Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Chế tạo và nghiên cứu tính chất điện, quang của màng mỏng SiGe ứng dụng trong pin mặt trời thế hệ hai

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:68

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn nhằm đưa ra được quy trình công nghệ chế tạo vật liệu quang điện Si-Ge độ rộng vùng cấm thay đổi và có hiệu suất cao. Tối ưu hóa thành phần và cấu trúc của vật liệu Si-Ge để thu được các tính chất vật lý cho phép ứng dụng trong pin quang điện. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Chế tạo và nghiên cứu tính chất điện, quang của màng mỏng SiGe ứng dụng trong pin mặt trời thế hệ hai

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC LÊ XUÂN HIẾU CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN, QUANG CỦA MÀNG MỎNG SiGe ỨNG DỤNG TRONG PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ HAI LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC LÊ XUÂN HIẾU CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN, QUANG CỦA MÀNG MỎNG SiGe ỨNG DỤNG TRONG PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ HAI Ngành: Quang học Mã số: 8 44 01 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1. TS. VŨ VĂN THÚ 2. PGS.TS. NGUYỄN VĂN ĐĂNG THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài: “Chế tạo và nghiên cứu tính chất điện, quang của màng mỏng SiGe ứng dụng trong pin mặt trời thế hệ hai” là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Văn Thú và PGS.TS. Nguyễn Văn Đăng. Các số liệu và kết quả đưa ra trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào trước. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan trên của mình. Thái Nguyên, tháng 11 năm 2019 Tác giả Lê Xuân Hiếu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS. Vũ Văn Thú và PGS.TS. Nguyễn Văn Đăng, các thầy đã hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Các thầy đã luôn chỉ bảo tận tình, động viên cũng như tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn tới Khoa Vật lí - Công nghệ - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, Viện ITIMS - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cho tôi cơ hội được học tập, nghiên cứu và làm thực nghiệm. Trong suốt thời gian làm luận văn, tôi đã luôn nhận được sự giúp đỡ trong công việc, sự động viên, khích lệ của các thầy, đặc biệt là thầy TS. Ngô Ngọc Hà, Viện ITIMS cùng các bạn sinh viên từng học tập và nghiên cứu tại đây. Tôi xin ghi nhận những tình cảm quý báu từ các thầy, các anh chị và các bạn đã giành cho tôi. Tôi xin cảm ơn tới Ban giám hiệu, tổ bộ môn Vật lí và các thầy, cô giáo trong trường THPT Quảng Hà đã ủng hộ, tạo mọi điều kiện giúp tôi hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình, anh em, bạn thân đã luôn tin tưởng và ủng hộ tôi, giúp tôi vượt qua tất cả những khó khăn trong quá trình học tập, nghiên cứu để có thể hoàn thành được luận văn này. Thái Nguyên, tháng 11 năm 2019 Tác giả Lê Xuân Hiếu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ....................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... vi DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ ................................................... vii MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1 2. Mục tiêu của đề tài ........................................................................................ 3 3. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 3 4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 3 5. Bố cục của luận văn gồm .............................................................................. 4 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN Si và Ge .................. 5 1.1. Cấu trúc vùng năng lượng và quá trình tái hợp phát xạ của các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn ................................................................. 5 1.1.1. Đặc điểm cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn ........................... 5 1.1.2. Các quá trình phát quang xảy ra trong vật liệu bán dẫn ......................... 6 1.2. Vật liệu bán dẫn Ge ............................................................................... 