Luận án Nghiên cứu chế tạo màng gương nóng truyền qua bằng phương pháp phún xạ Magnetron DC

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu chế tạo màng gương nóng truyền qua bằng phương pháp phún xạ Magnetron DC

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN [\ LÊ TRẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG GƯƠNG NÓNG TRUYỀN QUA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON DC LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2009
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN [\ LÊ TRẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG GƯƠNG NÓNG TRUYỀN QUA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON DC CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC Mà SỐ: 1.02.18 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS TS NGUYỄN HỬU CHÍ PGS. TS TRẦN TUẤN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2009
3. 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. ii
4. LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm Khoa Vật Lý, ban giám hiệu trường đã tạo mọi điều kiện thủ tục cho tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Nguyễn Hửu Chí, người đã tận tình hướng dẫn và định hướng cho tôi thực hiện công trình nghiên cứu này. Thầy là người đã dạy cho tôi sự nghiêm túc trong khoa học. Thầy đã luôn ủng hộ tôi hoàn thành bản luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Trần Tuấn, người đã tận tình hướng dẫn, ủng hộ và động viên tôi hoàn thành bản luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Lê Văn Hiếu, thầy đã luôn quan tâm nhắc nhở, động viên tôi sớm hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn Trần Quang Trung, Trần Cao Vinh, Cao Thị Mỹ Dung, Lê Thụy Thanh Giang, Nguyễn Đăng Khoa, Tạ Thị Kiều Hạnh, Phạm Kim Ngọc đã tận tình giúp đỡ, cộng tác trong công việc đo đạc. Tôi xin chân thành cảm ơn anh Trần Quang Trung, Lê Vũ Tuấn Hùng, Lê Văn Ngọc, Lâm Quang Vinh, Vũ Thị Hạnh Thu, Nguyễn Đức Hảo và Thầy Văn Hồng Khôi, cùng tất cả thầy cô đồng nghiệp trong bộ môn luôn luôn quan tâm tôi trong thời gian thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy trong hội động chấm luận án tiến sĩ cấp cơ sở, đã nhận xét và đóng góp những ý kiến quí báu để luận án này hoàn chỉnh hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn cộng sự Đào Vĩnh Ái đã đóng góp cho đề tài này. Con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cha mẹ, những người đã luôn bên cạnh con, mong cho con thành đạt trong cuộc sống. Lê Trấn. i
5. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A Độ hấp thụ Ag Bạc Ar Argon AZO Màng dẫn điện trong suốt ZnO pha tạp Al DC Một chiều FCC Lập phương tâm mặt HOMO Quỹ đạo phân tử bị chiếm đóng cao nhất ITO Oxít indium pha tạp oxít thiếc L Độ mất mát LOMO Quỹ đạo phân tử không bị chiếm đóng thấp nhất MB Methylene blue N Nguyên tử nitơ N2 Phân tử nitơ NHE Thang đo thế oxy hóa khử của hydro NIR Sự tái phún xạ ion âm O2 Oxy RMS Độ gồ ghề bề mặt R Phản xạ rf Radio frequency S Độ tán xạ T Truyền qua Ti Titan TiN Nitrite titan TCO Transparent conductive oxide: Oxide dẫn điện trong suốt Texture Cơ chế phát triển mặt tinh thể ABS Độ phân hủy methylene blue
6. MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ DANH MỤC BẢNG VIẾT TẮT MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .. 5 1.1 Tính chất của màng dẫn điện ................................................................................ 5 1.1.1 Tính chất điện ................................................................................................. 5 1.1.2 Liên hệ giữa tính chất quang và điện .............................................................. 8 1.1.2.1 Dùng lý thuyết Drude xác định tần số plasma p ................................... 8 1.1.2.2 Tính chất của màng dẫn điện trong vùng xa bờ hấp thụ ......................... 8 1.1.3. Tính chất của kim loại ................................................................................ 12 1.1.4. Tính chất của điện môi ............................................................................... 13 1.2 Tổng quan về màng ZnO:Al (AZO) ................................................................... 15 1.2.1 Tính chất điện của ZnO:Al ........................................................................... 19 1.2.2 Tính chất quang của màng AZO .................................................................. 22 1.3 TỔNG QUAN VỀ TiO2 .................................................................................... 26 1.3.1 Tính chất chung của màng TiO2 ................................................................... 26 1.3.2 Cấu trúc tinh thể của TiO2 ............................................................................ 28 1.3.3 Tính chất quang xúc tác trên màng TiO2 ...................................................... 31 1.3.3.1 Khả năng quang xúc tác ........................................................................ 32 1.3.3.2 Cơ chế.................................................................................................... 32 1.3.4.5 Các ứng dụng của TiO2 ......................................................................... 34 1.4 Tổng Quan Về TiN ............................................................................................. 36 1.4.1 Mở đầu .......................................................................................................... 36 1.4.2 Cấu trúc màng TiN ....................................................................................... 36 1.4.3 Giản đồ vùng năng lượng của TiN ............................................................... 38 1.4.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến tính chất điện của TiN .................................. 39 1.4.5 Cơ chế phát triển mặt tinh thể (texture) của TiN .......................................... 40 1.4.6 Các thông số chế tạo màng ảnh hưởng đến sự phát triển mặt tinh thể ......... 43
