Luận án Tạo màng dẫn điện trong suốt bằng phương pháp phún xạ Magnetron

Nội dung tài liệu: Luận án Tạo màng dẫn điện trong suốt bằng phương pháp phún xạ Magnetron

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------- Trần Cao Vinh TẠO MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Thành phố Hồ Chí Minh - 2009
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------- Trần Cao Vinh TẠO MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON Chuyên ngành: Quang học Mã số: 1.02.18 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS. NGUYỄN HỬU CHÍ Thành phố Hồ Chí Minh - 2009
3. 2 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Nguyễn Hửu Chí, người đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện công trình nghiên cứu này. Thầy đã luôn ủng hộ và động viên tôi hoàn thành bản luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn sự trợ giúp nhiệt tình của các Thầy Cô, các bạn đồng nghiệp và các em sinh viên Bộ môn Vật lý Ứng dụng. Tôi xin chân thành cảm ơn Đội ngũ cán bộ tại Phòng thí nghiệm Vật lý Chân không, Phòng thí nghiệm Vật liệu Kỹ thuật cao, Phòng thí nghiệm Khoa học Vật liệu Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên - Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện giúp tôi thực hiện công trình nghiên cứu. Cảm ơn Ba Mẹ Trần Vũ – Song Tùng đã nuôi nấng và dạy dỗ con nên người. Cảm ơn tất cả thành viên trong gia đình đã cùng chung sống trong sự thương yêu và hòa thuận. Cảm ơn Mai Thuận và Mai An, người vợ và con gái đã luôn bên cạnh và là nguồn động lực giúp tôi hoàn thành luận án này. Trần Cao Vinh
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi là Trần Cao Vinh, nghiên cứu sinh chuyên ngành Quang học của trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Tp. HCM, đã hoàn thành bản Luận án và xin cam đoan rằng các số liệu kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kì công trình nào mà tôi không tham gia. Tác giả Trần Cao Vinh
5. 187 MỤC LỤC MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. ÔXÍT DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT...................................................5 1.1. Các thông số công nghệ đặc trưng của TCO ...............................................5 1.2. Vật liệu ITO và ZnO .....................................................................................10 1.3. Tính chất quang học của ôxít dẫn điện trong suốt (TCO).................................12 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 28 2.1. Phương pháp phún xạ magnetron...............................................................28 2.2. Quá trình thực nghiệm và các phép đo.......................................................28 2.3. Xác định các tính chất quang học của màng mỏng ITO và GZO từ phổ truyền qua bằng mô hình hàm điện môi.....................................................28 CHƯƠNG 3. MÀNG MỎNG ITO....................................................................... 28 3.1. Giới thiệu....................................................................................................28 3.2. Xác định tính chất quang học của màng ITO từ phổ truyền qua ...............28 3.3. Ảnh hưởng của quá trình chế tạo lên tính chất điện và quang của màng ITO trong phương pháp phún xạ magnetron dc.........................................28 3.4. Cơ chế chuyển đổi định hướng ưu tiên của các mặt tinh thể trong quá trình tăng trưởng màng mỏng ITO......................................................................28 3.5. Tăng cường định hướng tinh thể ITO theo mặt (222) dựa trên lớp đệm ZnO và lớp đệm ITO ..................................................................................28 3.6. Kết luận ......................................................................................................28 CHƯƠNG 4. MÀNG MỎNG GZO..................................................................... 28 4.1. Giới thiệu....................................................................................................28 