10 1.2.1. Vật liệu bán dẫn Ge tinh thể khối ......................................................... 10 1.2.2. Cấu trúc vùng năng lượng và tính chất quang của Ge tinh thể khối .... 12 1.3. Vật liệu bán dẫn Si ................................................................................ 14 1.3.1. Vật liệu bán dẫn Si tinh thể khối ........................................................... 14 1.3.2. Cấu trúc vùng năng lượng và tính chất quang của Si tinh thể khối ...... 15 1.4. Vật liệu Si cấu trúc nanô ....................................................................... 17 1.4.1. Các cấu trúc thấp chiều của vật liệu Si ................................................. 17 1.4.2. Tính chất quang của vật liệu Si cấu trúc nano ...................................... 19 1.5. Sự lai hóa giữa vật liệu nano Si và Ge .................................................. 21 1.6. Pin mặt trời trên cơ sở Si và Ge ............................................................ 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
iv Chương 2. THỰC NGHIỆM ........................................................................ 26 2.1. Phương pháp phún xạ............................................................................ 26 2.1.1. Nguyên lý phương pháp phún xạ .......................................................... 26 2.1.2. Các kỹ thuật phún xạ............................................................................. 26 2.1.3. Bia phún xạ ........................................................................................... 29 2.2. Một số phương pháp nghiên cứu đặc trưng tính chất ........................... 30 2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X .................................................................. 30 2.2.2. Phương pháp tán xạ Raman .................................................................. 32 2.2.3. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X .......................................... 33 2.2.4. Phương pháp hiển vi điển tử truyền qua phân giải cao......................... 34 2.3. Quy trình chế tạo pin mặt trời trên cơ sở Si và Ge ............................... 37 2.3.1. Chế tạo màng mỏng chứa nano Si-Ge .................................................. 37 2.3.2. Mô tả chi tiết các bước chế tạo ............................................................. 38 2.3.3. Quy trình chế tạo pin mặt trời trên cơ sở Si và Ge ............................... 40 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 43 3.1. Hình thái cấu trúc và một số tính chất quang của vật liệu hợp kim nano Si-Ge............................................................................................. 43 3.1.1. Kết quả phân tích thành phần bằng phổ tán sắc năng lượng của vật liệu hợp kim nano Si-Ge trên nền vật liệu SiO2.................................... 43 3.1.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến sự hình thành pha tinh thể hợp kim Si1-xGex ...................................................................... 44 3.1.3. Kết quả phân tích phổ tán xạ Raman của hợp kim Si1-xGex ................. 46 3.1.4. Kết quả phân tích vi cấu trúc tinh thể của hợp kim Si1-xGex ................ 47 3.2. Khảo sát đánh giá thông số pin mặt trời ............................................... 49 3.3. Kết quả khảo sát đặc trưng thế dòng (I-V) của pin mặt trời đã chế tạo ..... 52 KẾT LUẬN .................................................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 56 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU BZ Vùng Brillouin DFT Lý thuyết phiếm hàm mật độ EDX Phổ tán sắc năng lượng tia X Eg Độ rộng vùng cấm FCC Cấu trúc lập phương tâm mặt FFT Phép biến đổi nhanh Fourier Ge Nguyên tố Germani HR-TEM Hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao NC Tinh thể nano SAED Nhiễu xạ lựa chọn vùng điện tử Si Nguyên tố Silic TEM Hiển vi điện tử truyền qua XRD Nhiễu xạ tia X Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
vi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Một số thông số vật lý của vật liệu Ge ................................................. 11 Bảng 1.2. Một số thông số vật lý của vật liệu Si .................................................. 14 Bảng 1.3. Sự tương đồng giữa vật liệu Si và Ge .................................................. 16 Bảng 2.1. Bảng mẫu vật liệu Si1-xGex được chế tạo bằng phương pháp đồng phún xạ catốt.......................................................................................... 39 Bảng 3.1. Thành phần các nguyên tố có trong hệ mẫu M1, M2, M3, M4............. 44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
vii DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Bán dẫn vùng cấm thẳng ......................................................................... 6 Hình 1.2. Bán dẫn vùng cấm xiên ........................................................................... 6 Hình 1.3. Mô hình tái hợp chuyển mức thẳng ......................................................... 7 Hình 1.4. Mô hình tái hợp chuyển mức xiên ........................................................... 8 Hình 1.5. Mô hình tái hợp thông qua các trạng thái exciton ................................... 9 Hình 1.6. Mô hình tái hợp Donor - Acceptor ........................................................ 10 Hình 1.7. (a) Mô hình cấu trúc tinh thể kiểu kim cương với hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào nhau của Ge; (b) Mặt đẳng năng ở đáy vùng dẫn của chất bán dẫn Ge .............................................................. 12 Hình 1.8. Cấu trúc vùng năng lượng của Ge trong không gian k ......................... 13 Hình 1.9. Cấu trúc tinh thể Ge biểu diễn trong không gian 2 chiều ...................... 13 Hình 1.10. Mô tả cấu trúc tinh thể (a) và vùng Brillouin thứ nhất (b) của silíc ..... 15 Hình 1.11. Cấu trúc vùng năng lượng của Si ......................................................... 16 Hình 1.12. Mô tả các cấu trúc thấp chiều của Si .................................................... 18 Hình 1.13. Sự phụ thuộc huỳnh quang của các mẫu SiO2:Si theo nhiệt độ ủ mẫu và nồng độ Si trong mẫu ................................................................ 20 Hình 1.14. Sự phụ thuộc phổ huỳnh quang của mẫu màng SiO2:Si theo kích thước hạt nc-Si ...................................................................................... 21 Hình 1.15. Phổ ánh sáng mặt trời thu tại mặt đất A.M.1.5 và phần năng lượng ánh sáng có thể thu được từ các loại vật liệu chế tạo pin mặt trời khác nhau ............................................................................................... 25 Hình 2.1. Nguyên lý cơ bản của quá trình phún xạ .............................................. 26 Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ phún xạ catôt một chiều .................................. 27 Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý của hệ phún xạ catôt xoay chiều RF .......................... 28 Hình 2.4. Sơ đồ minh hoạ một hệ phún xạ manhêtrôn phẳng ............................... 29 Hình 2.5. Ảnh chụp hệ máy phún xạ Alcatel SCM 400 sử dụng hai nguồn DC và RF ..................................................................................................... 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
viii Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý nhiễu xạ tia X trên tinh thể ......................................... 31 Hình 2.7. Nhiễu xạ kế D8-Advance ...................................................................... 32 Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý tán xạ Raman .............................................................. 33 Hình 2.10. Mặt cắt pin mặt trời được chế tạo trong nghiên cứu ............................. 42 Hình 3.1. Phổ tán sắc năng lượng tia X của mẫu M1, M2, M3, M4. .................... 43 Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu M3 ủ tại nhiệt độ 6000C, 8000C và 10000C.... 45 Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của tinh thể hợp kim Si1-xGex với x =0,2; 0,4; 0,6 và 0,8 tại nhiệt độ ủ 1000oC ..................................................... 46 Hình 3.4. Phổ Raman của tinh thể hợp kim Si1-xGex với x = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 được xử lý nhiệt ở 1000oC trong môi trường khí N2 với thời gian 30 phút ......... 