Luận văn Nghiên cứu chế tạo màng mỏng nền cuo và ZnO định hướng ứng dụng trong linh kiện điện tử

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu chế tạo màng mỏng nền cuo và ZnO định hướng ứng dụng trong linh kiện điện tử

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN *********** Nguyễn Quang Hòa NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG MỎNG NỀN CuO VÀ ZnO ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG LINH KIỆN ĐIỆN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2019
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN *********** Nguyễn Quang Hòa NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG MỎNG NỀN CuO VÀ ZnO ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn Mã số: 9440130.02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Bùi Nguyên Quốc Trình 2. GS.TS. Bạch Thành Công HÀ NỘI, NĂM 2019
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn trực tiếp của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án được thực hiện trong quá trình thực hiện luận án và chưa từng được công bố trong bất ký công trình nào khác. Các số liệu, thông tin, minh chứng và so sánh kết quả từ các nguồn tài liệu tham khảo chỉ phục vụ cho mục đích học thuật và đã được trích dẫn tài liệu theo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Quang Hòa
4. LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS. Bùi Nguyên Quốc Trình, GS. TS. Bạch Thành Công những người thầy đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Tôi xin chân thành bày tỏ sự cảm ơn tới các thầy, cô trong Bộ môn Vật lý Chất rắn, Trung tâm Khoa học Vật liệu và Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã cho tôi những lời khuyên, góp ý hữu ích trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn NCS Lưu Mạnh Quỳnh (Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật lý, ĐHKHTN- ĐHQGHN), GS. Akihiko Fujiwara (Đại học Kwansei Gakuin, Nhật Bản) đã giúp đỡ tôi đo đạc, khảo sát các tính chất của vật liệu, linh kiện và hoàn thiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô Khoa Vật lý, Phòng Sau đại học, ĐHKHTN đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận án này. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các đồng nghiệp, bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình đã luôn tin tưởng ủng hộ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi để tôi có thể hoàn thành luận án của mình . Luận án này được sự hỗ trợ của đề tài cấp Đại học Quốc gia có mã số QG 19-02. Tác giả luận án Nguyễn Quang Hòa
5. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. 4 DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. 7 MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 11 1. Lí do chọn đề tài luận án ................................................................................. 11 2. Mục tiêu của luận án ....................................................................................... 13 3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 13 4. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án ......................................... 13 4.1. Ý nghĩa khoa học ....................................................................................... 13 4.2. Những đóng góp mới của luận án .............................................................. 13 5. Bố cục luận án ................................................................................................. 14 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ÔXÍT BÁN DẪN KIM LOẠI VÀ ỨNG DỤNG ..... 15 1.1. Vật liệu ôxít bán dẫn kim loại ...................................................................... 15 1.2. Vật liệu bán dẫn nền ZnO............................................................................. 17 1.2.1 Cấu trúc tinh thể của ZnO ........................................................................ 18 1.2.2 Tính chất vật lý của ZnO ......................................................................... 20 1.2.3. Cấu trúc, tính chất điện, quang của ZnO pha tạp.................................... 27 1.2.4. Các phương pháp chế tạo ........................................................................ 28 1.2.4.1. Các phương pháp vật lý ................................................................... 28 1.2.4.2. Các phương pháp hóa học ................................................................ 30 1.2.5. Tiềm năng ứng dụng của ZnO và ZnO pha tạp ...................................... 36 1.3. Vật liệu bán dẫn nền CuO ............................................................................ 38 1.3.1. Cấu trúc tinh thể ...................................................................................... 39 1.3.2. Tính chất vật lý của CuO ........................................................................ 42 1.3.4. Tiềm năng ứng dụng của CuO ................................................................ 46 1.4. Ứng dụng trong chế tạo linh kiện điện tử ..................................................... 47 1.4.1 Transistor bán dẫn dạng màng mỏng ....................................................... 47 1.4.2 Pin mặt trời .............................................................................................. 48 1
6. CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍNH CHẤT CỦA CÁC MÀNG MỎNG ........................................................................ 50 2.1. Chế tạo màng mỏng ...................................................................................... 50 2.1.1. Danh mục hóa chất và thiết bị sử dụng chế tạo màng mỏng .................. 50 2.1.2. Quy trình chế tạo ..................................................................................... 52 2.1.2.1. Quy trình chế tạo dung dịch tiền chất .............................................. 52 2.1.2.2. Quy trình chế tạo màng bằng phương pháp quay phủ ..................... 57 2.2. Phương pháp phân tích ................................................................................. 59 2.2.1. Nhiễu xạ tia X ......................................................................................... 59 2.2.2. Kính hiển vi điện tử quét ........................................................................ 61 2.2.3. Phổ tán sắc năng lượng tia X .................................................................. 62 2.2.4. Kính hiển vi lực nguyên tử ..................................................................... 63 2.2.5. Khảo sát tính chất điện của màng mỏng ................................................. 64 2.2.5.1. Phép đo bốn mũi dò ......................................................................... 64 2.2.5.2. Phép đo Hall ..................................................................................... 65 2.2.6. Phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến ............................................................. 66 2.2.7. Khảo sát đặc trưng của transistor dạng màng mỏng và pin mặt trời ...... 67 2.2.7.1. Khảo sát đặc trưng của transistor dạng màng mỏng ........................ 67 2.2.7.2. Khảo sát đặc trưng của pin mặt trời ................................................. 67 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA CÁC MÀNG MỎNG BÁN DẪN LOẠI N VÀ P ....................................................................................... 69 3.1. Các kết quả màng mỏng bán dẫn loại p ....................................................... 69 3.1.1. Kết quả của màng mỏng ZnO:Ag ........................................................... 69 3.1.1.1. Kết quả nghiên cứu cấu trúc tinh thể ............................................... 69 3.1.1.2. Kết quả nghiên cứu hình thái bề mặt ............................................... 73 3.1.1.3. Kết quả nghiên cứu tính chất quang ................................................ 74 3.1.1.3. Kết quả nghiên cứu tính chất điện ................................................... 76 3.1.2. Kết quả của màng mỏng ZnO:Cu ........................................................... 77 3.1.2.1. Kết quả nghiên cứu cấu trúc tinh thể ............................................... 77 3.1.2.2. Kết quả nghiên cứu hình thái bề mặt ............................................... 80 3.1.2.3. Kết quả nghiên cứu tính chất quang ................................................ 81 3.1.2.4. Kết quả nghiên cứu tính chất điện ................................................... 83 3.1.3. Kết quả của màng mỏng CuO ................................................................. 83 3.1.3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ muối đồng và MEA ........................................ 83 3.1.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ ion Cu2+ trong dung dịch tiền chất ........... 88 3.1.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý ......................................................... 97 2
7. 3.2. Các kết quả màng mỏng bán dẫn loại n ..................................................... 101 3.2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ giữa muối kẽm và MEA ...................................... 101 3.2.1.1. Kết quả nghiên cứu cấu trúc tinh thể ............................................. 101 3.2.1.2. Kết quả nghiên cứu hình thái bề mặt ............................................. 103 3.2.1.3. Kết quả nghiên cứu tính chất quang .............................................. 104 3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ Zn2+ trong dung dịch tiền chất ...................... 106 3.2.2.1. Kết quả nghiên cứu cấu trúc tinh thể ............................................. 106 3.2.2.2. Kết quả nghiên cứu hình thái bề mặt ............................................. 107 3.2.2.3. Kết quả nghiên cứu tính chất quang .............................................. 109 3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp Al ...................................................... 110 3.2.3.1. Kết quả nghiên cứu cấu trúc tinh thể ............................................. 110 3.2.3.2. Kết quả nghiên cứu hình thái bề mặt ............................................. 112 3.2.3.3. Kết quả nghiên cứu tính chất quang .............................................. 113 3.2.3.3. Kết quả nghiên cứu tính chất điện ................................................. 114 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MÀNG MỎNG ZNO VÀ CUO ............................. 116 4.1. Ứng dụng chế tạo transistor........................................................................ 116 4.1.1. Chế tạo và khảo sát transistor dạng màng mỏng .................................. 116 4.1.2. Đặc trưng lối ra của transistor ............................................................... 117 4.1.3. Đặc trưng truyền qua của transistor ...................................................... 118 4.2. Ứng dụng chế tạo pin mặt trời .................................................................... 119 4.2.1. Chế tạo và khảo sát các tính chất của màng mỏng ITO ....................... 