Download Luận án Tạo màng dẫn điện trong suốt bằng phương pháp phún xạ magnetron
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.1
CHƯƠNG 1. ÔXÍT DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT.5
1.1. Các thông sốcông 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 xạmagnetron.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 từphổ
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 từphổtruyền qua .28
3.3. Ảnh hưởng của quá trình chếtạo lên tính chất điện và quang của màng
ITO trong phương pháp phún xạmagnetron dc.28
3.4. Cơchếchuyển đổi định hướng ưu tiên của các mặt tinh thểtrong quá trình
tăng trưởng màng mỏng ITO.28
3.5. Tăng cường định hướng tinh thểITO 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. Chếtạo bia gốm dẫn điện GZO.28
4.3. Sựhình thành ion âm trong phún xạtừbia ZnO pha tạp .28
4.4. Xác định tính chất quang học của màng GZO từphổtruyền qua.28
4.5. Ảnh hưởng của quá trình chếtạo lên tính chất điện và quang của màng
GZO trong phương pháp phún xạmagnetron RF .28
4.6. Kết luận .28
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 28
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH . 28
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 28
Để tải bản DOC Đầy Đủ xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.
dễ dàng khử SnO2 làm tăng độ hấp thụ. ZnO ngược lại có thể chịu được sự khử
trong môi trường plasma hyđrô và thích hợp cho các ứng dụng như trong pin mặt
trời dựa trên Si vô định hình.
1.1.7. Chi phí sản xuất
Chi phí cho sản xuất vật liệu TCO phụ thuộc vào giá của vật liệu thô và chi
phí quá trình biến nó thành màng. In là nguyên tố hiếm và đắt, được khai thác như
sản phẩm phụ trong quặng của các kim loại như Zn và Pb. Không có khai thác
quặng của riêng In vì nồng độ trong khoáng quá thấp và hiệu suất kinh tế thấp. Do
đó nguồn cung cấp In không thể tăng đáng kể. Chi phí của các phương pháp phủ
màng thường theo thứ tự tăng dần như sau: CVD trong không khí < bay hơi chân
10
không < phún xạ magnetron < CVD áp suất thấp < sol-gel < xung laser. Vận tốc của
quá trình là rất quan trọng trong tính chi phí. CVD trong không khí, bay hơi chân
không, phún xạ magnetron có vận tốc phủ màng cao và khả năng phủ màng có diện
tích lớn. CVD ở áp suất thấp có chi phí thiết bị cao hơn so với CVD trong khí
quyển. Phương pháp Sol-gel có vận tốc tạo màng thấp do các bước làm khô và ủ
nhiệt màng, trong khi xung laser chỉ phù hợp cho những đế có diện tích nhỏ. Việc
sắp xếp này chỉ là sự so sánh sơ bộ chi phí sản xuất vì còn nhiều yếu tố khác sẽ phải
kể đến khi phân tích toàn bộ tính kinh tế của quá trình như qui mô sản xuất, sự đồng
nhất và ổn định trong chất lượng sản phẩm, sự thuận lợi trong điều khiển và kiểm
soát qui trình sản xuất…
1.2. Vật liệu ITO và ZnO
Màng ôxít In2O3 pha tạp Sn (ITO), có độ truyền qua cao ở vùng khả kiến và
điện trở suất thấp đã được dùng làm điện cực trong suốt trong các loại màn hiện
hình, pin mặt trời màng mỏng, và gần đây được dùng chủ yếu trong công nghệ màn
hình phẳng (FPD), đi-ốt phát quang hữu cơ (OLED). Màng ITO đã được nghiên cứu
từ rất lâu và cho đến nay vẫn được xem là vật liệu tốt nhất cả về tính chất quang,
tính chất điện và độ bền cơ hóa nên vẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng
dụng. Hiện nay, ngoài việc tìm các vật liệu khác thay thế cho ITO như ZnO và SnO2
pha tạp, nhiều nghiên cứu vẫn được tiếp tục tiến hành trên ITO để giảm điện trở
suất hơn nữa (~10-4 Ωcm) trong khi mức độ trong suốt vẫn cao (> 85% trên đế thủy
tinh). Ngoài ra, mỗi ứng dụng khác nhau lại đòi hỏi những mức độ ưu tiên khác
nhau về tính chất điện, quang hay cấu trúc tinh thể của màng ITO, do đó việc
nghiên cứu sự ảnh hưởng của phương pháp và điều kiện chế tạo lên các tính chất
như cấu trúc tinh thể, sự định hướng tinh thể, tính chất bề mặt, tính chất cơ học, độ
bền hóa học,… là cần thiết nhằm tăng cường hiệu năng sử dụng ITO cho các linh
kiện trong thực tiễn [9], [13], [14], [25], [30], [72], [95], [107], [110].
