Tài liệu Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật lý của vật liệu nano tinh thể sixge1 x trên nền sio2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------ Trƣơng Thị Thanh Thủy NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU NANO TINH THỂ SixGe1-x TRÊN NỀN SiO2 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------ Trƣơng Thị Thanh Thủy NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU NANO TINH THỂ SixGe1-x TRÊN NỀN SiO2 Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60440109 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN: TS. NGÔ NGỌC HÀ Hà Nội – Năm 2015 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin chân thành cám ơn thầy hƣớng dẫn - TS. Ngô Ngọc Hà - Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS) – Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội (ĐHBKHN) đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận văn này. Xin chân thành cảm ơn NCS. Nguyễn Trƣờng Giang, Viện ITIMS đã giúp tôi đọc, góp ý và chỉnh sửa các lỗi chính tả cũng nhƣ bố cục của luận văn. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới TS. Nguyễn Đức Dũng – Viện Tiên tiến về khoa học và công nghệ (AIST), ĐHBKHN và các bạn của tôi đã dành thời gian hƣớng dẫn, hỗ trợ tôi trong việc đo đạc, xử lý số liệu. Những góp ý quý báu của bạn đã giúp tôi hoàn thành quyển luận văn này một cách tốt nhất. Tôi muốn gửi lời cảm ơn tới tất cả các thành viên trong nhóm quang điện tử, Viện ITIMS đã giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn. Tôi cũng xin đƣợc cảm ơn các Thầy cô giáo trong khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đã dạy dỗ, dìu dắt tôi trong suốt thời gian học tập chƣơng trình thạc sĩ tại đây. Xin đƣợc cảm ơn Ban giám đốc Viện ITIMS và toàn thể các Thầy cô giáo của Viện đã tạo điều kiện cho tôi đƣợc làm việc tại đây để hoàn thiện cuốn luận văn này. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tới chồng con và toàn thể gia đình tôi. Đây là nguồn động viên to lớn nhất, là sự hỗ trợ không mệt mỏi của tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này!. Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2015 Học viên Trƣơng Thị Thanh Thủy ̀ LƠI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung bản luận văn này là những gì chính tôi đã nghiên cứu trong suốt thời gian học thạc sĩ, các số liệu và kết quả là trung thực chƣa đƣợc công bố ở công trình nào hoặc cơ sở nào khác dƣới dạng luận văn. Ngƣời cam đoan Trƣơng Thị Thanh Thủy MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 7 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN ............................... Error! Bookmark not defined. 1.1. Tính chất quang của vật liệu bán dẫn ......... Error! Bookmark not defined. 1.1.1. Đặc điểm cấu trúc vùng năng lƣợng của chất bán dẫn .................. Error! Bookmark not defined. 1.1.2. Các quá trình phát quang xảy ra trong vật liệu bán dẫn ................ Error! Bookmark not defined. 1. 2. Giới thiệu về vật liệu bán dẫn Silic: ......... Error! Bookmark not defined. 1.2.1. Vật liệu bán dẫn Silic tinh thể khối. .... Error! Bookmark not defined. 1.2.2. Cấu trúc vùng năng lƣợng và tính chất quang của Silic tinh thể khối ........................................................................ Error! Bookmark not defined. 1.3. Giới thiệu về vật liệu Ge ............................. Error! Bookmark not defined. 1.3.1 Vật liệu Germani tinh thể khối .............. Error! Bookmark not defined. 1.3.2. Cấu trúc vùng năng lƣợng và tính chất quang của Germani tinh thể khối ................................................................. Error! Bookmark not defined. 1.4. Vật liệu Si có cấu trúc nano. ....................... Error! Bookmark not defined. 1.4.1. Các cấu trúc thấp chiều của vật liệu Silic............ Error! Bookmark not defined. 1.4.2. Một số phƣơng pháp chế tạo vật liệu Silic có cấu trúc nano......... Error! Bookmark not defined. 1.4.3. Tính chất quang của vật liệu Silic có cấu trúc nano .. Error! Bookmark not defined. 