spectroscopy tp – nhiệt độ phòng (~ 27 oC) ĐỊNH NGHĨA Transistor: là một loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử. Acceptor: Một nguyên tố tạp có ít hơn một hay nhiều electron hóa trị so với nguyên tố chủ của vật liệu thì khi nó thay thế nguyên tố chủ sẽ trở thành nguyên tố acceptor. Năng lượng được nhận khi một electron được lấy do bởi một nguyên tố acceptor từ vùng hóa trị của tinh thể là năng lượng ion hóa của nguyên tố, và nó đưa vào một mức năng lượng chiếm đóng mới trong vùng cấm của vật liệu được gọi là mức acceptor Ea (trạng thái chiếm đóng). Hợp chất Delafossite dựa trên Cu có cấu trúc phân tử tổng quát CuMO2 trong đó M là Cr, B, Sc, Y, In, Ga. MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ........................................................6 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ..................................6 1.2 Ứng dụng của vật liệu SnO 2 ........................................................................11 1.3 Cấu trúc tinh thể ..........................................................................................24 1.3.1 Cấu trúc tinh thể của SnO 2 ...................................................................24 1.3.2 Cấu trúc tinh thể và tính chất điện của SnO .........................................25 1.3.3 Cấu trúc tinh thể của Sn 2 O 3 ..................................................................26 1.3.4 Cấu trúc tinh thể của Sb 2 O 3 ..................................................................27 1.3.5 Cấu trúc tinh thể của Ga 2 O 3 .................................................................28 1.3.6 Cấu trúc tinh thể của ZnO ....................................................................29 1.3.7 Cấu trúc tinh thể In 2 O 3 ........................................................................30 1.4 Giản đồ năng lượng Ellingham ...................................................................30 1.5 Tính chất bề mặt của SnO 2 ..........................................................................32 1.6 Sai hỏng trong vật liệu .................................................................................37 1.6.1 Phương trình hóa học của sai hỏng .......................................................38 1.6.2 Sai hỏng trong vật liệu SnO 2 ................................................................39 1.6.3 Ảnh hưởng của sai hỏng đến cấu trúc tinh thể và hình thái bề mặt ......40 1.6.4 Vị trí mức năng lượng của các sai hỏng nội tồn tại trong vật liệu........42 1.6.5 Ảnh hưởng của Hydro đến tính chất của vật liệu SnO 2 .......................43 1.6.6 Ảnh hưởng của các nguyên tố pha tạp đến tính chất vật liệu SnO 2 .....44 1.7 Tổng kết chương một..................................................................................46 THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....47 2.1 Phương pháp chế tạo ...................................................................................47 2.2 Quá trình thực nghiệm .................................................................................50 i 2.3 Các hệ đo đặc trưng tính chất vật liệu .........................................................53 2.4 Tổng kết chương hai ....................................................................................55 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT MÀNG SnO 2 KHÔNG PHA TẠP 56 3.1 Cấu trúc tinh thể màng SnO 2 .......................................................................56 3.2 Hình thái bề mặt của màng SnO 2 ................................................................57 3.3 Tính chất điện của màng SnO 2 ....................................................................59 3.4 Tính chất quang của màng SnO 2 .................................................................59 3.5 Phổ quang phát quang của màng SnO 2 .......................................................60 3.6 Kết luận chương 3 .......................................................................................62 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT MÀNG SnO 2 PHA TẠP Ga (GTO), In (TIO) và Zn (ZTO) LOẠI P ..................................................................................64 4.1 Cấu trúc tinh thể và tính chất quang điện của màng GTO ..........................64 4.1.1 Cấu trúc tinh thể của màng GTO ..........................................................64 4.1.2 Hình thái bề mặt của màng GTO ..........................................................68 4.1.3 Tính chất điện của màng GTO..............................................................69 4.1.4 Tính chất quang của màng GTO ...........................................................73 4.1.5 Phổ quang phát quang của màng GTO .................................................76 4.1.6 Xác định thành phần nguyên tử trong màng bằng phổ quang điện tử tia X (XPS). .............................................................................................................79 4.1.7 Đặc trưng I-V của tiếp giáp dị thể p-GTO/n-Si. ...................................81 4.1.8 Kết luận về màng GTO .........................................................................81 4.2 Cấu trúc tinh thể và tính chất quang điện của màng TIO ............................84 4.2.1 Tính chất quang của màng TIO ............................................................84 4.2.2 Phổ quang phát quang của màng TIO...................................................86 4.2.3 Cấu trúc tinh thể của màng TIO ...........................................................88 4.2.4 Hình thái bề mặt của màng TIO. ..........................................................93 