Hiện nay việc sử dụng ITO làm TCO có nguy cơ bị giới hạn bởi giá thành của
vật liệu do In là một kim loại hiếm và đắt. Lượng quặng của In thì rất nhỏ so với các
11
nguyên tố khác. In thì được trích ra từ quá trình tinh chế quặng Zn nên sản lượng
phụ thuộc vào lượng Zn khai thác, do đó rất khó để gia tăng lượng In tạo thành. Nếu
những nhu cầu về màng trong suốt dẫn điện tăng lên trong tương lai thì chúng ta sẽ
gặp vấn đề về nguồn cung cấp In để làm vật liệu ban đầu cho ITO. Trong khi đó,
việc chế tạo màng ZnO có các thuận lợi hơn như ZnO rất rẻ do trữ lượng quặng lớn,
có điện trở suất thấp gần tương đương màng ITO khi pha tạp thích hợp, độ hấp thụ
thấp hơn ITO trong vùng khả kiến. Do vậy, màng ZnO pha tạp được mong đợi như
là màng dẫn điện trong suốt để thay thế ITO. Tuy nhiên, trong trường hợp màng
ZnO có pha tạp Al (AZO), để nhận được điện trở ở mức 10-4 Ω.cm trên đế thủy tinh
bằng phương pháp phún xạ thì đòi hỏi đế phải được thiết kế một cách đặc biệt như
đế phải được đặt vuông góc với bề mặt bia. Tốc độ tạo màng trong trường hợp này
không cao hơn 5 Å/s [2]. Trong lĩnh vực sản suất, vận tốc tạo màng thấp là một
nhược điểm lớn vì nó sẽ không làm giảm giá thành sản phẩm. Đối với yêu cầu về độ
bền nhiệt trong các thiết bị hiển thị, thiết bị nhiệt hay gương phản xạ nhiệt thì một
điều rất quan trọng là tính chất quang và tính chất điện của màng không thể bị mất
đi do xử lý ở nhiệt độ cao trong môi trường không khí. Màng ITO có sức chịu nhiệt
khá tốt trong môi trường ôxi hóa. Màng ITO được sử dụng chủ yếu trong các thiết
bị hiển thị, vì khả năng chịu nhiệt của các thiết bị này không cần vượt quá 300oC.
Trái lại, màng ZnO chịu nhiệt rất kém trong môi trường ôxi hoá khi so sánh với ITO
và đây là vấn đề cần giải quyết khi ứng dụng vào trong thực tế. Để tăng khả năng
dẫn và khả năng chịu nhiệt của màng ZnO, người ta phải pha tạp nguyên tố nhóm
III như B, Al, Ga, In vào trong ZnO. Bằng cách đó, độ bền nhiệt trong môi trường
không ôxi hoá như khí Ar hay trong chân không có thể được tăng cường. Tuy
nhiên, ngay cả khi pha tạp nguyên tố nhóm III như Al thì điện trở của màng vẫn có
thể tăng lên nhiều lần khi xử lý nhiệt ở trên 200oC trong môi trường không khí và
khi đó nó không còn có tác dụng là màng dẫn điện nữa. Nên mặc dù là vật liệu có
chi phí thấp để có thể thay thế ITO, màng ZnO pha tạp Al lại chưa được sử dụng
rộng rãi trong thực tế vì độ bền nhiệt của màng trong môi trường ôxi hoá là không
đủ lớn, dẫn đến ưu điểm về chi phí vật liệu ban đầu thấp của màng ZnO pha tạp vẫn
12
chưa được khai thác. Do vậy, gia tăng khả năng chịu nhiệt của màng ZnO trong môi
trường khí quyển là một việc rất quan trọng. Mặc dù được chế tạo và nghiên cứu từ
hơn nửa thế kỷ qua, nhưng nghiên cứu cơ bản và ứng dụng công nghệ của vật liệu
ITO, ZnO nói riêng và TCO nói chung, vẫn là một hướng nghiên cứu thu hút nhiều
sự quan tâm trong giới khoa học [37].
