Tải bản đầy đủ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT cua mang mong CdS bang pp phun nhiet phan- do an K48

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT
CỦA MÀNG MỎNG CdS CẤU TRÚC NANO
LẮNG ĐỌNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT PHÂN
Giáo viên hướng dẫn: TS. ĐỖ PHÚC HẢI
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN ĐÌNH QUYẾT
Lớp: Vật lý và Kỹ thuật Ánh sáng – K48
Hà Nội, Tháng 5 năm 2008
Lời cảm ơn
Trong suốt quá trình học tập tại Viện Vật lý kỹ thuật, trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội, em đã nhận được những kiến thức quý báu và cần thiết từ
các thầy, các cô và cán bộ của Trường. Điều đó giúp em rất nhiều trong quá
trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp này. Em xin được bầy tỏ lòng biết ơn trước
tinh thần giảng dậy hết sức tận tâm và có trách nhiệm của các thầy cô giáo.
Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Đỗ Phúc Hải là thầy
giáo hướng dẫn trực tiếp, có những ý kiến mang tính định hướng cho em về
việc nghiên cứu khoa học trong quá trình làm Đồ án tốt nghiệp cũng như trong
sự nghiệp công tác sau này của bản thân.
Qua đây em cũng chân thành cảm ơn toàn thể các cán bộ, giảng viên

Phòng Thí nghiệm Phân tích và Đo lường Vật lý, Viện Vật lý kỹ thuật, Trường
Đại học Bách Khoa đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian thực tập và
làm đồ án tốt nghiệp tại đây.
Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bàn bè, những người đã luôn động
viên giúp đỡ em cả về mặt vật chất và tinh thần để em hoàn thành đồ án tốt
nghiệp này.
Hà nội, ngày 20 tháng 5 năm 2008
Sinh viên
Nguyễn Đình Quyết
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU..................................................................................................................1
Chương I .TỔNG QUAN........................................................................................3
I. Giới thiệu về vật liệu CdS...........................................................................3
II. Công nghệ chế tạo màng mỏng CdS.............................................................4
III. Tính chất về cấu trúc của màng mỏng CdS................................................5
IV. Tính chất điện của màng CdS......................................................................8
V. Tính chất quang của màng mỏng CdS........................................................10
Chương II: THỰC NGHIỆM...............................................................................13
I. Chế tạo màng mỏng CdS bằng phương pháp phun nhiệt phân ................13
I.1. Hoá chất ......................................................................................................13
I.2. Xử lý đế.......................................................................................................13
I.3. Phương pháp phun nhiệt phân.....................................................................14
II.Các phương pháp nghiên cứu màng ...........................................................19
II.1. Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD) ...................................................19
II.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ..................................................21
II.3.Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS)......................................24
II.4. Phương pháp đo phổ truyền qua (UV-VIS) ...............................................25
Chương III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..........................................................27
I. Phân tích phổ nhiễu xạ tia ...........................................................................27
III.Phổ tán sắc năng lượng (EDS) của màng CdS...........................................40
IV.Phổ hấp thụ và truyền qua .........................................................................40
IV.1.Phổ hấp thụ của màng mỏng CdS..............................................................41
IV.2.Phổ truyền qua của màng mỏng CdS.........................................................43
KẾT LUẬN............................................................................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................48
Danh mục các hình
Hinh I.1: Cấu trúc tinh thể CdS.............................................................................5
Hình II.1: Phổ truyền qua của nền đế thủy tinh.................................................14
Hình II.2: Sơ đồ mô tả hệ phun phủ nhiệt phân ................................................15
Hình II.3: Nhiễu xạ tia X bởi hai mặt phẳng nguyên tử.....................................19
Hình II.4: Các tín hiệu và sóng điện từ phát ra từ mẫu đo................................22
Hình II.5: Sơ đồ kính hiển vi điện tử quét(a) . Đường đi của tia điện tử trong
SEM(b) ..................................................................................................................23
Hình II.6: Sơ đồ phương pháp đo phổ truyền qua..............................................26
Hình III.1: Phổ XRD của màng CdS lắng đọng ở các nhiệt độ đế khác nhau
Ts= 250 oC, 300 oC, 350 oC, 400 oC; thời gian phun ts=5 phút.........................29
Hình III.2: Phổ XRD của màng CdS lắng đọng ở nhiệt độ Ts= 350 oC ; thời
gian phun ts=5 phút...............................................................................................30
Hình III.3: Ảnh SEM của màng CdS lắng đọng ở nhiệt độ đế Ts=250 oC, thời
gian phun ts=5 phút...............................................................................................33
Hình III.4: Ảnh SEM của màng CdS lắng đọng ở nhiệt độ đế Ts=300 oC, thời
gian phun ts=5 phút...............................................................................................33
Hình III.5: Ảnh SEM của màng CdS lắng đọng ở nhiệt độ đế Ts=350 oC, thời
gian phun ts=5 phút...............................................................................................34
Hình III.6(a): Ảnh SEM của màng CdS lắng đọng ở nhiệt độ đế Ts=400oC,
thời gian phun ts=5 phút.......................................................................................34