120 4.2.1.1. Kết quả nghiên cứu cấu trúc tinh thể ............................................. 120 4.2.1.2. Kết quả nghiên cứu hình thái bề mặt ............................................. 122 4.2.1.3. Kết quả nghiên cứu tính chất điện ................................................. 124 4.2.1.4. Kết quả nghiên cứu tính chất quang .............................................. 125 4.2.2. Chế tạo và khảo sát các tính chất của màng mỏng LNO ...................... 126 4.2.2.1. Kết qủa nghiên cứu cấu trúc tinh thể ............................................. 126 4.2.2.2. Kết quả nghiên cứu hình thái bề mặt ............................................. 128 4.2.2.3. Kết quả nghiên cứu tính chất điện ................................................. 130 4.2.3. Chế tạo pin mặt trời .............................................................................. 132 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ................................................... 138 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............................................................................. 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 140 3
8. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AFM Atomic Force Microscope – Kính hiển vi nguyên tử lực ĐHKHTN Trường Đại học Khoa học Tự nhiên ĐHQGHN Đại học Quốc gia Hà Nội EDS Energy dispersive X-ray spectrum – Phổ năng lượng tán sắc tia X Eg Band gap Energy - Độ rộng vùng cấm ITO In2-xSnxO3 LNO LaNiO3 MEA Monoethanolamine SEM Scanning Electron Microscope – Kính hiển vi điện tử quét TFTs Thin film transistors – Transistor dạng màng mỏng UV – vis Ultraviolet Visible – Phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến XRD X-ray Diffraction -Nhiễu xạ tia X 4
9. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Thông số mạng và tính chất của ZnO........................................................ 18 Bảng 1.2 Thông số mạng và tính chất của CuO ....................................................... 39 Bảng 1.3. Sự phát triển của màng mỏng CuO với các phương pháp chế tạo khác nhau .................................................................................................................. 41 Bảng 2.1. Danh mục hóa chất sử dụng để chế tạo dung dịch tiền chất .................... 50 Bảng 2.2: Danh mục các dụng cụ và thiết bị dùng để chế tạo màng mỏng bán dẫn ...... 51 Bảng 2.3: Khối lượng nguyên liệu ban đầu theo tỷ lệ giữa muối kẽm và MEA ...... 52 Bảng 2.4: Khối lượng nguyên liệu ban đầu theo nồng độ ion Zn2+ .......................... 52 Bảng 2.5: Khối lượng các nguyên liệu ban đầu theo tỷ lệ pha tạp Ag ..................... 53 Bảng 2.6: Khối lượng các nguyên liệu ban đầu theo tỷ lệ pha tạp Cu ..................... 53 Bảng 2.7: Khối lượng các nguyên liệu ban đầu theo tỷ lệ pha tạp Al ...................... 53 Bảng 2.8: Khối lượng các nguyên liệu ban đầu theo tỷ lệ giữa muối đồng và MEA ..................................................................................................................... 56 Bảng 2.9: Khối lượng các nguyên liệu ban đầu theo nồng độ ion Cu2+ ................... 56 Bảng 3.1: Hằng số mạng của màng mỏng ZnO:Ag với các nồng độ Ag khác nhau ..... 70 Bảng 3.2: Hằng số mạng của màng mỏng ZnO:Cu với các nồng độ Cu khác nhau ..... 78 Bảng 3.3: Hằng số mạng của màng mỏng CuO với các tỷ lệ giữa Cu2+ và MEA khác nhau ........................................................................................................ 84 Bảng 3.4: Điện trở mặt của màng mỏng CuO với các tỷ lệ MEA khác nhau .......... 86 Bảng 3.5: Hằng số mạng và kích thước tinh thể của màng mỏng CuO với các nồng độ Cu2+ khác nhau ..................................................................................................... 90 Bảng 3.6: Điện trở mặt của màng mỏng CuO với các nồng độ Cu2+ khác nhau ...... 93 Bảng 3.7: Hằng số mạng và kích thước tinh thể của màng mỏng CuO với nhiệt độ ủ khác nhau ................................................................................................. 98 Bảng 3.8: Điện trở mặt của màng mỏng CuO với các nhiệt độ ủ khác nhau ........... 99 Bảng 3.9: Hằng số mạng và kích thước hạt tinh thể của màng mỏng ZnO với các tỷ lệ giữa muối kẽm và MEA khác nhau ................................................................ 102 Bảng 3.10: Hằng số mạng và kích thước hạt tinh thể của màng mỏng ZnO với các nồng độ Zn2+ khác nhau .................................................................................... 107 5
10. Bảng 3.11: Hằng số mạng và kích thước hạt tinh thể của màng mỏng ZnO:Al với các nồng độ pha tạp Al khác nhau .................................................................... 111 Bảng 3.12: Các thông số điện đặc trưng của màng mỏng ZnO:Al với các nồng độ Al khác nhau ............................................................................................. 114 Bảng 4.1: Các thông số đặc trưng điện của transistor dạng màng mỏng CuO với các chiều dài kênh dẫn khác nhau .................................................................... 118 Bảng 4.2: Hằng số mạng và kích thước hạt tinh thể của màng mỏng ITO ............. 121 Bảng 4.3: Các tính chất điện của màng mỏng ITO ủ tại các nhiệt độ khác nhau ... 124 Bảng 4.4: Hằng số mạng và kích thước hạt tinh thể của màng mỏng LNO ........... 127 Bảng 4.5: Điện trở suất của màng mỏng LNO ủ tại các nhiệt độ khác nhau ......... 130 Bảng 4.6: Các thông số điện của màng mỏng LNO ủ tại các nhiệt độ khác nhau .... 131 6