1.3. Tính chất quang học của ôxít dẫn điện trong suốt (TCO)
Tính chất quang và điện của vật liệu TCO có thể được xây dựng trên cơ sở cả
lý thuyết cổ điển và lý thuyết lượng tử. Mặc dù lý thuyết lượng tử đã chiếm ưu thế,
nhưng lý thuyết cổ điển dựa trên mô hình điện tử tự do Drude vẫn áp dụng tốt cho
trường hợp TCO. Đặc trưng quang học quan trọng của TCO là nó có cửa sổ truyền
qua trong vùng khả kiến, bước sóng xấp xỉ từ 0.4 µm đến 1.2 µm như đối với ITO
và ZnO pha tạp. Ở vùng bước sóng ngắn (< 0.4 µm) hấp thụ xảy ra do bờ hấp thụ cơ
bản và được giải thích trên cơ sở lượng tử. Ở vùng bước sóng dài, thường trong
vùng hồng ngoại gần, sự hấp thụ và phản xạ mạnh xảy ra ở bờ plasma và lý thuyết
cổ điển được áp dụng để giải thích. Vị trí các bước sóng ở đó các quá trình chuyển
tiếp xảy ra được xác định bởi nhiều thông số đặc trưng cơ bản của vật liệu TCO.
Mối quan hệ giữa các tính chất quang và điện của TCO trong vùng bước sóng
khảo sát được xây dựng dựa trên hệ phương trình Maxwell và lí thuyết điện tử
Lorentz [21]. Vật liệu TCO được giả sử bao g...
Download miễn phí Luận án Tạo màng dẫn điện trong suốt bằng phương pháp phún xạ magnetron
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.1
CHƯƠNG 1. ÔXÍT DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT.5
1.1. Các thông sốcông 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 xạmagnetron.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 từphổ
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 từphổtruyền qua .28
3.3. Ảnh hưởng của quá trình chếtạo lên tính chất điện và quang của màng
ITO trong phương pháp phún xạmagnetron dc.28
3.4. Cơchếchuyển đổi định hướng ưu tiên của các mặt tinh thểtrong quá trình
tăng trưởng màng mỏng ITO.28
3.5. Tăng cường định hướng tinh thểITO 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. Chếtạo bia gốm dẫn điện GZO.28
4.3. Sựhình thành ion âm trong phún xạtừbia ZnO pha tạp .28
4.4. Xác định tính chất quang học của màng GZO từphổtruyền qua.28
4.5. Ảnh hưởng của quá trình chếtạo lên tính chất điện và quang của màng
GZO trong phương pháp phún xạmagnetron RF .28
4.6. Kết luận .28
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 28
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH . 28
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 28
Để tải bản DOC Đầy Đủ xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.
Tóm tắt nội dung:
i trường có hyđrô. Môi trường plasma nàydễ dàng khử SnO2 làm tăng độ hấp thụ. ZnO ngược lại có thể chịu được sự khử
trong môi trường plasma hyđrô và thích hợp cho các ứng dụng như trong pin mặt
trời dựa trên Si vô định hình.