1.5. Điôxit- Silic (SiO2) ..................................... Error! Bookmark not defined. Từ bảng 1.3, chúng tôi thấy vật liệu SiO2 hoàn toàn phù hợp làm vật liệu nền có độ rộng vùng cấm rộng cho các nano tinh thể Si và Ge.. Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 2 – PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined. 2.1. Phƣơng pháp chế tạo vật liệu ...................... Error! Bookmark not defined. 2.1.1. Phƣơng pháp phún xạ catốt ................. Error! Bookmark not defined. 2.1.2. Bia phún xạ ........................................... Error! Bookmark not defined. 2.1.3. Ƣu điểm và hạn chế của phún xạ ......... Error! Bookmark not defined. 2.2. Phƣơng pháp phân tích cấu trúc vật liệu.... Error! Bookmark not defined. 2.2.1. Nhiễu xạ Tia X .................................... Error! Bookmark not defined. 2.2.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét SEM Error! Bookmark not defined. 2.2.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Error! Bookmark not defined. 2.2.4. Quang phổ kế UV-VIS ......................... Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........... Error! Bookmark not defined. 3.1. Sự hình thành cấu trúc tinh thể đơn pha của vật liệu Error! Bookmark not defined. 3.2. Quá trình dịch chuyển độ rộng năng lƣợng trực tiếp . Error! Bookmark not defined. ... Qua (Hình 3.8) ta thấy rằng khi hàm lƣợng Ge tăng và Si giảm thì giá trị khe năng lƣợng tăng lên từ giá trị của Ge tới giá trị của Si. Với nhiệt độ ủ tăng thì kích thƣớc hạt thay đổi và hiệu ứng lƣợng tử do kích thƣớc hạt cũng có ảnh hƣởng tới cấu trúc vùng năng lƣợng. ..................... Error! Bookmark not defined. KẾT LUẬN ............................................................... Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 2 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ đầy đủ Ý nghĩa EDS The energy-dispersive x-ray spectroscopy Phổ tán xạ năng lượng tia X FFT Fourier Transformation Biến đổi Fourier nhanh FCC Face-centered cubic Tinh thể lập phương tâm mặt High-resolution Hiển vi điện tử truyền qua độ HR-TEM Transmission Electron Microscopy SAED Selected area diffraction Nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng SEM Scanning Electron Microscope Hiển vi điện tử quét TEM Transmission Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X phân giải cao DANH MỤC ĐỒ THỊ Chƣơng 1 Hình 1.1: Mô hình tái hợp chuyển mức thẳng ................................................................ 7 Hình 1.2: Mô hình tái hợp chuyển mức xiên ................................................................... 8 Hình 1.3: Mô hình cấu trúc tinh thể .............................................................................. 10 Hình 1.4: Giản đồ vùng năng lượng của Silic. ............................................................. 11 Hình 1.5: Giản đồ vùng năng lượng của Germani ....................................................... 14 Hình 1.6: Sơ đồ mạng tinh thể Germani ....................................................................... 14 Hình 1.7: Mô tả cấu trúc thấp chiều của Silic .............................................................. 17 Hình 1.8: Mô tả sự phụ thuộc của SiO2 theo nhiệt độ ủ ............................................... 18 Hình 1.9: Mô tả sự phụ thuộc huỳnh quang của mẫu màng SiO2................................. 19 Hình 1.10: Mô hình cấu trúc thạch anh ........................................................................ 21 Hình 1.11: Mô hình cấu trúc Tridymite ........................................................................ 21 Hình 1.12:Mô hình cấu trúc critobalite ........................................................................ 22 Chƣơng 2 Hình 2.1: Sơ đồ nguyễn lý cơ bản của quá trình phún xạ ............................................ 27 Hình 2.2: Giản đồ nhiễu xạ tia X bởi các mặt phẳng nguyên tử .................................. 30 Hình 2.3: Sơ đồ đo của thiết bị nhiễu xạ tia X .............................................................. 