47 Hình 3.5. (a) Hình ảnh TEM của mẫu Si1-xGex với x = 0,8 sau khi ủ ở 1000°C, các đốm đen có đường kính từ 3÷10 nm là đơn tinh thể hợp kim Si- Ge; (b) Hình ảnh HR-TEM của một hạt tinh thể (hình chèn thêm là ảnh FFT); (c) Hình ảnh nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng (SAED) ............ 48 Hình 3.6. Cấu trúc sơ đồ của pin mặt trời đã chuẩn bị với các tiếp điểm phía trước Ag và Al ....................................................................................... 49 Hình 3.7. Ảnh SEM của Si (a) và Ge (b) phún xạ trên đế thạch anh tại công suất phún xạ 100 W trong thời gian 90 phút ......................................... 51 Hình 3.8. Đường cong hiệu chuẩn cho vật liệu Si và Ge phún xạ ........................ 52 Hình 3.9. Thiết kế mask điện cực bạc cho pin mặt trời......................................... 52 Hình 3.10. Pin mặt trời sau khi được chế tạo được kiểm tra đặc trưng I-V trên hệ Sun-simulator Oriel IV test station (Oriel instruments, Mỹ). ................... 53 Hình 3.11. Đặc trưng I-V của pin mặt trời đã chế tạo ............................................. 53 Hình 3.12. Mạch điện tương đương của pin mặt trời khi kiểm tra đặc trưng I-V ... 54 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Sự phát triển nhanh của nền kinh tế và xã hội Việt Nam gắn liền với nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng. Khi các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên đang nhanh chóng cạn kiệt, sự thiếu hụt năng lượng trở nên hiện hữu. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng tái tạo là một trong những hướng quan trọng có tính cấp thiết cao. Do đó, việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các thiết bị thu nhận và chuyển đổi nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời này sang thành điện năng - pin mặt trời - là một hướng đi đúng và thiết thực. Gần đây, nghiên cứu và phát triển các loại vật liệu có tính ưu việt, thân thiện với môi trường dùng trong việc chế tạo các linh kiện quang, điện tử tiên tiến trên cơ sở Si và Ge thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới. Loại bán dẫn vùng cấm xiên Ge đã và đang sử dụng rất nhiều trong các loại cảm biến hồng ngoại, các thiết bị khuếch đại công suất cao. Sự tương thích của Si và Ge cho thấy loại vật liệu này có thể điều chỉnh cấu trúc vùng năng lượng thông qua việc thay đổi thành phần cấu thành [1-3]. Sự thay đổi cấu trúc vùng năng lượng theo ý muốn đóng vai trò quan trọng cho công nghệ chế tạo vi điện tử bán dẫn hiện đại. Đặc biệt, sự pha trộn của hai bán dẫn vùng cấm xiên Si và Ge tạo thành hợp kim SiGe thu hút nhiều sự quan tâm bởi các nhà khoa học với khả năng điều chỉnh cấu trúc vùng năng lượng của loại vật liệu này [1-3]. Được phát triển trên cơ sở công nghệ chế tạo vi điện tử bán dẫn, vật liệu hợp kim SiGe là tiền đề cho việc thiết kế và chế tạo những loại linh kiện bán dẫn với thời gian đáp ứng nhanh trên cơ sở vật liệu Si truyền thống [4]. Khả năng này có được nhờ độ linh động của hạt tải và các hệ số môi trường nội tại thay đổi, tuy nhiên loại vật liệu hợp kim này vẫn là loại bán dẫn vùng cấm xiên. Trong các hệ cấu trúc thấp chiều, tính chất quang học của chất bán dẫn vùng cấm xiên này có thể được tăng cường bởi hiện tượng giam giữ lượng tử. Các hiệu ứng này bao gồm việc giảm thời gian tái hợp phát xạ của các cặp điện tử - lỗ trống, do đó tăng khả năng phát xạ tái hợp vùng vùng - tái hợp exciton, và khả năng điều chỉnh được bước sóng phát xạ [5, 6]. Hơn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2 nữa, các cấu trúc thấp chiều có thể giúp nâng cao hiệu quả của quá trình tương tác lưỡng cực giữa các hạt tải, chẳng hạn như tái hợp Auger và hiệu ứng nhân hạt tải điện - quá trình sinh ra nhiều hơn một cặp điện tử lỗ trống khi hấp thụ một photon ánh sáng [7]. Trong đó, hiệu ứng nhân hạt tải điện có thể giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện của các hệ pin mặt trời thế hệ mới. Khi mà điểm năng lượng thấp trong vùng dẫn tại điểm  trong vùng Brillouin của Si liên quan đến quỹ đạo p không liên kết, trật tự của tiểu vùng dẫn tại vị