4.2. Chế tạo bia gốm dẫn điện GZO..................................................................28 4.3. Sự hình thành ion âm trong phún xạ từ bia ZnO pha tạp ...........................28 4.4. Xác định tính chất quang học của màng GZO từ phổ truyền qua..............28 4.5. Ảnh hưởng của quá trình chế tạo lên tính chất điện và quang của màng GZO trong phương pháp phún xạ magnetron RF ......................................28 4.6. Kết luận ......................................................................................................28 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 28 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ......................................................................... 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 28
6. DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1. ÔXÍT DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Bảng 2.1 Các thông số trong hàm điện môi Drude mở rộng và Lorentz CHƯƠNG 3. MÀNG MỎNG ITO Bảng 3.1 Các chỉ số trong hàm điện môi của thủy tinh Bảng 3.2 Giá trị của các thông số của hàm điện môi của ITO Bảng 3.3 Điện trở suất và độ truyền qua với khoảng cách bia-đế khác nhau Bảng 3.4 Tính chất điện của màng ITO với áp suất phún xạ khác nhau Bảng 3.5 Tính chất quang của màng ITO với áp suất phún xạ khác nhau Bảng 3.6 Tính chất điện của màng ITO với công suất phún xạ khác nhau Bảng 3.7 Tính chất quang của màng ITO với công suất phún xạ khác nhau Bảng 3.8 Tính chất điện của màng ITO chế tạo ở nhiệt độ đế khác nhau Bảng 3.9 Tính chất quang của màng ITO với nhiệt độ đế khác nhau khi phủ màng Bảng 3.10 Tính chất điện của màng ITO chế tạo với các độ dày khác nhau Bảng 3.11 Tính chất quang của màng ITO với độ dày khác nhau khi phủ màng Bảng 3.12 Tính chất điện của màng ITO chế tạo với lượng ôxi khác nhau Bảng 3.13 Tính chất quang của màng ITO với lượng ôxi khác nhau khi phủ màng Bảng 3.14 So sánh các hệ số dãn nở nhiệt và đàn hồi của vật liệu màng và đế được sử dụng Bảng 3.15 Tính chất điện của màng ITO chế tạo ở nhiệt độ phòng, sau đó ủ nhiệt trong môi trường không khí Bảng 3.16 So sánh tính chất quang và điện của màng ITO chế tạo ở nhiệt độ phòng và nung ở 300oC trong không khí với màng ITO chế tạo ở nhiệt độ 350oC trong chân không
7. Bảng 3.17 Độ biến dạng của màng ITO với mặt (222) và (400) Bảng 3.18 So sánh tính chất quang và điện của màng ITO /ZnO/glass với màng ITO/glass Bảng 3.19 So sánh tính chất quang và điện của màng ITO/O-ITO/glass với màng ITO/glass CHƯƠNG 4. MÀNG MỎNG GZO Bảng 4.1 Độ kết khối của vật liệu bia GZO và AZO Bảng 4.2 Giá trị của các thông số của hàm điện môi của GZO Bảng 4.3 Tính chất điện của màng GZO chế tạo với khoảng cách bia-đế khác nhau Bảng 4.4 Tính chất điện của màng GZO với áp suất phún xạ khác nhau Bảng 4.5 Tính chất quang của màng GZO với khoảng cách bia-đế khác nhau Bảng 4.6 Tính chất quang của màng GZO với áp suất phún xạ khác nhau Bảng 4.7 Tính chất điện của màng GZO với công suất phún xạ khác nhau Bảng 4.8 Tính chất quang của màng GZO với công suất phún xạ khác nhau Bảng 4.9 Tính chất điện của màng GZO chế tạo ở nhiệt độ đế khác nhau Bảng 4.10 Tính chất quang của màng GZO chế tạo ở các nhiệt độ đế khác nhau Bảng 4.11 Tính chất điện và quang của màng GZO chế tạo với độ dày khác nhau Bảng 4.12 Sự thay đổi điện trở suất của GZO theo điều kiện ủ nhiệt Bảng 4.13 Khảo sát độ bền nhiệt của màng GZO KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH TÀI LIỆU THAM KHẢO
8. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1. ÔXÍT DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT Hình 1.1 Dạng của phần thực và phần ảo của độ cảm điện χve tính từ mô hình dao động của điện tử liên kết Hình 1.2 Mô hình cấu trúc với vùng dẫn và vùng hóa trị parabol ngăn cách bởi vùng cấm Eg0 khi không pha tạp (a); sau khi pha tạp nặng vùng cấm quang học được mở rộng chỉ do hiệu ứng Burstein-Moss (b); cấu trúc vùng bị nhiễu loạn và thu hẹp bởi sự tán xạ hệ nhiều hạt (c). Vùng gạch đậm ký hiệu trạng thái bị chiếm. Dịch chuyển quang học xảy ra ở vectơ sóng Fermi [83]. CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hình 2.1 Phân bố từ trường và quĩ đạo điện tử trên bề mặt cathode phẳng Hình 2.2 Mô tả hệ phún xạ magnetron phẳng Hình 2.3 Sự phân bố thế trong phún xạ magnetron cân bằng ở chế độ dc và rf Hình 2.4 Thế phún xạ cathode trong magnetron dc và rf theo công suất phóng điện đối với bia ZnO ở áp suất 0.8 Pa Hình 2.5 Vận tốc lắng đọng trong magnetron dc và rf theo công suất phóng điện Hình 2.6 Sự phụ thuộc của vận tốc phủ theo năng lượng ion bắn phá Hình 2.7 Sự phụ thuộc của mật độ dòng ion bão hòa lên đế theo áp suất Ar với bia ZnO ở công suất 50 W Hình 2.8 Sự phụ thuộc của công suất nhiệt trên đế trong phún xạ dc và rf bia ZnO vào: a) Áp suất làm việc b) Công suất phóng điện Hình 2.9 Các giai đoạn dung kết Hình 2.10 Quy trình tạo bia phún xạ bằng phương pháp dung kết Hình 2.11 Hệ tạo màng Univex 450
9. Hình 2.12 Mô hình bố trí bia và đế trong thực nghiệm Hình 2.13 Biểu diễn mô hình sự phụ thuộc của tần số va chạm điện tử vào tần số CHƯƠNG 3. MÀNG MỎNG ITO Hình 3.1 Phổ đo và phổ mô phỏng của đế thủy tinh cùng với bố trí phép đo truyền qua. Hình 3.2 Hàm điện môi, chiết suất và hệ số tắt của đế thủy tinh Marienfeld được xác định từ phổ truyền qua. Hình 3.3. Phổ đo truyền qua và phổ tính toán của màng ITO trên đế thủy tinh từ mô hình Drude mở rộng + Lorentz. Hình 3.4. Giá trị theo bước sóng của phần thực và phần ảo của hàm điện môi, chiết suất và hệ số tắt của màng ITO thu được từ mô hình Drude mở rộng + Lorentz. Hình 3.5. Bình phương hệ số hấp thụ theo năng lượng photon tính từ hệ số tắt κ và dạng của bờ hấp thụ của ITO Hình 3.6. Sự phụ thuộc của tần số va chạm điện tử và độ linh động điện tử trong màng ITO theo bước sóng photon kích thích Hình 3.7 Điện trở suất của ITO thay đổi theo khoảng cách bia – đế Hình 3.8 Điện trở suất, nồng độ và độ linh động điện tử của màng ITO với áp suất Ar khác nhau khi phủ màng Hình 3.9 Phổ truyền qua và phản xạ của màng ITO với áp suất Ar khác nhau khi phủ màng Hình 3.10 Chiết suất và hệ số tắt của màng ITO với áp suất Ar khác nhau khi phủ màng Hình 3.11 Tính chất điện của màng ITO theo mật độ công suất phún xạ Hình 3.12 Phổ truyền qua và phản xạ của màng ITO với công suất khác nhau khi phủ màng Hình 3.13 Chiết suất và hệ số tắt của màng ITO với công suất khác nhau khi phủ màng
10. Hình 3.14 Hệ số hấp thụ của màng ITO với công suất khác nhau khi phủ màng Hình 3.15 Điện trở suất, nồng độ và độ linh động điện tử của màng ITO khi được chế tạo với nhiệt độ đế khác nhau Hình 3.16 Giản đồ nhiễu xạ của màng ITO khảo sát ở các nhiệt độ đế khác nhau o cho thấy sự tăng trưởng tinh thể rỏ rệt xảy ra khi TS > 150 C Hình 3.17 Phổ truyền qua của các màng ITO khi được chế tạo với nhiệt độ đế khác nhau Hình 3.18 Phổ truyền qua và phản xạ của các màng ITO khi được chế tạo với nhiệt độ đế khác nhau Hình 3.19 Chiết suất và hệ số tắt của màng ITO với nhiệt độ đế khác nhau khi phủ màng Hình 3.20 Dịch chuyển bờ hấp thụ của các màng ITO khi được chế tạo với nhiệt độ đế khác nhau Hình 3.21 Điện trở suất, nồng độ và độ linh động điện tử của màng ITO khi được chế tạo với độ dày khác nhau Hình 3.22 Giản đồ nhiễu xạ màng ITO theo các độ dày khác nhau Hình 3.23 Phổ truyền qua và phản xạ của màng ITO khi được chế tạo với độ dày khác nhau Hình 3.24 Chiết suất và hệ số tắt của màng ITO với các độ dày màng khác nhau Hình 3.25 Sự thay đổi của hệ số hấp thụ của màng ITO ở gần bờ hấp thụ với các độ dày màng khác nhau Hình 3.26 Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng ITO trong điều kiện nhiệt độ đế và áp suất riêng phần ôxi khác nhau Hình 3.27 Điện trở suất, nồng độ và độ linh động điện tử của màng ITO khi được chế tạo với hàm lượng ôxi khác nhau Hình 3.28 Phổ truyền qua và phản xạ của màng ITO khi được chế tạo với hàm lượng ôxi khác nhau Hình 3.29 Chiết suất và hệ số tắt của màng ITO khi được chế tạo với hàm lượng ôxi khác nhau