Hình III.6(b): Ảnh SEM của màng CdS lắng đọng ở nhiệt độ đế Ts=400oC,
thời gian phun ts=5 phút.......................................................................................35
Hình III.7(a): Ảnh SEM của màng CdS lắng đọng ở nhiệt độ đế Ts=350 oC,
thời gian phun ts=1 phút.......................................................................................35
Hình III.7(b): Ảnh SEM của màng CdS lắng đọng ở nhiệt độ đế Ts=350 oC,
thời gian phun ts=1 phút.......................................................................................36
Hình III.8: Ảnh SEM của màng CdS lắng đọng ở nhiệt độ đế Ts=350 oC, thời
gian phun ts=2 phút...............................................................................................36
Hình III.9: Ảnh SEM của màng CdS lắng đọng ở nhiệt độ đế Ts=350 oC, thời
gian phun ts= 3 phút .............................................................................................37
Hình III.10: Ảnh SEM của màng CdS lắng đọng ở nhiệt độ đế Ts=350 oC, thời
gian phun ts= 5 phút .............................................................................................37
Hình III.11 (a): Ảnh SEM của màng CdS lắng đọng ở nhiệt độ đế Ts=350 oC,
thời gian phun ts= 7 phút......................................................................................38
Hình III.11 (b): Ảnh SEM của màng CdS lắng đọng ở nhiệt độ đế Ts=350 oC,
thời gian phun ts= 7 phút......................................................................................38
Hình III.12 (a): Ảnh SEM của màng CdS lắng đọng ở nhiệt độ đế Ts=350 oC,
thời gian phun ts= 10 phút....................................................................................39
Hình III.12 (b): Ảnh SEM của màng CdS lắng đọng ở nhiệt độ đế Ts=350 oC,
thời gian phun ts= 10 phút ...................................................................................39
Hình III.13: Ảnh phổ EDS của màng CdS lắng đọng ở nhiệt độ đế Ts=350 oC,
thời gian phun ts= 5 phút......................................................................................40
Hình III.14: Phổ hấp thụ của đế...........................................................................41
Hình III.15: Phổ hấp thụ của màng CdS lắng đọng tại nhiệt độ đế khác nhau
Ts= 250 oC, 300 oC, 350 oC, 400 oC; thời gian phun ts = 5 phút.......................41
Hình III.17: Phổ truyền qua của đế thủy tinh.....................................................43
Hình III.18: Phổ truyền qua của màng CdS lắng đọng tại các nhiệt độ đế Ts=
250 oC, 300 oC, 350 oC, 400 oC;thời gian phun ts=3 phút.................................44
Hình III.19: Phổ truyền qua của màng CdS lắng đọng tại nhiệt độ đế Ts= 350
oC với các khoảng thời gian phun khác nhau ts=1, 2, 3, 5, 7, 10 phút...............45
Danh mục các bảng
Bảng I.1: Tính chất cơ bản của cadmium sulfide [1, 9, 10 ]..........................4
Bảng II.1: Lĩnh vực ứng dụng của tín hiệu..........................................................22
Bảng III.1: Danh sách đỉnh nhiễu xạ của tinh thể CdS cấu trúc Hexagonal ...30
Bảng III.2: Kích thước hạt tinh thể tính thể lắng đọng tại các nhiệt độ đế 250
oC, 300 oC, 350 oC, 400 oC (tính theo công thức Scherrer-công thức II.10)....31
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
MỞ ĐẦU
Ngày nay, xã hội loài người đang đứng trước thảm họa biến đổi khí hậu
theo chiều hướng có hại do việc gia tăng không ngừng lượng khí thải nhà
kính và sự cạn kiệt dần các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống như
than đá, dầu mỏ và khí đốt. Đây là những hệ quả tất yếu của việc bùng nổ dân
số và sự pháp triển ồ ạt của các nền công nghiệp. Hơn bao giờ hết việc tìm
cách đưa vào sử dụng các nguồn năng lượng sạch dồi dào, sẵn có như năng
lượng mặt trời, gió, sóng,.. đã trở thành vấn đề cấp thiết và nghiêm túc.
Từ lâu các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu và tìm ra hàng loạt
các màng mỏng bán dẫn thích hợp cho việc sử dụng chế tạo pin năng lượng
mặt trời, như CdS, CdTe, CdSe…Trong các chất bán dẫn thuộc nhóm II-VI
đó, CdS là một vật liệu đầy hứa hẹn bởi nó là một chất bán dẫn loại n, có
vùng cấm thẳng rộng, với giá trị E
g
= 2.42 eV tại 300K, có thể dùng như lớp
cửa sổ trong cấu trúc đa lớp kết hợp với các chất bán dẫn có khe năng lượng
hẹp như Cu
2
S, InP, CdTe, CuInSe
2
… Một ví dụ cụ thể là, khi dùng lớp CdS
có độ dày 50nm là cửa sổ trong cấu trúc CdS/CuInSe
2
người ta đã có thể chế
tạo được các pin năng lượng mặt trời đạt hiệu suất lên tới 30% theo tính toán
lý thuyết và 16% trên thực tế.
Màng mỏng CdS đã được nghiên cứu chế tạo bằng nhiều phương pháp
khác nhau như phương pháp bốc bay trong chân không, lắng đọng hóa học
(CBD), epitaxi chùm phân tử (MBE), phun nhiệt phân,… Các tài liệu đã
công bố cho thấy rằng màng mỏng CdS có các tính chất quang và điện khác
nhau phụ thuộc vào phương pháp và điều kiện công nghệ chế tạo. Bên cạnh
việc cải thiện nâng cao tính chất quang và điện bằng cách pha tạp, ngày nay,
các nhà khoa học cũng đang cố gắng nghiên cứu chế tạo các màng mỏng CdS
có cấu trúc nano bởi v ề mặt lý thuyết, khi kích thước hạt giảm xuống cỡ
nanomet, các tính chất điện và quang được cải thiện, bên cạnh sự xuất hiện
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
1
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
của một số hiệu ứng mới, ví dụ như độ rộng năng lượng vùng cấm (Eg) được
mở rộng ra khi kích thước hạt giảm dần tới cỡ nm và khi giảm tới cỡ bán kính
Bohr exciton của chất bán dẫn khối thì dẫn tới việc dịch chuyển đỉnh phổ hấp
thụ về phía bước sóng xanh (blue shift) do hiệu ứng nhốt lượng tử.
Bắt kịp với xu thế chung, Phòng thí nghiệm Phân tích và Đo lường Vật
lý, Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà nội đã triển khai nghiên cứu
chế tạo màng mỏng CdS và CuInSe
2
có cấu trúc nano nhằm ứng dụng chế tạo
pin năng lượng mặt trời hiệu suất cao. Trong khoảng thời gian 3 tháng, nội
dung công việc của bản đồ án tốt nghiệp này là bước đầu nghiên cứu chế tạo
và một số tính chất của màng mỏng CdS cấu trúc nano lắng đọng bằng
phương pháp phun nhiệt phân.
Bản đồ án gồm 3 chương:
Chương I: Tổng quan
Giới thiệu về vật liệu CdS, các công nghệ chế tạo màng mỏng
CdS, cấu trúc, tính chất điện và quang của màng mỏng CdS.
Chương II: Thực nghiệm
Chương này trình bày chi tiết quá trình chế tạo mẫu bằng phương
pháp phun nhiệt phân và nguyên lý của các phương pháp nghiên
cứu màng như phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi
điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) và phổ
truyền qua.
Chương III: Kết quả và thảo luận
Chương này trình bày chi tiết các kết quả thí nghiệm đã thu
được, phân tích và thảo luận các kết quả đó.
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
2
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
Chương I .TỔNG QUAN
I. Giới thiệu về vật liệu CdS
Bán dẫn hợp chất II-VI được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đặc
biệt là lĩnh vực chế tạo tế bào năng lượng mặt trời, vật liệu quang dẫn, đầu dò
quang, tế bào quang hóa, màng transistor và thiết bị quang. Bán dẫn II-VI
gồm thành phần được tạo thành từ nguyên tố nhóm II và nguyên tố nhóm IV
trong bảng hệ thống tuần hoàn. Nhiều nghiên cứu đã khám phá ra nhiều hợp
chất tự nhiên của nhóm II-VI và đặc biệt là hợp chất hóa học có bề rộng vùng
cấm rộng ở nhiệt độ phòng [1].
Bán dẫn hợp chất II-VI, cụ thể là CdS, CdTe, CdSe …, từ lâu đã được quan
tâm nghiên cứu để chế tạo các vật liệu quang dẫn trong vùng ánh sáng nhìn
thấy. Trong đó, CdS là một trong các vật liệu quang dẫn tốt nhất [2, 3]. Màng
mỏng cadmium sulphide (CdS) ở trạng thái rắn được ứng dụng rộng rãi trong
các thiết bị như quang dẫn, chụp ảnh tĩnh điện, thiết bị phát quang, bộ áp
điện, vật liệu laser, đầu dò quang, bộ chuyển đổi siêu âm, bộ biến đổi năng
lượng quang điện, màng mỏng truyền qua quang điện và các thiết bị quang
điện khác. Ngày nay, chúng ta nghiên cứu CdS như là vật liệu thích hợp nhất
làm lớp cửa sổ cho tế bào năng lượng mặt trời trên nền vật liệu CdTe và
CuIn(Ga)Se
2
[5, 6]. Nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung công việc của họ vào
việc nâng cao tính chất quang và tính chất điện của CdS tinh khiết và CdS có
pha các tạp chất nhằm chế tạo tế bào năng lượng mặt trời có hiệu suất cao [7].
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
3
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
Bảng I.1: Tính chất cơ bản của cadmium sulfide [1, 9, 10 ].
Công thức (cách viết thông
thường)
CdS
Cách viết khác cadmium orange
Công thức Cd
1
S
1
Khối lượng phân tủ 144,477g
Mầu sắc Vàng hoặc cam
Hình dạng Tinh thể rắn
Nhiệt độ nóng chảy 1750
o
C
Mật độ 4,830 g.cm
-3
Nhiệt độ sôi Thăng hoa trong N
2
Khối lượng riêng 4,830
Cấu hình electotron
Nguyên
tố
% Hóa
trị
Cấu hình
Cd 77.8
1
2 [Kr].4d
10
S 22.19 -2 [Ne].3s
2
.3p
6
Khả năng tan trong nước Không tan


II. Công nghệ chế tạo màng mỏng CdS
CdS là một trong những chất bán dẫn được nghiên cứu tỉ mỉ và rộng rãi
nhất trong các màng mỏng bán dẫn. Các phương pháp lắng đọng màng CdS
sử dụng cho chế tạo lớp cửa sổ trong tế bào năng lượng mặt trời rất đa dạng
[11]. Những công nghệ này gồm có: bốc bay trong chân không [12, 13], phun
nhiệt phân, phún xạ, epitaxi chùm phân tử (MBE), epitaxi pha hơi kim loại
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
4
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
hữu cơ (MOVPE) [13], lắng đọng pha hơi hóa học kim loại hữu cơ
(MOCVD), lắng đọng pha hơi vật lý (PVD), lắng đọng bể hóa học (CBD)
[13,14], anot hóa, ăn mòn bằng laser…. Cần chú ý rằng mỗi phương pháp có
những ưu cũng như khuyết điểm khác nhau. Ví dụ, ở phương pháp bốc bay
trong chân không rất khó để thu được tỉ lệ về khối lượng như mong muốn và
ở phương pháp phun nhiệt phân thì đòi hỏi nhiêt độ tạo màng phải cao.
III. Tính chất về cấu trúc của màng mỏng CdS
Chất lượng bề mặt của màng CdS phụ thuộc vào phương pháp chế tạo
màng, quan trọng là màng không bị hạn chế về kích thước, không bị giới hạn
về bề rộng của màng và có khả năng đạt được bề dầy nhỏ nhất để cho sự tổn
thất năng lượng quang là thấp nhất [8].
Nhiều nghiên cứu khác nhau đã chỉ ra rằng CdS tồn tại ở cả hai dạng cấu
trúc sáu phương xếp chặt và lập phương, như trong hình I.1. Sự hình thành
pha cấu trúc sáu phương xếp chặt hay lập phương hoặc là có cả hai cấu trúc
lẫn vào nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố của công nghệ lắng đọng. Tinh thể
có cấu trúc sáu phương xếp chặt bền chắc ở nhiệt độ phòng [11, 15, 16].

Hinh I.1: Cấu trúc tinh thể CdS
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
5
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
Đối với màng CdS làm bằng phương pháp bốc bay trong chân không sự
hình thành tinh thể dạng sáu phương xếp chặt hay lập phương cũng phụ thuộc
vào nhiệt độ đế. Màng CdS bốc bay tại nhiệt độ 200 tới 250
o
C có bề dầy từ
15 tới 30µm vận tốc lắng đọng từ 0.5 tới 3µm/phút tại điều kiện đó hình thành
lên cấu trúc wurtzite và phát triển mạnh theo hướng (002) song song với bề
mặt đế và trục c vuông góc với đế [11].
Abu-safe và các cộng sự [7] chế tạo màng CdS bằng phương pháp bốc
bay hỗn hợp bột CdCl
2
và CdS, đã nhận thấy rằng tinh thể màng có cấu trúc
sáu phương xếp chặt và kích thước hạt khoảng 0.11µm đối với CdS tinh khiết,
trong khi đó nếu pha thêm tạp chất 0.20% CdCl
2
làm cho kích thước hạt tăng
lên gấp 10 lần.
Mahmoud và cộng sự [17] báo cáo rằng của kích thước tinh thể tăng lên
cùng với độ tăng của bề dầy màng, cho cả hai phương pháp chế tạo màng CdS
là bốc bay chân không và phún xạ. Ma và Bube [11] cũng nhận thấy rằng với
các màng chế tạo bằng phương pháp phun nhiệt phân kích thước của tinh thể
CdS cũng tăng lên khi bề dầy của màng tăng lên.
Màng làm bằng phương pháp MBE (epitaxi chùm phân tử) trên đế spinel
và Au có cấu trúc wurtzite trong khi những màng làm trên đế Al cho cấu trúc
sphalerite [11].
Trong công nghệ lắng đọng bể hóa học (CBD) cấu trúc của màng phụ
thuộc vào các thành phần của bể, nhiệt độ và độ PH của dung dịch [16]. Màng
CdS lắng đọng từ phức chất Cd(NH
3
)
4
2+
có cấu trúc sphalerite, wurtzite hoặc
cấu trúc hỗn hợp phụ thuộc vào các điều kiện lắng đọng màng, trong khi
những màng làm từ phức chất Cd(CN)
4
2-
và Cd(en)
2
+3
luôn luôn cho cấu trúc
wurtzite với sự định hướng của trục c thì vuông góc với đế [11].
Ramailah cùng cộng sự [18] đã báo cáo rằng màng CdS nhận được từ
công nghệ lắng đọng bể hóa học có cấu trúc sáu phương xếp chặt với các
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
6
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
hằng số mạng a = 0.4015 nm, c = 0.6545 nm và họ không quan sát được bất
kì pha cấu trúc khác hoặc là pha hỗn hợp nào.
Rami cùng các cộng sự [14] đã chế tạo màng CdS sử dụng các nguồn ion
cadmium khác nhau. Màng CdS được làm từ nguồn cadmium chloride là
màng đa tinh thể có cấu trúc sáu phương xếp chặt, trong khi đó những màng
được lắng đọng từ cadmium acetate là màng vô định hình. Quá trình ủ nhiệt
thay đổi hướng ưu tiên từ (002) thành (101) cho màng sử dụng nguyên liệu là
cadmium chloride và cải thiện cấu trúc tinh thể với màng làm từ cadmium
acetate.
Lincot cùng đồng sự [9] khi thay đổi Cd(CH
3
COO)
2
bằng CdSO
4
và sử
dụng một điều kiện lắng đọng đặc biệt, đã thu được CdS nguyên chất tinh thể
sáu phương xếp chặt, đồng thời cũng quan sát được sự hình thành của màng
Cd(OH)
2
với cấu trúc đơn tinh thể. Danaher cùng các cộng sự [10] báo cáo
rằng màng CdS làm bằng phương pháp CBD chuẩn sử dụng Cd(CH
3
COO)
2
cho kết quả là màng định hướng mạnh về mặt (002), đặc biệt là chỉ cho tinh
thể dạng sáu phương xếp chặt không có thêm bất cứ một pha nào khác. Abd-
Lefdil và đồng sự [31] đã chế tạo màng CdS sử dụng CdCl
2
cho nguồn Cd.
Trong quá trình này, có định hướng theo nhiều mặt khác nhau từ (002) tới
(101) với các giá trị của nhiệt độ đế khác nhau từ 70 tới 90
o
C. Màng CdS sử
dụng cadmium iodides và cadmium chlorides tại pH bằng 11.5 có khe năng
lượng bằng 2.62eV với cấu trúc wurtzite và khe năng lượng 2.45eV với cấu
trúc zinc blende [18]. Sự tăng của nhiệt độ bể nhúng sẽ làm cải thiện được cấu
trúc tinh thể của màng [19].
Sự không thống nhất về cấu trúc màng CdS thay đổi bởi quá trình ủ đã
được phát hiện trong nhiều tài liệu. Một vài tác giả đã miêu tả sự thay đổi cấu
trúc khác của CdS sảy ra tại nhiệt độ khoảng 300
o
C. Trái lại, một thí nghiệm
khác có số liệu chỉ ra rằng cấu trúc của màng CdS ổn định khi nhiệt độ 400
o
C
ở trong không khí, thậm chí là tính chất quang, khe năng lượng và mầu của
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
7
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
sản phẩm cũng thay đổi. Có thể do sự thay đổi về thành phần cấu tạo chứ cấu
trúc không thay đổi [20].
Enriquez và cộng sự [16] báo cáo rằng các thông số mạng, kích thước
hạt, sự nén hoặc giãn (strain) kết phụ thuộc trực tiếp vào bề dầy của màng. Họ
phát hiện được rằng khi bề dầy tăng lên thì kích thước hạt cũng tăng lên, hơn
nữa strain giảm đi. Họ cũng quan sát được rằng cường độ đỉnh nhiễu xạ trong
phổ XRD tăng lên khi mà bề dầy tăng lên. Các giá trị hằng số mạng a và c của
mẫu - tự do tương ứng với 4.16 và 6.756 Å. Hằng số tỉ lệ lý tưởng của thông
số mạng là c/a = 1.633 của cấu trúc sáu phương xếp chặt. Điều đó cũng được
báo cáo bởi Choi và các cộng sự rằng độ nhám của màng tăng nhanh với sự
tăng của nồng độ Cd, nhưng độ nhám lại giảm mạnh khi ta sử dụng sóng siêu
âm trong quá trình lắng đọng của màng. Hơn nữa độ nhám bề mặt của màng
tăng lên khi độ dầy của màng tăng lên [13].
IV. Tính chất điện của màng CdS
Tính chất điện của màng phụ thuộc nhiều vào các điều kiện lắng đọng
của màng. Màng CdS làm bằng phương pháp bốc bay dùng cho tế bào năng
lượng mặt trời thường có điện trở suất vào khoảng từ 1 tới 1000 Ω.cm. Màng
thường là bán dẫn loại n và độ dẫn điện thay đổi bởi sự mất S hoặc thừa Cd.
Điện trở suất giảm khi bề dầy của màng tăng lên [11].
Tỉ lệ Cd/S trong quá trình bay hơi cũng ảnh hưởng mạnh tới tính chất
điện như là khi màng được pha tạp. Đối với màng CdS pha tạp In tính chất
điện tốt nhất đạt được tại tỉ lệ 1.5 và màng cũng có cấu trúc tốt nhất ở tỉ lệ đó
[11].
Giá trị của điện trở suất thấp khoảng 10
-3
Ω.cm được phát hiện trên mẫu
CdS:In 1.5%. Điện trở suất của màng làm bằng phương pháp bốc hơi có pha
tạp được phát hiện ít quan hệ với nhiệt độ đế trong thời gian lắng đọng, ngược
lại sự phụ thuộc mạnh của điện trở suất của màng không pha tạp lên nhiệt độ
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
8
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
lắng đọng. Màng CdS chế tạo bằng phương pháp bốc hơi thì không nhạy
quang. Pha tạp đồng làm tăng điện trở suất của màng lên vài bậc [11].
Màng CdS chế tạo bằng phương pháp bay hơi ứng dụng vào tế bào
năng lượng mặt trời thường có nồng độ hạt tải từ 10
16
tới 10
18
cm
-3
. Chiều dài
khuếch tán của hạt dẫn không cơ bản trong màng chế tạo bằng phương pháp
bay hơi đo được nằm trong khoảng từ 0.1 tới 0.3 µm. Các nghiên cứu đã chỉ
ra rằng màng CdS mọc ở tốc độ cao hơn có nồng độ hạt tải cao hơn và nồng
độ hạt tải tăng lên khi bề dầy của màng tăng. Pha tạp In làm tăng nồng độ hạt
tải lên 3 bậc của độ lớn 2% khối lượng. Tuy nhiên với nồng độ In thấp, nồng
độ hạt tải giảm. Tạp chất đồng (Cu) pha vào cũng làm giảm nồng độ hạt dẫn
[11].
Abu-safe cùng đồng sự [7] đã chế tạo màng mỏng CdS bằng phương
pháp bay hơi hỗn hợp bột CdCl
2
và CdS. Họ báo cáo rằng nồng độ CdCl
2
tăng
lên, điện trở suất giảm và nồng độ hạt tải tăng lên. Bên cạnh đó với nồng độ
CdCl
2
lớn hơn 0.1%, điện trở suất và nồng độ hạt tải đạt tới trạng thái bão
hòa. Họ đã quan sát thấy sự tăng nhanh của độ linh động ở màng tinh khiết và
màng pha tạp CdCl
2
nồng độ dưới 0.05%.
Đối với màng CdS lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân , tính
chất điện bị chi phối bởi sự bắt các nguyên tử O
2
tại biên hạt, điều này làm
giảm nồng độ và độ linh động của hạt tải. Màng là bán dẫn loại n và có điện
trở suất thay đổi trên 10
8
Ω.cm. Ủ màng ngay sau quá trình lắng đọng trong
không khí làm giảm điện trở suất xuống còn khoảng 10
7
Ω.cm và có độ dẫn
quang cao hơn. Khi ủ trong chân không, điện trở suất của màng xuống 1 – 10
Ω.cm. Chiều dài tán xạ của lỗ trống trong màng CdS lắng đọng bằng phương
pháp phun đo được 0.2 tới 0.4 µm [11]. Trong màng CdS chế tạo bằng
phương pháp phun sự hấp thụ O
2
tại biên hạt làm giảm nồng hạt tải và độ linh
động. Độ linh động của màng CdS chế tạo bằng phương pháp phun tăng lên
khi chiều dầy của màng tăng lên [11].
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
9
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
Màng CdS mọc bằng phương pháp epitaxi có độ linh động cao. Tính chất
điện của màng làm bằng phương pháp CSVT phụ thuộc mạnh mẽ vào các
điều kiên mọc, đặc biệt là nhiệt độ đế. Điện trở suất có giá trị khác nhau từ 10
-
3
đến 1 Ω.cm như một hàm phụ thuộc vào nhiệt độ đế. Màng CdS không pha
tạp, làm bằng phương pháp epitaxi chùm phân tử (MBE) có điện trở suất
khoảng 10
5
Ω.cm. Với màng làm bằng phương pháp CVD cho thấy có điện
trở suất nằm giữa 10 và 100 Ω.cm. Khi ủ màng trong H
2
/Ar ở 400
0
C giá trị
của điện trở suất sẽ giảm xuống 0.01 hoặc 0.05 Ω.cm [11]. Nghiên cứu màng
CdS mọc bằng phương pháp CSVT chỉ ra rằng độ linh đông của electron cũng
tăng khi nhiệt độ đế tăng và đạt giá trị lớn nhất là 241 cm
2
V
-1
s
-1
. Màng được
làm bằng phương pháp CVD có độ linh động giữa 100 và 150 cm
2
V
-1
s
-1
[11].
Màng CdS làm bằng phương pháp lắng đọng hóa học là bán dẫn loại n và
có độ điện trở suất trong khoảng 10
7
tới 10
9
Ω.cm. Khi ủ trong chân không thì
độ điện trở suất giảm tới 1 hoặc 10 Ω.cm. Sự giảm điện trở suất này là do oxi
không liên kết với màng bay ra. Màng CdS làm bằng phương pháp hóa học
được ủ trong không khí cho thấy có tính chất nhạy sáng cao. Màng CdS làm
bằng phương pháp hóa học có nồng độ hạt tải khoảng 10
14
cm
-3
và độ linh
động khoảng 5 cm
2
V
-1
s
-1
đo được dưới ánh sáng [11].
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng điện trở suất của màng giảm khi bề dầy của
màng tăng [5]. Enriquez cùng các cộng sự đã báo cáo rằng điện trở suất giảm
cùng với bề dầy và sự phụ thuộc này càng dễ thấy trong bóng tối.
Guillen cùng các cộng sự [16] đã quan sát tính đáp ứng của vật liệu dưới ánh
sáng là rất nhanh, sự giảm điện trở suất của nó giữa 3 và 5 bậc của cường độ.
V. Tính chất quang của màng mỏng CdS
Tính chất quang của màng được xác định bởi cấu trúc siêu tế vi của
màng, bởi các điều kiện lắng đọng. Màng mỏng CdS có tính truyền qua ánh
sáng trong vùng nhìn thấy cao và tính phản xạ tốt ánh sáng ở vùng gần hồng
ngoại. Báo cáo cũng chỉ ra rằng biên hấp thụ quang học của màng CdS làm
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
10
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
bằng phương pháp bốc hơi trong chân không (VE), lắng đọng hóa học dịch
chuyển về phía bước sóng cao hơn khi bề dầy màng tăng lên [16].
Màng CdS làm bằng phương pháp phún xạ có ngưỡng truyền qua gần
0.52 µm tương ứng với bề rộng vùng cấm của CdS ở vùng bước sóng dài hơn
về cơ bản màng là trong suốt.
Trong màng lắng đọng bằng phương pháp phun, khe năng lượng và bờ
hấp thụ quang cơ bản thì không bị ảnh hưởng bởi cấu trúc siêu tế vi. Tính chất
khuếch tán, truyền qua phụ thuộc vào chiều dầy, nhiệt độ đế và tỷ số Cd:S.
Giá trị khác nhau của khe năng lượng của màng dao động 2.30 tới 2.60 eV đã
được báo cáo. Nhiều báo cáo đã chỉ ra rằng khi chiều dầy của màng tăng bờ
hấp thụ dịch chuyển về phía vùng năng lượng thấp hơn (bước sóng cao hơn),
tức là khoảng cách khe năng lượng giảm xuống [16, 19, 22 ]. Oumous và các
cộng sự [5] đã báo cáo bờ hấp thụ của màng là 500 nm tương ứng với khoảng
cách khe năng lượng xấp xỉ 2.45eV. Sau khi ủ, bờ hấp thụ dịch chuyển nhỏ về
phía ánh sáng có bước sóng cao hơn. Rami và các đồng sự [14] đã quan sát
được một thay đổi nhỏ về bờ hấp thụ ở khoảng 0.1 eV. Họ đã báo cáo rằng
màng CdS làm bằng phương pháp CBD từ nguồn khác nhau của cadmium
(chloride hoặc acetate) có độ truyền qua cao khoảng 70 tới 80% ở trong vùng
nhìn thấy và giá trị của khe năng lượng khoảng 2.45 tới 2.50 eV. Họ cũng
quan sát được rằng bờ hấp thụ sẽ trở lên dốc hơn khi thời gian lắng đọng tăng
lên. Họ cũng ghi lại rằng khả năng truyền qua của bức xạ không nhìn thấy sẽ
tốt hơn. Guillen [23] đã suy luận ra rằng màng CdS rất mỏng cho ánh sáng
truyền qua rất cao thậm trí là cả những bức xạ có bước sóng thấp hơn 500 nm,
điều này cũng tương ứng với phổ năng lượng của CdS tới phổ hấp thụ mạnh
hơn được xác định khoảng 300 nm trên đế thủy tinh. Herrero cùng các công
sự [25] đã cung cấp bước sóng trung bình truyền qua 400 tới 800 nm phụ
thuộc chính vào bề dầy của màng (giảm khi bề dầy tăng lên). Hadiri cùng các
cộng sự [22] đã chỉ ra rằng hệ số hấp thụ α vào khoảng 10
4
tới 10
5
cm
-1
đối
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
11
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
với khe năng lượng lớn hơn 2.4 eV. Họ phát hiện ra vùng cấm là thẳng và có
giá trị khe năng lượng khoảng 2.48 eV.
Sassikala cùng cộng sự [19] đã quan sát thấy rằng quá trình ủ nhiệt màng
làm tăng độ truyền qua và màng được ủ nhiệt có giá trị khe năng lượng thấp
hơn màng không được ủ nhiệt.

Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
12
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
Chương II: THỰC NGHIỆM
I. Chế tạo màng mỏng CdS bằng phương pháp phun nhiệt phân
I.1. Hoá chất
Trong công trình này, Cadmium chloride (CdCl
2
.2.5H
2
0) được sử dụng
là nguồn ion Cadmium và Thiourea ((NH
2
)
2
CS) được sử dụng là nguồn ion
Sulfua. Trong quá trình phun, màng CdS được hình thành trên đế theo
phương trình phản ứng hóa học sau:
CdCl
2
+ (NH
2
)
2
CS + 2H
2
0 -> CdS + NH
4
Cl ↑+ CO
2

Trên thực tế, dung dịch phun sử dụng là hỗn hợp của dung dịch 0.05M
CdCl
2
và dung dịch 0.05M (NH
2
)
2
CS pha trộn theo tỉ lệ về thể tích là từ 1:1,
1:2, 1:3. Để dung dịch phun trộn đều trước khi phun, dung dịch được khuấy
bằng máy khuấy từ trong khoảng thời gian 30 phút.
I.2. Xử lý đế
Đế sử dụng trong phương pháp phun phủ nhiệt phân phải đảm bảo được
các yêu cầu sau:
- Có độ sạch cao và bề mặt có độ nhám đủ nhỏ để không ảnh hưởng
đến chất lượng của màng sau này.
- Do màng CdS là màng trong suốt nên trong quá trình khảo sát các
tính chất sẽ đo độ truyền qua của màng trong khoảng bước sóng λ= 200 -
900nm, vì vậy yêu cầu đối với đế là hấp thụ rất ít ánh sáng có bước sóng nằm
trong khoảng trên.
- Trong công trình này chúng tôi sử dụng đế kính SAILBRAND
(China) (kích thước 76.2 × 25.4 × 1.5 mm được cắt thành miếng nhỏ kích
thước khoảng 1 × 2.54 cm). Trước khi phun đế được rửa và ngâm trong dung
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
13
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
dịch axit sunphuric (H
2
SO
4
) trong khoảng thời gian t = 4h, sau đó được rửa
sạch bằng dung dịch axeton và nước khử ion.
- Xì khô trong không khí bằng bình khí nén nitơ N
2
.
Hình (II.1) dưới đây là đồ thị phổ truyền qua của đế trước khi phun phủ :
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
20
40
60
80
100


Do truyen qua (%)
Buoc song (nm)
DE
Hình II.1: Phổ truyền qua của nền đế thủy tinh
Từ đồ thị có thể thấy, loại đế sử dụng thoả mãn yêu cầu với độ truyền qua
lớn hơn 85% đối với ánh sáng có bước sóng nằm trong khoảng 300nm-
900nm.
I.3. Phương pháp phun nhiệt phân
Từ lần đầu tiên vào năm 1966, khi Chamberlin và Skarman sử dụng kỹ
thuật này để chế tạo màng Cadmium Sulphide (CdS) cho pin mặt trời, rất
nhiều nghiên cứu về kỹ thuật phun nhiệt phân để lắng đọng màng mỏng đã
được thực hiện [33].
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
14
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
Phương pháp phun nhiệt phân là phương pháp sử dụng dòng khí để mang
dung dịch tạo màng đến bề mặt đế được gia nhiệt ở một nhiệt độ xác định.
Với mỗi loại vật liệu sẽ cần một nhiệt độ đế khác nhau. Ở một nhiệt độ xác
định của đế, các chất tham gia phản ứng trong dung dịch sẽ phản ứng với
nhau, lắng đọng trên bề mặt đế và hình thành màng mỏng có thành phần
mong muốn.
Phương pháp phun nhiệt phân được sử dụng đặc biệt hiệu quả trong việc
chế tạo màng mỏng các oxit đơn, oxit hỗn hợp, các loại oxit spinel của kim
loại, chalcogenides 2 nguyên nhóm I-VI, II-VI, III-VI, IV-VI, V-VI, VIII-VI,
chalcogenides 3 nguyên nhóm I-III-VI, II-II-VI, II-III-VI, II-VI-VI, V-II-VI,
hợp chất adamantine của đồng như Cu
2
ZnSnS
4
/Se
4
, Cu
2
CdSnS
4
/Se
4
,
CuGaSnS
4
/Se
4
, Cu
2
InSnS
4
/Se
4
, CuIn
5
S
4
/Se
4
....
Hình II.2 là sơ đồ hệ phun nhiệt phân.
Hình II.2: Sơ đồ mô tả hệ phun phủ nhiệt phân
Trong hệ phun nhiệt phân, đầu phun là bộ phận quan trọng nhất. Yêu cầu
đối với đầu phun là dung dịch khi được phun phải tạo được một không gian
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
15
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
có dạng sương mù và các hạt sương này phải có kích thước rất nhỏ. Để làm
được điều này kích thước đầu phun phải đủ nhỏ. Bên cạnh đó đầu phun còn
phải có khả năng điều chỉnh tốc độ của dòng khí và lưu lượng dung dịch.
Điều này ảnh hưởng rất lớn đến độ đồng đều, độ dày của màng thu được.
Đường kính của đầu phun có kích thước 0.5mm. Cấu tạo của đầu phun gồm
một ống hình trụ nhỏ ở giữa có một kim nhỏ. Tốc độ phun có thể thay đổi
được bằng cách điều chỉnh sự lên xuống của kim. Ngoài ra, đầu phun còn có
các bộ phận dùng để điều chỉnh lưu lượng dung dịch trong bình chứa có dung
tích 200ml. Một đầu của đầu phun được nối với bình khí nén. Dưới tác dụng
của áp suất của bình, khí sẽ được phun ra khỏi đầu phun đồng thời kéo theo
dung dịch tạo màng. Khí được sử dụng trong phương pháp cũng phải đạt
được những yêu cầu nhất định. Trước hết, khí phải là khí trơ về mặt hóa học
với các chất tạo màng. Mặt khác, khí phải có độ sạch cao để có thể tạo ra
màng có chất lượng cao. Có một số loại khí đáp ứng được khả năng này như
Ar, N
2
. . . Nhưng khi xét đến tính kinh tế và khả năng ứng dụng trong sản
xuất hàng loạt ở qui mô công nghiệp sau này, chúng tôi chọn khí N
2
. Khí có
độ sạch khá cao (99%) và giá thành tương đối rẻ, phổ biến trên thị trường.
Trên bình khí có các bộ phận điều chỉnh tốc độ dòng khí và các đồng hồ chỉ
thị áp suất của khí trong bình rất tiện lợi cho việc sử dụng
Một yếu tố quan trọng khác đối với một hệ phun nhiệt phân là nhiệt độ
đế do quá trình lắng đọng màng của các hợp chất thường thực hiện ở nhiệt độ
cao hơn ở nhiệt độ phòng (đối với màng CdS là 250 - 400
o
C). Ở nhiệt này,
một số chất trong dung dịch sẽ bị bay hơi (như nước và các dung môi dễ bay
hơi khác). Bên cạnh đó, có nhiều phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao nên bề mặt
đế chính là nơi có nhiệt độ phù hợp để phản ứng của các chất trong dung dịch
pha ban đầu xảy ra. Đối với hệ phun sử dụng trong đồ án này, đế có khả năng
nâng nhiệt độ lên khoảng 600
o
C và tốc độ gia nhiệt được điều khiển bằng hệ
điều khiển nhiệt độ và nhiệt độ của đế được giữ ổn định trong suốt quá trình
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
16
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
lắng đọng màng. Thiết bị được sử dụng để làm nhiệm vụ đó là thiết bị điều
khiển nhiệt độ Temperature Controller.
Nhiệt độ của đế được cung cấp bởi một lò nung qua một thỏi kim loại
đường kính 4cm (xem hình II.2). Thỏi kim loại được khoan các lỗ nhỏ tại vị
trí đặt đế. Từ các lỗ này một chiếc bơm chân không (bơm cơ học của hãng
ALCATEL có khả năng tạo được chân không khoảng 10
-2
– 10
-3
mmHg) hút
không khí nhằm giữ đế được áp sát vào tấm kim loại trong thời gian phun.
Đồng thời tấm kim loại còn được khoan một lỗ nhỏ từ vành ngoài vào trung
tâm để đo nhiệt độ của đế bằng cặp nhiệt. Nhiệt độ từ căp nhiệt được hồi tiếp
đến thiết bị điều khiển nhiệt độ.
Các ưu điểm của kỹ thuật phun nhiệt phân:
1) Đây là phương pháp cho phép dễ dàng pha tạp mọi nguyên tố với tỉ lệ
mong muốn bằng cách pha thêm chất cần pha tạp (oxit hay muối của các chất
đó) vào dung dịch phun.