4.2.5 Tính chất điện của màng TIO ...............................................................96 4.2.6 Xác định thành phần nguyên tử bằng phổ quang điện tử tia X (XPS). ... ..............................................................................................................98 4.2.7 Đặc trưng I-V của tiếp giáp dị thể p-TIO/n-Si ...................................101 ii 4.2.8 4.3 Kết luận về màng TIO ........................................................................101 Cấu trúc tinh thể và tính chất quang điện của màng ZTO .........................103 4.3.1 Tính chất quang của màng ZTO .........................................................103 4.3.2 Phổ quang phát quang của màng ZTO ...............................................105 4.3.3 Cấu trúc tinh thể của màng ZTO ........................................................107 4.3.4 Hình thái bề mặt của màng ZTO ........................................................110 4.3.5 Tính chất điện của màng ZTO ............................................................113 4.3.6 Xác định thành phần nguyên tử tồn tại trong màng bằng phổ quang điện tử tia X (XPS) ...........................................................................................115 4.3.7 Đặc trưng I-V của tiếp xúc dị thể p - ZTO /n - Si ..............................119 4.3.8 Kết luận về màng ZTO .......................................................................120 LOẠI P NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT MÀNG SnO 2 PHA TẠP Sb (ATO) ......................................................................................................121 5.1 Tính chất quang của màng ATO ...............................................................121 5.2 Phổ quang phát quang của màng ATO ......................................................124 5.3 Cấu trúc tinh thể màng ATO .....................................................................125 5.4 Hình thái bề mặt của màng ATO ...............................................................129 5.5 Tính chất điện của màng ATO ..................................................................129 5.6 Xác định thành phần nguyên tử tồn tại trong màng bằng phổ quang điện tử tia X (XPS) ..........................................................................................................133 5.7 Đặc trưng I-V của tiếp xúc dị thể p- ATO/ n- Si .......................................136 5.8 Kết luận về màng ATO..............................................................................137 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..............................................................138 I. MỘT SỐ KẾT QUẢ NỔI BẬT ...........................................................................138 II. KẾT LUẬN CHUNG .........................................................................................142 III. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................................................144 DANH MỤC CÔNG TRÌNH .................................................................................145 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................146 PHỤ LỤC THÔNG SỐ CHẾ TẠO ........................................................................160 iii MỞ ĐẦU Thiết bị điện tử trong suốt là một lĩnh vực kết hợp khoa học và công nghệ tập trung vào sản xuất những mạch điện “ẩn”, và những thiết bị quang điện ứng dụng bao gồm thiết bị điện tử dân dụng, nguồn năng lượng mới và vận tải, chẳng hạn màng chắn gió cho ô tô có thể truyền thông tin trực quan cho tài xế mà vẫn kiểm soát được tầm nhìn. Cửa sổ thủy tinh của bất kỳ hệ thống thiết bị nào cũng được gắn kết như một thiết bị điện tử để tăng cường hệ thống an toàn hay còn gọi là màn hình hiển thị tín hiệu trong suốt, cửa sổ thủy tinh này cũng có thể tích hợp như tấm pin năng lượng sản sinh ra nguồn điện. Thiết bị điện tử truyền thống dựa trên tiếp giáp bán dẫn còn hạn chế, không đáp ứng đầy đủ tính năng của thiết bị thông minh tương lai, do tồn tại các lớp vật liệu không trong suốt, chính vì vậy mục tiêu khoa học của công nghệ mới là khám phá, hiểu và bổ sung những vật liệu điện tử công năng cao trong suốt, nhằm đạt tới những ứng dụng có tính chất đặc biệt. Để làm được cuộc cách mạng công nghệ này đòi hỏi có sự kết hợp tinh thông giữa khoa học cơ bản và ứng dụng bao gồm khoa học vật liệu, hóa học, vật lý, kỹ thuật điện, điện tử, vi mạch... Trong suốt 10 năm qua, các loại vật liệu khả dụng cho những ứng dụng thiết bị điện tử trong suốt đã phát triển đáng kể, tất cả những ứng dụng hiện tại sử dụng ôxit dẫn điện trong suốt loại n như lớp màng điện hay quang thụ động. Ôxit dẫn điện trong suốt loại n đã tồn tại và có giá trị nhất định trong nhiều thập kỷ qua nhưng trở nên hạn chế cho những thiết bị điện tử trong suốt đa năng tương lai, vì vậy vật liệu mới - ôxit dẫn điện trong suốt loại p, được quan tâm nghiên cứu kết hợp với ôxit bán dẫn loại n còn thụ động nhằm tạo ra thiết bị điện tử trong suốt hoàn hảo và chủ động. Những ứng dụng kết hợp trên đem lại thuận lợi cho TCO như những nhân tố chủ động, tạo nên những thiết bị điện tử trong suốt như điện thoại thông minh trong suốt, ti vi trong suốt, pin ion Lithium trong suốt (Hình 1) ... Ứng dụng của ôxit dẫn điện trong suốt TCO loại n như “điện cực ẩn” [63] [111] và ứng dụng của ôxit bán dẫn (TSO) trong suốt loaị n như lớp kênh kích hoạt của transistor màng mỏng (TFT) [107], thúc đẩy sự quan tâm của các nhà khoa học về ôxit dẫn điện loại p cho cả hai loại ứng dụng này. Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại 1
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan