Luận văn Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật lý của vật liệu nano tinh thể sixge1 - X trên nền Sio2

trên chúng ta thấy rằng Silic là vật liệu chủ yếu, quan trọng để chế tạo các linh kiện điện tử, vi mạch điện tử. Silic là vật liệu thích hợp nhất đối với công nghệ palasmar là công nghệ chính trong công nghệ chế tạo linh kiện và mạch vi điện tử. Silic không phông phải vật liệu quang điện tử nhưng người ta đang nghiên cứu Silic có cấu trúc nano và những lớp SixGe1-x nuôi trên đế Silic để ứng dụng vào quang điện tử và những lĩnh vực khác. Silic có cấu trúc nano bao gồm Si-nano-tinh thể, dây lượng tử, chấm lượng tử và Silic xốp (porous silic). Trong các cấu trúc nano, hiệu ứng nhốt lượng tử thường đưa đến hiện tượng tăng cường hiệu suất phát xạ và sự dịch chuyển về phía năng lượng cao của đỉnh phát xạ, sự dịch chuyển này phụ thuộc vào kích thước cấu trúc nano. 1.3. Giới thiệu về vật liệu Ge 1.3.1 Vật liệu Germani tinh thể khối Germani (Ge) là nguyên tố thuộc nhóm 4 của bảng tuần hoàn. Những tính chất hóa học của Ge đã được Mendeleev tiên đoán từ năm 1771. Ge là một nguyên tố màu trắng ánh xám, cứng có nước bóng kim loại và cấu trúc tinh thể tương tự như kim cương. Ngoài ra, một điều quan trọng cần lưu ý là Ge là chất bán dẫn, với các tính chất điện nằm giữa các kim loại và các chất cách điện. Ở trạng thái nguyên chất, á kim này là chất kết tinh, giòn và duy trì độ bóng trong không khí ở nhiệt độ phòng. Các kỹ thuật tinh chế khu vực đã dẫn tới việc sản xuất Ge kết tinh cho ngành công nghiệp bán dẫn với hàm lượng tạp chất chỉ ở cấp độ 10−10. Cùng với gali, bitmut, antimoan và nước, nó là một trong các chất giãn nở ra khi đóng băng. Dạng ôxít, đioxít Ge, cũng có tính chất bất thường như có chiết suất cao đối với ánh sáng nhìn thấy, nhưng lại là trong suốt với ánh sáng hồng ngoại. [1, 2] Bảng 1.2: Các thông số vật lý của vật liệu Ge. [1, 2, 4, 9] Các tính chất vật lý Các thông số Số nguyên tử 32 Nguyên tử lượng 72,6 Cấu hình điện tử 1s22s22p63s23p63d104s24p2 Cấu trúc tinh thể Kiểu kim cương (Lập phương tâm mặt) Trọng lượng riêng 5,32 g/cm3 Hằng số điện môi 16 Nhiệt độ nóng chảy 938 oC Số nguyên tử/cm3 4,4.1022 Năng lượng vùng cấm(00K – EG0 – eV) 0,785 Năng lượng vùng cấm ở 3000K (eV) 0,72 Nồng độ hạt dẫn điện tử ở 3000K (cm3) 2,5.1013 Hẳng số mạng ở 300K 5,66Å 1.3.2. Cấu trúc vùng năng lượng và tính chất quang của Germani tinh thể khối Về mặt cấu tạo Ge cũng giống như Si thuộc phân nhóm 4 có cấu trúc vỏ ngoài cùng là (1s2)(2s2)(2p6)(3s2)(3p6)(3d10)(4s2)(4p2). Như vậy lớp ngoài cùng chưa điền đầy. Tinh thể Ge cũng thuộc loại tinh thể kim cương. Sơ đồ mạng tinh thể của nó được biểu diễn trên hình vẽ. Ở mỗi nút mạng có lõi ion mang điện tích +4 và 4 electron hóa trị gắn với nó. Những electron này cùng với các electron của 4 nguyên tử gần nhất tạo thành các mối liên kết bền vững. [4] Năng lượng (eV) Vecto sóng (k) Hình 1.5: Giản đồ năng lượng của Ge trong vùng E1. [2, 9] Hình 1.6: Biểu diễn sơ đồ mạng tinh thể Ge Vùng năng lượng của Ge cơ bản giống với vùng năng lượng của Si. Sơ đồ vùng năng lượng được biểu diễn trong hình 1.4. Cấu trúc vùng dẫn của Ge khác với vùng dẫn của Si nhiều hơn và so với vùng hóa trị của chúng. Sự khác nhau cơ bản nhất là cực tiểu vùng dẫn Ge nằm ở trên vùng Broullin theo hướng [111] của tinh thể. Biểu thức năng lượng có dạng: 1.8 Trong đó: - m*1 = m*2. m*1 là khối lượng hiệu dụng ngang m*3 là khối lượng hiệu dụng dọc. Mặt đẳng năng của Ge là 8 nửa hình xoay khối elip dọc theo các trục [111], biên của vùng Broullin tại tâm các hình xoay khối elip và các mặt năng lượng không đổi. Cần chú ý rằng tại một điểm trên vùng Broullin, nếu dung một mặt đang có năng lượng lớn hơn cực tiểu một ít thì chỉ có một nửa elip nằm trong vùng Broullin thứ nhất. Như vậy với 8 cựa tiểu đối xứng chúng ta chỉ có 8 nửa elip nằm trong vùng Broullin. Nói cách khác chúng ta chỉ có 4 elip nằm trong vùng Broullin. Vùng cấm của Ge cũng thuộc vào vùng cấm xiên như Si, bề rộng vùng cấm cũng có thể biểu diễn gần đúng bằng công thức . Ở 300K ta có DEg(Ge)=0,66 eV. Điều này cần lưu ý khi tính mật độ trạng thái trong vùng dẫn. Cấu trúc vùng năng lượng Ge cũng thuộc loại vùng cấm xiên, bề rộng vùng cấm Ge ở 0K là 0,69 eV, ở 300 K là 0,66 eV. Như vậy dựa vào cấu trúc vùng năng lượng của Si và Ge, ta thấy khi ở 300K bề rộng vùng cấm DEg(Si)=1,12eV và của DEg(Ge)= 0,66 eV. [2, 9] Theo thực nghiệm vùng năng lượng đạt giá trị cực đại là DEg=1 eV, ta thấy vùng năng lượng của DEg(Si)=1,12eV của DEg(Ge)=0,66 eV. Như vậy khi sử dụng chúng để nâng cao hiệu suất của Pin Mặt Trời ta sẽ kết hợp 2 tinh thể đó tạo thành tinh thể nano SixGe1-x. Để hình thành tinh thể SixGe1-x từ Si và Ge có rất nhiều phương pháp, trên đây tôi sử dụng phương pháp phún xạ dựa trên nền SiO2. 1.4. Vật liệu Si có cấu trúc nano. 1.4.1. Các cấu trúc thấp chiều của vật liệu Silic. Quan điểm về khả năng phát quang của Si đã thay đổi khi Canham [13] công bố vào năm 1990 về sự phát quang từ Si xốp ở nhiệt độ phòng. Đây là bước đột phá trong công nghệ Si đã tạo nên một làn sóng nghiên cứu mới cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm nhằm giải thích cơ chế phát quang của Si có cấu trúc nano. Điểm mấu chốt trong công bố của Canham ở chỗ khả năng phát quang của vật liệu Si thay đổi từ rất yếu, không đáng kể ở dạng tinh thể khối thành phát quang mạnh ở nhiệt độ phòng đối với các tinh thể Si cực nhỏ kích thước cỡ nano mét. Si có cấu trúc nano thuộc về nhóm các hệ vật lý thấp chiều (2D-0D). Chiều ở đây được gán cho số hướng không gian mà các hạt tải trong vật liệu còn hoạt động như các hạt tải tự do. Trong hệ có cấu trúc 3D, các hạt tải điện tự do theo cả 3 hướng không gian và đây chính là trường hợp của vật liệu khối. Tùy thuộc vào việc các hạt tải bị giam giữ theo một, hai hoặc cả ba hướng không gian, ta sẽ có các hệ cấu trúc 2D (giếng lượng tử), 1D (dây lượng tử), 0D (chấm lượng tử). Các cấu trúc thấp chiều của Si mô tả trên hình 1.7 [12]. Sự giam giữ không gian các hạt tải điện trong hệ cấu trúc thấp chiều làm thay đổi phổ năng lượng và mật độ các trạng thái của chúng. Trong vật liệu bán dẫn khối, các điện tử vùng dẫn chuyển động tự do bên trong vật rắn, phổ năng lượng của chúng hầu như liên tục và mật độ các trạng thái điện tử được phép trên một đơn vị năng lượng tăng theo hàm căn bậc hai. Tuy nhiên, trong cấu trúc thấp chiều các hạt tải sẽ tồn tại trong các trạng thái năng lượng bị lượng tử hóa. Điện tử bị giam giữ khi kích thước hạt tinh thể so sánh được với bán kính Bohr của cặp điện tử lỗ trống (exciton) hình thành do tương tác của photon với nano tinh thể. Do kích thước nhỏ nên các tính chất quang của hệ vật lý thấp chiều bị khống chế bởi kích thước vật lý và tính chất hóa học bề mặt của nó. Hình 1.7: Mô tả các cấu trúc thấp chiều của Silic [12]. Nếu đường kính của các nano tinh thể nhỏ hơn bán kính Bohr của exciton thì sẽ xảy ra hiện tượng giam giữ lượng tử mạnh. Các trạng thái năng lượng của điện tử và lỗ trống trong nano tinh thể trở nên gián đoạn và các mức năng lượng của điện tử và lỗ trống sẽ thay đổi theo đường kính và thành phần của chúng. Tinh thể càng nhỏ thì sự khác nhau giữa các trạng thái năng lượng càng lớn. Tính chất quang phụ thuộc vào năng lượng và mật độ của các trạng thái điện tử nên có thể thay đổi các tính chất vật lý này bằng cách thay đổi kích thước và tính chất bề mặt của các nano tinh thể. 1.4.2. Một số phương pháp chế tạo vật liệu Silic có cấu trúc nano. Vật liệu Si có cấu trúc nano có thể được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau như ăn mòn điện hóa, cấy ion, epitaxy chùm phân tử, lắng đọng hóa học, nghiền và xử lý hóa học, phương pháp phún xạ [11]. 1.4.3. Tính chất quang của vật liệu Silic có cấu trúc nano Tính chất quang của các tinh thể bán dẫn kích thước nano mét có cấu trúc rất khác với tính chất quang của vật liệu khối cùng thành phần. Nghiên cứu chỉ ra rằng so với vật liệu Si khối, các trạng thái điện tử trong cấu trúc nano Si bị chi phối mạnh bởi cả hiệu ứng giam giữ lượng tử và hiệu ứng bề mặt. Phổ huỳnh quang của các cấu trúc nano Si phụ thuộc mạnh vào kích thước tinh thể, nồng độ các hạt nano Si và chế độ xử lý nhiệt đối với mẫu sau khi chế tạo. Hình 1.8: Sự phụ thuộc huỳnh quang của các mẫu SiO2:Si theo nhiệt độ ủ mẫu và nồng độ Si trong mẫu [12]. Cho đến nay kết quả nghiên cứu phổ huỳnh quang của vật liệu Silic cấu trúc nano thường cho kết quả tập trung vào hai vùng phổ: Vùng (I) 350 nm-500 nm và vùng (II) 600 nm-900 nm. Trong vùng I, kết quả phổ nhận được thường khá phức tạp và khó xác định chính xác cơ chế phát quang do có sự trùng lặp với vùng phổ của các sai hỏng trong SiO2, cũng như các trạng thái bề mặt ở biên tiếp xúc Si-SiO2. Cơ chế phát quang trong vùng này thường được giải thích sử dụng mô hình trạng thái bề mặt. Các mẫu cho phổ trong vùng I thường được chế tạo bằng phương pháp như: ăn mòn điện hóa, cấy ion, lắng đọng hóa học, phún xạ, các phương pháp nghiền và xử lý hóa học. Trong vùng II, các kết quả phổ nhận được khá là thống nhất và có độ lặp lại cao với việc quan sát sự thay đổi bước sóng ánh sáng phát ra phụ thuộc vào kích thước của các nano tinh thể Si có trong mẫu. Phổ phát ra dịch về phía bước sóng dài (năng lượng thấp) khi tăng nồng độ Si trong mẫu, khi tăng nhiệt độ cũng như thời gian ủ nhiệt trong môi trường khí N2. Hình 1.8 mô tả sự phụ thuộc huỳnh quang của các mẫu SiO2: Si theo nhiệt độ ủ mẫu và nồng độ Silic trong mẫu. Cơ chế phát quang trong vùng (II) thường được giải thích đúng đắn trên cơ sở hiệu ứng giam giữ lượng tử. Các mẫu cho phổ trong vùng này thường được chế tạo bằng phương pháp như ăn mòn điện hóa, cấy ion, epitaxy chùm phân tử, lắng đọng hóa học và phương pháp phún xạ. Hình 1.9 mô tả sự phụ thuộc phổ huỳnh quang của mẫu màng SiO2: Si theo kích thước hạt nc-Si. Hình 1.9: Sự phụ thuộc phổ huỳnh quang của mẫu màng SiO2: Si theo kích thước hạt nc-Si [14]. 1.5. Điôxit- Silic (SiO2) Điôxit-Silic (SiO2) là một hợp chất hóa học, cón có tên gọi khác là Sia là một oxit của Si có công thức hóa học SiO2, nó có độ cứng cao được biết đến từ thời cổ đại. Phân tử SiO2 không tồn tại ở dạng đơn lẻ mà liên kết với nhau thành phân tử rất lớn. Sia có hai dạng cấu trúc là dạng tinh thể và dạng vô định hình. Trong tự nhiên Sia tồn tại chủ yếu ở dạng tinh thể hoặc vi tinh thể (thạch anh, tridimit, cris). Tobalit, cancedoan, đá mã não. đa số Sia tổng hợp nhân tạo đều được tạo ra ở dạng bột hoặc dạng keo và có cấu trúc vô định hình. Một số dạng Sia có cấu trúc tinh thể có thể được tạo ra ở áp suất và nhiệt độ cao như coesit và stishovit. Sia được tìm thấy phổ biến trong tự nhiên ở dạng cát hay thạch anh, cũng như trong cấu tạo thành tế bào của tảo cát. Nó là thành phần chủ yếu của một số loại thủy tinh và chất chính trong bê tông. Sia là một khoáng vật phổ biến trong  vỏ Trái Đất. Trong điều kiện áp suất thường, Sia tinh thể có 3 dạng thù hình chính, đó là thạch anh, triđimit và cristobalit. Mỗi dạng thù hình này lại có hai hoặc ba dạng thứ cấp: dạng thứ cấp α bền ở nhiệt độ thấp và dạng thứ cấp β nhiệt độ cao. Ba dạng tinh thể của Sia có cách sắp xếp khác nhau của các nhóm tứ diện [SiO4]-4 ở trong tinh thể. Ở thạch anh α, góc liên kết Si-O-Si bằng 150°, ở tridimit và cristobalit thì góc liên kết Si-O-Si bằng 180°. Trong thạch anh, những nhóm tứ diện [SiO4]-4 được sắp xếp sao cho các nguyên tử Sia nằm trên một đường xoắn ốc quay phải hoặc quay trái, tương ứng với α-thạch anh và β-thạch anh. Từ thạch anh biến thành cristobalit cần chuyển góc Si-O-Si từ 150° thành 180°, trong khi đó để chuyển thành α-tridimit thì ngoài việc chuyển góc này còn phải xoay tứ diện SiO4 quanh trục đối xứng một góc bằng 180°. Sia có thể được tổng hợp (điều chế) ở nhiều dạng khác nhau như Si gel, Si khói (fumed Sia), aerogel, xerogel, Si keo (colloidal Si)... Ngoài ra, Sia Nanosprings được sản xuất bởi phương pháp hơi lỏng-rắn ở nhiệt độ thấp bằng với nhiệt độ phòng. Si thường được dùng để sản xuất kính cửa sổ, lọ thủy tinh. Phần lớn sợi quang học dùng trong viễn thông cũng được làm từ Sia. Nó là vật liệu thô trong gốm sứ trắng như đất nung, gốm sa thạch và đồ sứ, cũng như xi măng Portland. Dù Sia phổ biến trong tự nhiên nhưng người ta cũng có thể tổng hợp được theo nhiều cách khác nhau.[7] SiO2 là một trong những chất oxit điện môi thông dụng nhất để chế tạo các loại vật liệu quang học và màng đa lớp quang học. Ngoài ra, SiO2 còn được sử dụng vào làm các lớp bảo vệ các thiết bị silic, chống xước trong các loại kính đeo mắt và ứng dụng trong các thiết bị điện tử với chiết suất thấp, hệ hấp thụ và độ tán xạ thấp trong vùng khả kiến và vùng hồng ngoại. α-thạch anh β-thạch anh Hình 1.10: Mô hình cấu trúc thạch anh [7] α-tridymite β-tridymite Hình 1.11: Mô hình cấu trúc tridymite[ 7] α-cristobalite β-cristobalite Hình 1.12: Mô hình cấu trúc cristobalite [7] Cấu trúc điện tử của tinh thể được hình thành bằng việc ghép các đỉnh tứ diện SiO4 lại với nhau qua các đỉnh ôxy chung. Mỗi tứ diện [SiO4]4- bao gồm 4 nguyên tử ôxy ở xung quanh và tâm là một nguyên tử Si trong đó các anion O2- và cation Si4+ liên kết đồng hóa trị với nhau. SiO2 có nhiều dạng cấu trúc khác nhau. Ở cấu trúc tinh thể nó tồn tại 3 dạng: Thạch anh, Tridymit, Cristobalite. Thạch anh: được cấu tạo bởi một mạng liên tục các tứ diện[SiO4]-4 , trong đó mỗi oxi chia sẻ giữa hai tứ diện nên nó có công thức chung là SiO2. Biến thể nhiệt độ cao của thạch anh kết tinh trong hệ lục phương (β-thạch anh), biến thể thạch anh bền vững ở nhiệt độ dưới 573 oC kết tinh trong hệ tam phương (α-thạch anh). Ngoài hai hệ biến thể kết tinh thạch anh còn có loại ẩn tinh có cấu trúc tóc: Canxedon và thạch anh khác nhau chỉ do quang tính. Thạch anh được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như điện tử, quang học,... và trong ngọc học. Các tinh thể thạch anh trong suốt có màu sắc đa dạng: tím, hồng, đen, vàng,... Tridymite: gồm 2 dạng biến thể: biến thể tridymite vững bền hình thành dưới áp suất bình thường kết tinh trong hệ trực thoi (α-tridymite) và biến thể nhiệt độ cao của tridymite kết tinh trong hệ lục giác (β-tridymite). Cristobalite: thuộc hệ lập phương. Nguyên tử Si chiếm vào vị trí các đỉnh, tâm các mặt và 4 trong 8 hốc tứ diện theo 2 hướng đường chéo khác nhau (hoặc có thể hình dung chia khối lập phương thành 8 khối lập phương nhỏ bằng nhau thì Si là tâm của 4 khối lập phương nhỏ). Oxi là cầu nối giữa các nguyên tố Si. Mỗi ô cơ sở có 8 phân tử SiO2. Số oxihóa của Si bằng 4 và của Oxi bằng 2. Cristobalite cũng có 2 dạng biến thể: biến thể cristobalite bền vững hình thành dưới áp suất bình thường (α-cristobalite) và biến thể nhiệt độ cao của cristobalite (β-cristobalite). Bảng 1.3: Các thông số vật lý của vật liệu SiO2 Các tính chất vật lý Thông số Nhiệt độ nóng chảy (oC) 1600 ÷ 1725 Nhiệt độ sôi (oC) 2230 Độ hòa tan trong nước (g/lít) 0.079 Khối lượng riêng ở nhiệt độ phòng (g/cm3) 2.648 Chiết suất 1.46 Hằng số điện môi 3,9 Năng lượng vùng cấm (eV) 9.0 Đám hấp thụ hồng ngoại (µm) 9.3 Hệ số dãn nở nhiệt (µm/oC) 5×10-7 Độ dẫn nhiệt (W/cm.k) 0.014 Điện trở suất (Ω/cm) 1014 ÷1016 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. Trong chương 2 chúng tôi sẽ giới thiệu về các phương pháp thực nghiệm của luận văn để nghiên cứu cấu tạo vào cấu trúc bề mặt mẫu. CHƯƠNG 2 – PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Phương pháp chế tạo vật liệu 2.1.1. Phương pháp phún xạ catốt Phún xạ catốt là một trong những phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý dùng chế tạo màng mỏng có chất lượng cao. Phương pháp này không chỉ chế tạo được các màng dẫn điện mà nó còn chế tạo được các màng không dẫn điện. Ưu điểm của phương pháp này là có thể chế tạo được các màng vật liệu có độ dày đồng đều có tính kết dính tốt với đế, có nhiệt độ nóng chảy cao, độ lặp lại cao và khả năng giữ được hợp thức của các vật liệu gốc tốt. Cơ sở của phương pháp phún xạ dựa trên hiện tượng va chạm của các hạt có năng lượng cao (các ion khí trơ như Ar, Xe, He) với các nguyên tử vật liệu bia và làm bật các nguyên tử này ra khỏi bia. Các nguyên tử bật ra khỏi bia chuyển động về phía đế mẫu khi chúng lắng đọng lại lên bề mặt đế và tạo thành màng [3]. Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý cơ bản của quá trình phún xạ Quá trình phún xạ thực chất là quá trình chuyển hóa xung lượng. Khi các ion bắn phá bề mặt của bia, tương tác giữa các ion khí với nguyên tử của bia là kết quả của quá trình va chạm. Sự va chạm có thể xảy ra đến độ sâu 5-10nm, nhưng sự trao đổi xung lượng chỉ xảy ra trong khoảng cách 1nm từ bề mặt bia. Các nguyên tử bị phún xạ rời khỏi bia với năng lượng tương đối lớn, khoảng 3-10 eV. Khi đến đế mẫu, năng lượng này làm tăng nhiệt độ đế mẫu và giúp cho các nguyên tử lắng đọng bám vào đế mẫu chắc hơn [2]. 2.1.2. Bia phún xạ Một trong những ưu điểm của phương pháp phún xạ catot là thành phần của màng chế tạo chính xác với thành phần của bia phún xạ. Vì vậy chất lượng của bia phún xạ có vai trò hết sức quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của màng. Để chế tạo vật liệu hợp kim SixGe1-x trên nền SiO2 chúng tôi sử dụng đồng thời 3 bia phún xạ SiO2, Si và Ge [8]. Khi đó, thành phần của màng phụ thuộc vào hiệu suất phún xạ trên từng bia phún xạ. 2.1.3. Ưu điểm và hạn chế của phún xạ • Dễ dàng chế tạo các màng đa lớp nhờ tạo ra nhiều bia riêng biệt. Đồng thời, đây là phương pháp rẻ tiền, dễ thực hiện nên dễ dàng triển khai ở quy mô công nghiệp. • Độ bám dính của màng trên đế rất cao do các nguyên tử đến lắng đọng trên màng có động năng khá cao so với phương pháp bay bốc nhiệt. • Màng tạo ra có độ mấp mô bề mặt thấp và có hợp thức gần với của bia, có độ dày chính xác hơn nhiều so với phương pháp bay bốc nhiệt trong chân không. • Do các chất có hiệu suất phún xạ khác nhau nên việc khống chế thành phần với bia tổ hợp trở nên phức tạp. Khả năng tạo ra các màng rất mỏng với độ chính xác cao của phương pháp phún xạ là không cao. Hơn nữa, không thể tạo ra màng đơn tinh thể. Trong luận văn này tôi đã sử dụng bia gồm 2 vật liệu Si và Ge, đế là vật liệu SiO2. Sử dụng SiO2 là đế sẽ giúp quá trình hình thành SixGe1-x tốt hơn khi sử dụng các đế vật liệu khác. 2.2. Phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu 2.2.1. Nhiễu xạ Tia X Tia X là bức xạ điện từ năng lượng cao, chúng có năng lượng trong khoảng từ 200 eV đến 1 MeV hay bước sóng trong khoảng từ 10-8 m đến 10-11 m. Nhiễu xạ tia X (XRD - X-ray diffraction) là một trong những phương pháp nghiên cứu cấu trúc tinh thể vật rắn [6, 16]. Nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X dựa vào hiện tượng nhiễu xạ Bragg. Tinh thể vật rắn được cấu tạo từ một mạng đều đặn các nguyên tử, mạng nguyên tử này có thể tạo nên một các tử nhiễu xạ dùng cho tia X. Khi một chùm tia X có độ dài bước sóng cỡ khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử trong vật rắn tinh thể được chiếu tới tinh thể dưới một góc q so với mặt tinh thể, chùm tia X sẽ tương tác với các điện tử ở lớp vỏ nguyên tử và bị tán xạ theo mọi hướng. Do các nguyên tử trong tinh thể bị sắp xếp một cách có quy luật, tuần hoàn vô hạn trong không gian nên có những hướng theo đó các tia tán xạ từ các nguyên tử khác nhau có thể giao với nhau. Chùm tia tán xạ theo hướng ưu tiên là những sóng kết hợp khi chồng chất lên nhau sẽ có hiện tượng giao thoa nhau. Để vân giao thoa có biên độ cực đại, hiệu số pha của các sóng giao thoa phải bằng 2np hay hiệu số đường đi phải bằng nl, trong đó n là số nguyên. Nếu khoảng cách giữa các mặt mạng tinh thể là dhkl thì điều kiện để có cực đại nhiễu xạ là: 2d(hkl).sinq =nl 2.3 Với n=1,2,3.là bậc nhiễu xạ. Giả sử có một chùm tia đơn sắc (có bước sóng l) và song song, chùm tia này bị phản xạ bởi một họ mặt phẳng song song với nhau với khoảng cách giữa hai mặt này là d. Khi đó có thể thấy rằng hiệu số đường đi giữa hai tia bị phản xạ bởi hai mặt phẳng nằm cạnh nhau là 2dsinq và điều kiện giao thoa khuếch đại lẫn nhau là: 2dhkl.sinq = nl 2.4 Hay 2.5 q là góc giữa tia tới hoặc tia phản xạ với mặt phẳng phản xạ, n là một số nguyên dương hoặc bằng không. Nguyên lý sơ đồ đo thiết bị nhiễu xạ tia X mô tả Hình 2.2 và Hình 2.3 Hình 2.2- Nhiễu xạ tia X bởi các mặt phẳng nguyên tử (A-A’ và B- B’) [6] Hình 2.3: Sơ đồ đo của thiết bị nhiễu xạ tia X [6] Bằng thực nghiệm với các máy nhiễu xạ ta có thể tìm được các góc q tương ứng với các cực đại nhiễu xạ. Với l đã biết ta có thể xác định được d(hkl), từ đó xác định được kiểu ô mạng, thông số mạng và pha của tinh thể. Trên cơ sở biết độ rộng bán phổ của vạch phổ nhiễu xạ, kích thước trung bình của nano tinh thể Si cũng được tính toán dựa theo công thức Debye-Scherrer [14] như sau: 2.6 Với: - l là bước sóng của tia X. - q là góc ứng với cực đại của phổ nhiễu xạ. - B là độ rộng bán phổ của phổ nhiễu xạ tính theo đơn vị radian. Trong nghiên cứu của chúng tôi, thiết bị dùng là hệ đo nhiễu xạ tia X D8 AVANCE (hãng BRUKER- Đức) tại PTN Hóa Vật liệu, Khoa Hóa học, Trường ĐHKHTN và trên hệ D5005, CuKα (l = 1.554064 Å). 2.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM Khi kính hiển vi điện tử quét (SEM) hoạt động, một chùm tia điện tử đi qua các thấu kính điện tử để tiêu thụ thành một điểm nhỏ trên bề mặt mẫu. Khi các hạt điện tử của chùm tia va chạm với các nguyên tử ở bề mặt vật rắn thì có nhiều hiệu ứng xảy ra. Sự thay đổi về hướng của điện tử có thể được bỏ qua khi so sánh với sự va chạm của các hạt nhân nguyên tử với điều kiện năng lượng điện tử không quá thấp. Các điện tử bị mất năng lượng liên tục khi tương tác với các điện tử của bề mặt mẫu. Sự tiêu hao năng lượng dE trên một khoảng cách ds được mô tả theo phương trình Bethe: 2.7 Trong đó: N – số nguyên tử Z – Số nguyên tử của bề mặt mẫu J – Năng lượng ion hóa của vật liễu mẫu E - năng lượng của chùm tia điện tử tới. Khi tương tác, một số điện tử cấp thoát ra khỏi lớp ngoài cùng của bề mặt mẫu và những điện tử đó được thu lại. Có thể bỏ qua sự tiêu hao năng lượng các điện tử tán xạ ngược trên bề mặt mẫu vì khối lượng của hạt nhân vật liệu mẫu quá lớn so với khối lượng điện tử. Xét sự giảm điện trường quanh hạt nhan do các điện tử lớp ngoài cùng gây ra, tán xạ góc điện tử do trường Coulomb của hạt nhân nguyên tử gây ra được mô tả theo mặt cắt tán xạ Rutherford: 2.8 Với q là góc tán xạ, W là góc rắn, q0 là góc chắn. Theo phương trình trên ta thấy xác xuất tán xạ tại góc nhỏ lớn hơn tại góc lớn. Hình 2.4: Kính hiển vi điện tử quét SEM (JEOL – JSM 7600F) Như vậy, từ điểm của bề mặt mẫu mà điện tử chiếu đến có thể có nhiều loại hạt, loại tia phát xạ ra gọi chung là phát ra tín hiệu. Mỗi loại tín hiệu phản ảnh một đặc điểm của mẫu tại một điểm được điện tử chiều đến. Số lượng điện tử thức cấp phát ra phụ thuộc độ lồi lõm của bề mặt mẫu, số điện tử tán xạ ngược phát ra phụ thuộc vào nguyên tử số Z, bước sóng tia X phát ra phụ thuộc vào nguyên tử ở mẫu là nguyên tố nào... Cho chùm điện tử quét lên mẫu và quét một cách đồng bộ một tia điện tử trên màn hình của đèn hình, thu và khuếch đại một tín hiệu nào đó từ mẫu phát ra để làm thay đổi cường độ sáng của tia điện tử quét trên màn hình, ta thu được ảnh. Nếu thu tín hiệu ở mẫu là điện tử thứ cấp ta có kiểu ảnh điện tử thứ cấp, độ sáng tối trên ảnh cho biết độ lồi lõm, nông sâu trên bề mặt mẫu. Trong kính hiển vi điện tử quét có dùng các thấu kính nhưng chỉ để tập trung chùm điện tử thành một điểm nhỏ chiếu lên mẫu chứ khồn dùng thấu kính để phòng đại. Với ảnh đo theo phương pháp SEM thì mẫu không cần phải lát mỏng và phẳng, cho phép quan sát được độ gồ ghề, mấp mô trên bề mặt mẫu. 2.2.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Kính hiển vi điện tử truyền qua được phát triển từ năm 1930 là công cụ kỹ thuật không thể thiếu được cho nghiên cứu vật liệu và y học. Dựa trên nguyên tắc hoạt động cơ bản của kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử truyền qua có ưu điểm nổi bật nhờ bước sóng của chùm điện tử ngắn hơn rất nhiều so với ánh sáng nhìn thấy nên nó có thể quan sát tới kích thước cỡ 0,2 nm. Các điện tử từ Catot làm bằng dây tungsten đốt nóng đi tới anot và được hội tụ bằng thấu kính từ lên mặt mẫu đặt trong buồng chân không. Tác dụng của tia điện tử tới với mẫu có thể tạo ra chùm tia điện tử thứ cấp, điện tử phản xạ, điện tử Auger, tia X thứ cấp, phát quang catot và tán xạ không đàn hồi với các đám mây điện tử trong mẫu cùng với tán xạ đàn hồi với hạt nhân nguyên tử. Các điện tử truyền qua mẫu được khuếch đại và ghi lại dưới dạng ảnh huỳnh quang hoặc ảnh kĩ thuật số. Khi chùm tia điện tử chiếu tới mẫu với tốc độ rất cao và trong phạm vi rất hẹp, các điện tử bị tán xạ bởi thế tĩnh điện giữa hạt nhân nguyên tử và lớp mây điện tử của vật liệu gây nhiễu xạ điện tử. Nhiễu xạ điện tử có thể cung cấp những thông tin cơ bản về cấu trúc tinh thể và đặc trưng của vật liệu. Chùm điện tử nhiễu xạ từ vật liệu phụ thuộc vào bước sóng của chùm điện tử tới và khoảng cách mặt mạng tinh thể, tuân theo định luật Bragg như đối với nhiễu xạ tia X: nl = 2dsinq. Khác với nhiễu xạ tia X, do bước sóng của chùm điện tử thường rất nhỏ nên ứng với khoảng cách mặt mạng trong tinh thể thì góc nhiễu xạ phải rất bé, cỡ dưới 0,01o. Hình 2.5. Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM Tùy thuộc vào bản chất của vật liệu, ảnh nhiễu xạ điện tử thường là một loạt những vòng sáng đối với mẫu có nhiều vi tinh thể