7. 1.5 Màng đa lớp điện môi/ kim loại/ điện môi ......................................................... 44 1.5.1 Hệ số Fresnel - Hệ số phản xạ và hệ số truyền qua ...................................... 45 1.5.1.1 Hệ số Fresnel ....................................................................................... 45 1.5.1.2 Hệ số phản xạ R (hay hệ số truyền qua T) ......................................... 47 1.5.2 Hệ màng điện môi đa lớp - Phương pháp ma trận ........................................ 48 1.5.3 Phương pháp ma trận áp dụng cho hệ màng đa lớp của môi trường hấp thụ ..................................................................................................... 50 1.6 Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 52 1.6.1 Phương pháp phún xạ ................................................................................... 52 1.6.1.1. Nguyên lý của quá trình lắng đọng phún xạ ........................................ 52 1.6.1.2 Quá trình lắng đọng màng bằng phương pháp phún xạ ........................ 54 1.6.1.3 Phún xạ phản ứng .................................................................................. 57 1.6.2 Thiết kế hệ magnetron ................................................................................. 57 1.6.2.1 Hệ magnetron vuông dùng cho bia Ti ................................................. 57 1.6.2.2 Hệ magnetron tròn dùng cho bia Ag ................................................... 58 1.6.3 Các hệ đo đặc trưng tính chất vật liệu ......................................................... 60 1.6.3.1 Hệ ellipsometer ......................................................................................... 60 1.6.3.2 Hệ uv-vis ................................................................................................... 61 1.6.3.3 Hệ đo đặc trưng điện bốn mũi dò ............................................................. 61 1.6.3.4 Hệ đo độ dày profilometer ........................................................................ 61 1.6.3.5 Hệ nhiễu xạ tia X ...................................................................................... 61 1.6.3.6 Hệ đo ảnh AFM ........................................................................................ 61 1.6.3.7 Xác định độ phân hủy methylene blue ..................................................... 61 1.6.3.8 Hệ đo hall .................................................................................................. 62 1.6.3.9. Hệ FTIR Bruker Equinox 55 ................................................................... 62 1.6.3.10. Phương pháp đo góc thấm ướt ............................................................... 63 CHƯƠNG 2 MÀNG MỎNG AZO ............................................................................... 64 2.1 Sự hình thành ion âm .......................................................................................... 64 2.2 Ảnh hưởng của ion âm lên tính chất điện của màng AZO ................................. 66
8. 2.3 Nghiên cứu chế tạo màng AZO không có sự ảnh hưởng của ion âm ................. 68 2.3.1 Các thông số tạo màng.................................................................................. 68 2.3.2 Cấu trúc tinh thể của màng AZO .................................................................. 69 2.3.3 Tính chất quang và điện của màng AZO ...................................................... 72 2.3.3.1 Tính chất điện phụ thuộc khoảng cách đặt mẫu ..................................... 72 2.3.3.2 Tính chất điện của màng phụ thuộc áp suất phún xạ, nhiệt độ đế và phần trăm tạp Al2O3 trong bia ......................................................................... 73 2.3.3.3 Tính chất Quang của màng AZO theo nồng độ hạt tải trong màng và áp suất phún xạ ............................................................................................ 77 2.4 Kết luận chương 2 .............................................................................................. 78 CHƯƠNG 3 MÀNG TiN VÀ TiO2 ....................................................................................... 80 3.1 Tính chất điện và quang của TiN ....................................................................... 80 3.1.1 Khảo sát thế phún xạ theo áp suất riêng phần của nitơ ................................ 80 3.1.1.1 Áp suất riêng phần của nitơ p = 1,5.10-5 torr ........................................ 81 3.1.1.2 Áp suất riêng phần của nitơ p = 2,25.10-5 torr ...................................... 83 3.1.1.3 Áp suất riêng phần của nitơ p = 3.10-4 torr ......................................... 