1.1.7. Chi phí sản xuất
Chi phí cho sản xuất vật liệu TCO phụ thuộc vào giá của vật liệu thô và chi
phí quá trình biến nó thành màng. In là nguyên tố hiếm và đắt, được khai thác như
sản phẩm phụ trong quặng của các kim loại như Zn và Pb. Không có khai thác
quặng của riêng In vì nồng độ trong khoáng quá thấp và hiệu suất kinh tế thấp. Do
đó nguồn cung cấp In không thể tăng đáng kể. Chi phí của các phương pháp phủ
màng thường theo thứ tự tăng dần như sau: CVD trong không khí < bay hơi chân
10
không < phún xạ magnetron < CVD áp suất thấp < sol-gel < xung laser. Vận tốc của
quá trình là rất quan trọng trong tính chi phí. CVD trong không khí, bay hơi chân
không, phún xạ magnetron có vận tốc phủ màng cao và khả năng phủ màng có diện
tích lớn. CVD ở áp suất thấp có chi phí thiết bị cao hơn so với CVD trong khí
quyển. Phương pháp Sol-gel có vận tốc tạo màng thấp do các bước làm khô và ủ
nhiệt màng, trong khi xung laser chỉ phù hợp cho những đế có diện tích nhỏ. Việc
sắp xếp này chỉ là sự so sánh sơ bộ chi phí sản xuất vì còn nhiều yếu tố khác sẽ phải
kể đến khi phân tích toàn bộ tính kinh tế của quá trình như qui mô sản xuất, sự đồng
nhất và ổn định trong chất lượng sản phẩm, sự thuận lợi trong điều khiển và kiểm
soát qui trình sản xuất…
1.2. Vật liệu ITO và ZnO
Màng ôxít In2O3 pha tạp Sn (ITO), có độ truyền qua cao ở vùng khả kiến và
điện trở suất thấp đã được dùng làm điện cực trong suốt trong các loại màn hiện
hình, pin mặt trời màng mỏng, và gần đây được dùng chủ yếu trong công nghệ màn
hình phẳng (FPD), đi-ốt phát quang hữu cơ (OLED). Màng ITO đã được nghiên cứu
từ rất lâu và cho đến nay vẫn được xem là vật liệu tốt nhất cả về tính chất quang,
tính chất điện và độ bền cơ hóa nên vẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng
dụng. Hiện nay, ngoài việc tìm các vật liệu khác thay thế cho ITO như ZnO và SnO2
pha tạp, nhiều nghiên cứu vẫn được tiếp tục tiến hành trên ITO để giảm điện trở
suất hơn nữa (~10-4 Ωcm) trong khi mức độ trong suốt vẫn cao (> 85% trên đế thủy
tinh). Ngoài ra, mỗi ứng dụng khác nhau lại đòi hỏi những mức độ ưu tiên khác
nhau về tính chất điện, quang hay cấu trúc tinh thể của màng ITO, do đó việc
nghiên cứu sự ảnh hưởng của phương pháp và điều kiện chế tạo lên các tính chất
như cấu trúc tinh thể, sự định hướng tinh thể, tính chất bề mặt, tính chất cơ học, độ
bền hóa học,… là cần thiết nhằm tăng cường hiệu năng sử dụng ITO cho các linh
kiện trong thực tiễn [9], [13], [14], [25], [30], [72], [95], [107], [110].
Hiện nay việc sử dụng ITO làm TCO có nguy cơ bị giới hạn bởi giá thành của
vật liệu do In là một kim loại hiếm và đắt. Lượng quặng của In thì rất nhỏ so với các
11
nguyên tố khác. In thì được trích ra từ quá trình tinh chế quặng Zn nên sản lượng
phụ thuộc vào lượng Zn khai thác, do đó rất khó để gia tăng lượng In tạo thành. Nếu
những nhu cầu về màng trong suốt dẫn điện tăng lên trong tương lai thì chúng ta sẽ
gặp vấn đề về nguồn cung cấp In để làm vật liệu ban đầu cho ITO. Trong khi đó,
việc chế tạo màng ZnO có các thuận lợi hơn như ZnO rất rẻ do trữ lượng quặng lớn,
có điện trở suất thấp gần tương đương màng ITO khi pha tạp thích hợp, độ hấp thụ
thấp hơn ITO trong vùng khả kiến. Do vậy, màng ZnO pha tạp được mong đợi như
là màng dẫn điện trong suốt để thay thế ITO. Tuy nhiên, trong trường hợp màng
ZnO có pha tạp Al (AZO), để nhận được điện trở ở mức 10-4 Ω.cm trên đế thủy tinh
bằng phương pháp phún xạ thì đòi hỏi đế phải được thiết kế một cách đặc biệt như
đế phải được đặt vuông góc với bề mặt bia. Tốc độ tạo màng trong trường hợp này
không cao hơn 5 Å/s [2]. Trong lĩnh vực sản suất, vận tốc tạo màng thấp là một
nhược điểm lớn vì nó sẽ không làm giảm giá thành sản phẩm. Đối với yêu cầu về độ
bền nhiệt trong các thiết bị hiển thị, thiết bị nhiệt hay gương phản xạ nhiệt thì một
điều rất quan trọng là tính chất quang và tính chất điện của màng không thể bị mất
đi do xử lý ở nhiệt độ cao trong môi trường không khí. Màng ITO có sức chịu nhiệt
khá tốt trong môi trường ôxi hóa. Màng ITO được sử dụng chủ yếu trong các thiết
bị hiển thị, vì khả năng chịu nhiệt của các thiết bị này không cần vượt quá 300oC.