30 Hình 2.4: Kính hiển vi điện tử quét SEM ...................................................................... 30 Hình 2.5: Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM ........................................................... 32 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của quang phổ kế UV-VIS ................................. 35 Chƣơng 3 Hình 3.1: Ảnh nhiễu xạ tia X ứng với mẫu M3 ............................................................. 37 Hình 3.2: Ảnh nhiễu xạ tia X khi thành phần x thay đổi ứng với các mẫu ................... 38 Hình 3.3: Sự phụ thuộc của tỉ phần Si, x đối với hằng số mạng a tương ứng. ............. 40 Hình 3.4: Sự phụ thuộc của kích thước tinh thể vào nồng độ tỉ phần Si,x.................... 42 Hình 3.5: Ảnh TEM, HR-TEM, SAED .......................................................................... 43 Hình 3.6: Cấu trúc vùng năng lượng của Germani trong vùng E1 .............................. 44 Hình 3.7: Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào năng lượng photon hấp thụ của mẫu tại 600oC ................................................................................................................ 45 Hình 3.8: Năng lượng hấp thụ được xác định cho phép chuyển đổi trực tiếp E1 mẫu M1-4 khi ủ ở 600 , 800 , và 1000 ° C Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào năng lượng photon hấp thụ của mẫu tại 600oC ......................................................... 48 DANH MỤC BẢNG BIỂU Chƣơng 1 Bảng 1.1: Các thông số vật lý cơ bản của Silic .............................................................. 9 Bảng 1.2: Các thông số vật lý cơ bản của Germani ..................................................... 13 Bảng 1.3: Các thông số tính chất vật lý của SiO2 ......................................................... 23 Chƣơng 3 Bảng 3.1: Các mẫu vật liệu hợp kim SixGe1-x . .............................................................. 36 Bảng 3.2: Giá trị phụ thuộc của hằng số mạng vào thành phần x trong SixGe1-x . ....... 40 Bảng 3.3: Giá trị phụ thuộc của kích thước tinh thể vào thành phần x trong SixGe1-x 41 MỞ ĐẦU Khi các nguồn năng lƣợng truyền thống nhƣ than đá, dầu mỏ đang dần cạn kiệt, nguồn cung cấp không ổn định với những bất lợi về điều kiện địa lý và công nghệ khai thác, nhiều nguồn năng lƣợng tái tạo nhƣ năng lƣợng sinh học, năng lƣợng gió, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng thủy triều và sóng biển,… đang đƣợc quan tâm nghiên cứu và khai thác, trong đó và đặc biệt nhất là một nguồn năng lƣợng gần nhƣ vô tận – năng lƣợng mặt trời. Sự phát triển nhanh chóng về khoa học và công nghệ, điện năng sinh ra từ nguồn năng lƣợng mặt trời không còn quá đắt đỏ đối với ngƣời tiêu dùng. Hơn nữa, việc khai loại năng lƣợng này chỉ yêu cần đầu tƣ ban đầu một lần và có thể dùng đƣợc trong nhiều năm tùy thuộc vào chất lƣợng và sự ổn định của vật liệu và linh kiện chế tạo. Nằm trên vùng khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới, Việt nam có giải phân bổ ánh nắng mặt trời thuộc loại cao trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, tiềm năng khai thác năng lƣợng mặt trời đƣợc đánh giá rất lớn. Pin năng lƣợng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị thu nhận năng lƣợng mặt trời và chuyển đổi thành điện năng. Cấu tạo của pin mặt trời cơ bản gồm các điốt p-n. Dƣới ánh sáng mặt trời nó có khả năng tạo ra dòng điện nhờ các điện tử và lỗ trống đƣợc sinh ra dựa trên hiệu ứng quang điện. Các pin năng lƣợng mặt trời có rất nhiều ứng dụng. Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà mạng lƣới điện chƣa vƣơn tới, các loại thiết bị viễn thám, cầm tay nhƣ các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, điện thoại di động,... Pin năng lƣợng mặt trời thƣờng đƣợc chế tạo thành các module hay các tấm năng lƣợng mặt trời nhằm tạo ra các tấm pin có diện tích tiếp xúc với ánh sáng mặt trời lớn. Vật liệu dùng để chế tạo pin mặt trời hiện nay chủ yếu là Si, mặc dù hiệu suất của loại vật liệu này chƣa cao, khoảng 15% cho các sản phẩm thƣơng mại. Hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng mặt trời lý thuyết có thể lên đến 1 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1]. Lê Công Dƣỡng (2000), “Vật liệu học”, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [2]. Phùng Hồ, Phan Quốc Phô (2001), “Vật lý bán dẫn”, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [3]. Nguyễn Đức Chiến, Phạm Thành Huy, Dƣ Thị Xuân Thảo, Nguyễn Nhƣ Toàn, Trần Kim Anh, Nguyễn Ngọc Trung, Phạm Nguyên Hải, Trịnh Xuân Anh, Vũ Anh Minh, Lƣơng Hữu Bắc, “Nghiên cứu vật lý và công nghệ chế tạo vật liệu quang điện tử và quang điện tử tổ hợp”, Đề án nghiên cứu cơ bản 2001-2002, Bộ Khoa học công nghệ và môi trƣờng, mã số: KHCB 42.17.01. [4]. Vũ Đình Cự (1997), “Vật lý chất rắn”, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [5]. Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh (2004), “Công nghệ nano điều khiển đến từng phân tử nguyên tử”, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [6]. Nguyễn Hoàng Nghị (2003), “Các phương pháp thực nghiệm phân tích cấu trúc” NXB Giáo dục, Hà Nội. [7]. Vũ Đăng Độ - Triệu Thị Nguyệt (2010), “ Hóa học vô cơ, Quyển 1, Các nguyên tố s và p” NXB Giáo dục Việt Nam. Tiếng Anh [8]. N. N. Ha, N. T. Giang, T.T.T. Thuy, N. N. Trung, N. D. Dung, S. Saeed and T. Gregorkiewicz, “Single phase Si1−xGex nanocrystals and the shifting of the E1 direct energy transition”, Nanotechnology 26 (2015) 375701. [9]. K. Seeger (1991), “Semiconductor Physics”, 5 the edition, Springer - Verlag. [10]. J. I. Pankove (1971), “Optical Properties in Semiconductors”, Dover Publications, New York. [11]. Lorenzo Pavesi (2005), “Photonics applications of nano-silicon”, Dipartimento di Fisica, Universita di Trento, via Sommarive 14, 38050 Povo (Trento), Italy.url: http:\\science.unitn.it\semicon. 2 [12]. A. Irrera, D. Pacifici, M. Miritello, G. Franzu, F. Priolo, F. Iacona, D. Sanfilippo, G. Di Stefano and P.G. Fallica (2003), “Light emitting devices based on silicon nanostructures”, NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry, Vol 93, Kluwer Academic Publishers. [13]. L. T. Canham (1990), “Si quantum wire arrays fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers”, Appl., Phys., Lett., Vol 57, pp. 1046 - 1048. [14]. S. Z. Weisz, R. K. Soni, L. F. Fonseca, O. Resto, M. Buzaianu (1999), “Size - dependent optical properties of silicon nanocrystals”, J. Lumi., Vol 83- 84, pp. 187 – 191. [15]. B. D. Cullity (1978) “Elements of X-Ray diffraction”, 2nd edition, Addison Wesley, Reading, MA. [16]. F. Hippert, E. Geissler, J. L. Hodeau, E. Lelievre, J. R. Regnard (2006), “Neutron and X-Ray Spectroscopy”, Springer. [17]. R. Braunstein, A. R. Moore, F. Herman, (1958), “Intrinsic optical absorption in germanium-silicon alloys”, Phys. Rev. 109, 695. [18]. T. Ebner, K. Thonke, R. Sauer, F. Schaffler, H.-J. Herzog, (1998), “Electroreflectance spectroscopy of strained SixGe1-x layers on silicon”, Phys. Rev. B 57, 15448. [19]. C. Pickering, R. T. Carline, D. J. Robbins, W. Y. Leong, S. J. Barnett, A. D. Pitt, and A. G Cullis, (1993), “Spectroscopic ellipsometry characterization of strained and relaxed SixGe1-x epitaxial layers”, J. Appl. Phys. 73, 239. [20]. B. S. Meyerson, (1994), “High speed silicon germanium electronics”, Scientific American 270, 42-47. [21]. S. Takeoka, K. Toshikiyo, M. Fujii, S. Hayashi, and K. Yamamoto, (2000), “Photoluminescence from Si1−xGex alloy nanocrystals”, Phys. Rev. B 61, 15988. 3 [22]. R. Weigand, M. Zacharias, P. Veit, J. Christen, J. Wendler J, (1998), “On the origin of blue light emission from Ge-nanocrystals containing a-SiOx films”, Superlattices Microstruct. 23, 349. [23]. K. L. Wang, D. Cha, J. Liu, C. Chen, (2007), “Ge/Si self-assembled quantum dots and their optoelectronic device applications”, Proceedings of the IEEE 95, 1866. [24]. G. Bauer, F. Schäffler, (2006), “Self-assembled Si and SiGe nanostructures: New growth concepts and structural analysis”, Phys. Stat. Sol. (a) 203, 3496. 4