84 3.1.1.4 Áp suất riêng phần của nitơ p = 3,75.10-4 torr ..................................... 85 3.1.1.5 Tổng kết tương quan điện trở suất, thế phún xạ ngưỡng và áp suất riêng phần của nitơ ................................................................................ 87 3.1.2 Khảo sát sự ảnh hưởng điện trở suất theo khoảng cách giữa bia và đế ........ 88 3.1.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của điện trở suất theo nhiệt độ ................................ 90 3.1.4 Khảo sát sự ảnh hưởng điện trở suất theo áp suất khí làm việc ................... 91 3.1.5 Tính chất quang của màng TiN .................................................................... 93 3.2 Tính chất quang và quang xúc tác của màng TiO2 ............................................. 94 3.2.1 Tính chất quang xúc tác của màng TiO2 ....................................................... 94 3.2.2. Khảo sát tính siêu thấm ướt và kị ướt nước của màng TiO2 ...................... 102 3.2.3 Tính chất quang của màng TiO2 ................................................................. 105 3.3 Kết luận chương 3 ............................................................................................ 106
9. CHƯƠNG 4 MÀNG ĐA LỚP GƯƠNG NÓNG TRUYỀN QUA ......................... 108 4.1 Ứng dụng lý thuyết phương pháp ma trận cho hệ màng đa lớp với sự kết hợp của lập chương máy tính................................................................................... 108 4.2 Một số kết quả thực nghiệm ............................................................................. 125 4.2.1 Màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2 ....................................................................... 125 (ngoài) (đệm) (trong) 4.2.2 Màng đa lớp TiO2 /TiO2 /Ti/Ag/Ti/TiO2 và Màng đa lớp (ngoài) (đệm) (trong) TiO2 /TiO2 /TiN/Ag/Ti/TiO2 ............................................... 129 4.2.2.1 Sự oxy hóa kim loại ......................................................................... 130 4.2.2.2 Sự hợp mạng (epitaxy) giữa Ti, TiN với Ag ................................... 132 4.2.2.3 Chế tạo lớp Ti .................................................................................. 135 (ngoài) (đệm) (trong) 4.2.2.4 Màng đa lớp TiO2 /TiO2 /Ti/Ag/Ti/TiO2 ...................... 137 (ngoài) (đệm) (trong) 4.2.2.5 Màng đa lớp TiO2 /TiO2 /TiN/Ag/TiN/TiO2 ................ 141 4.2.2.6. Ảnh hưởng của giao thoa ánh sáng lên độ phản xạ của màng đa lớp ................................................................................................... 142 4.3 Kết luận chương 4 ............................................................................................ 143 KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................................... 145 162 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ.................................................... 148 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 149 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 162 Phụ lục A Chương trình fortran dùng cho thuật toán một bước sóng .......................... i-vi Phụ lục B Chương trình vẽ phổ màng đa lớp ............................................................ vii-ix
10. 1 MỞ ĐẦU Ngày nay, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao, những nguồn năng lượng sạch được quan tâm như năng lượng gió, năng lượng thủy điện, năng lượng Mặt trời Tuy nhiên, những nguồn năng lượng truyền thống như dầu và khí đốt vẫn được sử dụng song song để đáp ứng nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới. Những nguồn năng lượng đó cùng với việc sản xuất khí gas dùng cho máy lạnh là nguồn thải khí gây hiệu ứng nhà kính. Sử dụng ít năng lượng, con người có thể giúp chống nạn hâm nóng địa cầu và tiết kiệm tiền. Vì vậy, vấn đề tiết kiệm năng lượng được quan tâm hàng đầu. Một trong những nguồn tiêu thụ năng lượng lớn không đáng có là nhu cầu sử dụng máy điều hòa nhiệt độ trong các tòa nhà cao tầng. Một giải pháp tối ưu để giải quyết vấn đề này là thay các tấm kính thông thường bằng những tấm kính được phủ màng phản xạ hồng ngoại mà vẫn trong suốt đó là màng gương nóng truyền qua. Tính chất quang học của màng gương nóng truyền qua là truyền qua cao trong vùng khả kiến (bước sóng: 380nm ≤≤λ 760nm ) và phản xạ cao trong vùng hồng ngoại (bước sóng: λ ≥ 760nm ) [19,65,80]. Ngoài mục đích tiết kiệm năng lượng, màng gương nóng truyền qua còn có tác dụng biến quang năng thành nhiệt năng, ứng dụng để chưng cất nước, sấy khô và đun nước nóng. Điều này rất thuận lợi đối với khí hậu Việt Nam; Vì nước ta là nước nhiệt đới, tiềm năng bức xạ Mặt trời vào loại cao trên thế giới, đặc biệt ở các vùng miền phía Nam có nhiều nắng. Màng gương nóng truyền qua có thể chế tạo theo ba hướng [106]. 1. Màng kim loại có độ phản xạ hồng ngoại cao như màng kim loại Ag, Au, Cu, 2. Màng bán dẫn phản xạ hồng ngoại cao như ZnO; SiN; PbO; Bi2O3; SnO2; In2O3 hoặc những loại màng bán dẫn pha tạp như SnO2:F; SnO2:Sb; AZO; GZO; ITO... 3. Màng đa lớp “điện môi/kim loại” hoặc “điện môi/kim loại/điện môi”. Tuy nhiên, màng kim loại thường không bền về cơ, nhiệt và hóa học. Màng bán dẫn phản xạ cao ở vùng bước sóng λ >1400 nm, rất xa so với vùng bức xạ cực đại năng lượng Mặt trời, loại màng này có thể ứng dụng làm máy nước nóng hoặc máy chưng