Trái lại, màng ZnO chịu nhiệt rất kém trong môi trường ôxi hoá khi so sánh với ITO
và đây là vấn đề cần giải quyết khi ứng dụng vào trong thực tế. Để tăng khả năng
dẫn và khả năng chịu nhiệt của màng ZnO, người ta phải pha tạp nguyên tố nhóm
III như B, Al, Ga, In vào trong ZnO. Bằng cách đó, độ bền nhiệt trong môi trường
không ôxi hoá như khí Ar hay trong chân không có thể được tăng cường. Tuy
nhiên, ngay cả khi pha tạp nguyên tố nhóm III như Al thì điện trở của màng vẫn có
thể tăng lên nhiều lần khi xử lý nhiệt ở trên 200oC trong môi trường không khí và
khi đó nó không còn có tác dụng là màng dẫn điện nữa. Nên mặc dù là vật liệu có
chi phí thấp để có thể thay thế ITO, màng ZnO pha tạp Al lại chưa được sử dụng
rộng rãi trong thực tế vì độ bền nhiệt của màng trong môi trường ôxi hoá là không
đủ lớn, dẫn đến ưu điểm về chi phí vật liệu ban đầu thấp của màng ZnO pha tạp vẫn
12
chưa được khai thác. Do vậy, gia tăng khả năng chịu nhiệt của màng ZnO trong môi
trường khí quyển là một việc rất quan trọng. Mặc dù được chế tạo và nghiên cứu từ
hơn nửa thế kỷ qua, nhưng nghiên cứu cơ bản và ứng dụng công nghệ của vật liệu
ITO, ZnO nói riêng và TCO nói chung, vẫn là một hướng nghiên cứu thu hút nhiều
sự quan tâm trong giới khoa học [37].
1.3. Tính chất quang học của ôxít dẫn điện trong suốt (TCO)
Tính chất quang và điện của vật liệu TCO có thể được xây dựng trên cơ sở cả
lý thuyết cổ điển và lý thuyết lượng tử. Mặc dù lý thuyết lượng tử đã chiếm ưu thế,
nhưng lý thuyết cổ điển dựa trên mô hình điện tử tự do Drude vẫn áp dụng tốt cho
trường hợp TCO. Đặc trưng quang học quan trọng của TCO là nó có cửa sổ truyền
qua trong vùng khả kiến, bước sóng xấp xỉ từ 0.4 µm đến 1.2 µm như đối với ITO
và ZnO pha tạp. Ở vùng bước sóng ngắn (< 0.4 µm) hấp thụ xảy ra do bờ hấp thụ cơ
bản và được giải thích trên cơ sở lượng tử. Ở vùng bước sóng dài, thường trong
vùng hồng ngoại gần, sự hấp thụ và phản xạ mạnh xảy ra ở bờ plasma và lý thuyết
cổ điển được áp dụng để giải thích. Vị trí các bước sóng ở đó các quá trình chuyển
tiếp xảy ra được xác định bởi nhiều thông số đặc trưng cơ bản của vật liệu TCO.
Mối quan hệ giữa các tính chất quang và điện của TCO trong vùng bước sóng
khảo sát được xây dựng dựa trên hệ phương trình Maxwell và lí thuyết điện tử
Lorentz [21]. Vật liệu TCO được giả sử bao g...