2) Không giống như các phương pháp công nghệ lắng đọng màng mỏng
khác, phun nhiệt phân không đòi hỏi các điều kiện công nghệ quá khắt khe.
Đây chính là ưu điểm tuyệt vời khi phương pháp phun nhiệt phân được ứng dụng
trong sản xuất hàng loạt ở quy mô công nghiệp.
3) Tốc độ lắng đọng và chiều dày của màng có thể dễ dàng điều khiển
bằng cách thay đổi các thông số của quá trình lắng đọng.
4) Quá trình lắng đọng được thực hiện ở khoảng nhiệt độ trung bình từ 100
đến 600
o
C. Kỹ thuật phun nhiệt phân cho phép lắng đọng các màng mỏng mà
không yêu cầu quá nghiêm ngặt về nguyên vật liệu ban đầu.
5) Không giống như các phương pháp công suất cao như phún xạ từ
trường bằng sóng điện từ (Radio Frequency Magnetron Sputtering - RFMS),
phương pháp phun nhiệt phân không gây ra hiện tượng nung nóng cục bộ,
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
17
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
điều mà có thể gây ra các ảnh hưởng xấu đối với màng mỏng lắng đọng. Hơn
thế nữa, phương pháp này không bị hạn chế về vật liệu làm đế, định hướng
cấu trúc của đế hay đặc trưng bề mặt của đế.
6) Bằng cách thay đổi thành phần của dung dịch phun trong quá trình
lắng đọng, kỹ thuật này có thể được sử dụng để chế tạo màng có cấu trúc đa
lớp và các màng có thành phần thay đổi theo chiều dày.
7) Phương pháp này có thể tạo được màng có độ đồng đều cao trên một
diện tích rộng.
Các thông số công nghệ
- Dung dịch lắng đọng có nồng độ thay đổi từ C = 0.01- 0.05 mol/l.
- Nhiệt độ lắng đọng (nhiệt độ của bề mặt đế) nằm trong khoảng T
s
=
250 – 400
o
C (±5
o
C).
- Khí N
2
được sử dụng như là khí mang và lưu lượng được điều chỉnh bằng
các van khí. Tốc độ phun được duy trì ở υ = 5ml/min.
- Khoảng cách giữa đầu phun và đế là 40cm.
-Thời gian phun thay đổi từ 1 phút tới 10 phút.
Các chế độ xử lý nhiệt
Quá trình xử lý nhiệt trong môi trường không khí ở 2 chế độ khác nhau:
1) Cùng một nồng độ dung dịch, các mẫu được phun ở các nhiệt độ
khác nhau T
s,a
= 250
o
C, 300
o
C, 350
o
C, 400
o
C và ủ ở tại nhiệt độ phun với
cùng thời gian là t
a
=30 phút để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đế trong quá
trình lắng đọng tới các tính chất của màng.
2) Cùng một nồng độ dung dịch, cùng một nhiệt độ lắng đọng T
s
= 350
o
C các màng khác nhau với thời gian lắng đọng khác nhau từ 1 đến 10 phút đã
được chế tạo.
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
18
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
II.Các phương pháp nghiên cứu màng
II.1. Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
XRD là phương pháp được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc của vật liệu
và xác định kích thước hạt tinh thể [34].
Nguyên tắc cơ bản của phương pháp nhiễu xạ tia X là khi chiếu tia X vào
bề mặt mẫu sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ của các lớp mạng. Các tia phản xạ
giao thoa với nhau và thoả mãn phương trình Vulf-Bragg (hình II.3):
nλ = 2dsinθ (II.1)
trong đó:
n- bậc nhiễu xạ (số nguyên).
λ- bước sóng của tia X
d- khoảng cách giữa hai mặt tinh thể
θ- góc giữa tia tới và mặt phẳng phản xạ
Hình II.3: Nhiễu xạ tia X bởi hai mặt phẳng nguyên tử.
Với mỗi nguồn tia X có λ xác định, khi thay đổi góc tới θ, mỗi vật liệu có
một bộ giá trị d đặc trưng riêng. So sánh giá trị d với thư viện chuẩn sẽ xác
định được cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu.
Phổ tia X cho phép chúng ta xác định khoảng cách giũa hai mặt phẳng có
cùng chỉ số Miller.
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
19
Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của màng mỏng CdS
cấu trúc nano lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân
Một điều cần biết là khoảng cách giữa hai mặt tinh thể (d) có sự liên hệ
với ảnh nhiễu xạ tia X bởi các chỉ số Miller (h k l). Trên thực tế thì công thức
phụ thuộc vào cấu trúc của tinh thể. Khoảng cách giữa hai mặt tinh thể là
chiều dài của đường thẳng bình thường nối từ đồ thị tới mặt phẳng. Khoảng
cách d
hkl
này được cho bởi công thức:
2
222
2
1
a
lkh
d
++
=
(đối với tinh thể lập phương) (II.2)
2
2
2
22
2
1
c
l
a
kh
d
+
+
=
(đối với tinh thể tetragonal) (II.3)
2
2
2
22
2
3
41
c
l
a
khkh
d
+








++
×=
(đối với tinh thể lục giác) (II.4)
2
2
2
2
2
2
2
1
c
l
b
k
a
h
d
++=
(đối với tinh thể orthorhombic) (II.5)
Tương tự chúng ta cũng tính được mối quan hệ giữa khảng cách giữa hai
mặt tinh thể cho các cấu trúc tinh thể khác. Thể tích của ô cơ bản cho bởi :
V = a
3
(cho cấu trúc lập phương) (II.6)
V = a
2
c (cho cấu trúc tetragonal) (II.7)
V =
2
3
a
2
c (cho cấu trúc lục giác) (II.8)
V = abc (cho cấu trúc orthorhombic) (II.9)
Ngoài ra, phổ XRD cũng cho phép xác định kích thước của hạt tinh thể
thông qua phương trình Scherrer :
θ
λ
cosW
Kd
=
(II.10)
Trong đó: - d: kích thước hạt tinh thể
- K: hệ số hình dạng (K=0,9)
Nguyễn Đình Quyết – KTAS K48
20

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×