trí này trong Ge được bảo toàn, với mức năng lượng thấp nhất phản liên kết vùng dẫn quỹ đạo s. Đặc tính này tạo cho Ge gần giống như loại bán dẫn vùng cấm thẳng. Mức năng lượng vùng cấm thẳng 0,8 eV cao hơn 0,14 eV so với mức năng lượng vùng cấm xiên thấp nhất của Ge tại điểm L trong vùng Brillouin. Sự chuyển tiếp quang điện tử vùng dẫn thẳng có thể xảy ra ở các tiểu vùng có mức năng lượng cao hơn như 2,3 eV; 3,2 eV; và 4,6 eV tại các điểm L, , và X trong vùng Brillouin của Ge. Điều này làm tăng tiết diện hấp thụ của vật liệu trong phổ phát xạ của mặt trời. Cũng cần thiết đề cập thêm ở đây rằng với sự khác biệt nhỏ, cấu trúc vùng năng lượng của Ge có thể đưa ra một khả năng chuyển đổi từ cấu trúc vùng năng lượng xiên thành cấu trúc vùng năng lượng thẳng. Sự pha trộn giữa hai vật liệu Si và Ge nhằm đem lại những thay đổi trong cấu trúc vùng năng lượng hay độ rộng vùng cấm phù hợp, tăng khả năng tận dụng tối đa năng lượng mặt trời được chuyển đổi thành điện năng. Trong những năm gần đây, vật liệu lai hóa SiGe được đặc biệt quan tâm nghiên cứu của rất nhiều phòng thí nghiệm lớn trên thế giới [8-14]. Việc nghiên cứu tích chất quang, điện tử của vật liệu Si và Ge cấu trúc thấp chiều cũng được quan tâm tại một số phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu có uy tín ở Việt Nam như: Viện Vật lý - Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam; Viện Vật lý Kĩ Thuật - ĐHBK Hà Nội và một số nhóm nghiên cứu từ các Trường ĐH và các Viện nghiên cứu khác. Tuy nhiên, vật liệu lai hóa nano SiGe được đề xuất trong đề tài này chưa được quan tâm khảo sát và nghiên cứu chuyên sâu, mặc dù đây là loại vật liệu tiềm năng ứng dụng rất cao cho lớp chuyển đổi quang điện của pin mặt trời hiệu suất cao, đặc biệt bởi sự phổ biến và thân thiện với môi trường của vật liệu cũng như tính tương thích của công nghệ chế tạo hiện nay. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
3 Việc tăng cường độ nhạy quang và hiệu suất chuyển đổi từ quang năng (ánh sáng) sang điện năng là quan trọng giúp tăng cường phẩm chất và hiệu quả sử dụng của các pin mặt trời. Đặc biệt đối với các loại thiết bị trên cơ sở vật liệu Si hiện đang được sử dụng phổ biến nhất bởi nguồn trữ lượng dồi dào và giá thành sản xuất tương đối rẻ so với các sản phẩm cùng loại. Tuy nhiên, hạn chế của vật liệu Si là vùng nhạy sáng bị giới hạn trong vùng hồng ngoại (< 1,1 eV) và hiệu suất quang ở mức trung bình. Việc đưa thêm Ge vào Si nhằm tăng cường khả năng mở rộng phổ nhạy sáng cũng như hiệu suất chuyển đổi quang điện của các thiết bị. Hơn thế nữa, gần đây trên thế giới có rất nhiều các công trình công bố uy tín trên thế giới về các hệ vật liệu SiGe ứng dụng làm pin mặt trời. Xuất phát từ những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu “Chế tạo và nghiên cứu tính chất điện, quang của màng mỏng SiGe ứng dụng trong pin mặt trời thế hệ hai”. 2. Mục tiêu của đề tài - Đưa ra được quy trình công nghệ chế tạo vật liệu quang điện Si-Ge độ rộng vùng cấm thay đổi và có hiệu suất cao. - Tối ưu hóa thành phần và cấu trúc của vật liệu Si-Ge để thu được các tính chất vật lý cho phép ứng dụng trong pin quang điện. 3. Nội dung nghiên cứu - Ảnh hưởng của quá trình công nghệ lên việc hình thành các cấu trúc và hình thái của vật liệu lai hóa. - Tính chất vật lý của vật liệu lai hóa Si-Ge kích thước nano nhằm đem lại hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng cao nhất, phù hợp với phổ ánh sáng mặt trời. - Các đặc trưng của vật liệu và linh kiện chế tạo. - Tính ổn định cơ học và hóa học của loại vật liệu lai hóa Si-Ge. 4. Phương pháp nghiên cứu Luận văn được thực hiện chủ yếu bằng phương pháp thực nghiệm. Các phương pháp chế tạo vật liệu như: bốc bay nhiệt, phún xạ ca tốt, phương pháp ăn mòn hóa học và phương pháp điện hóa. Tính chất vật lý, tính chất hóa học, các đặc trưng của vật liệu SiGe được nghiên cứu thông qua các phép đo huỳnh quang liên tục, huỳnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
4 quang phụ thuộc thời gian, hiển vi điện tử quét, hiển vi điện tử truyền qua (SEM, TEM), phổ hấp thụ và truyền qua UV-VIS, phổ tán xạ năng lượng điện tử (EDS), nhiễu xạ tia X (XRD) và tán xạ Raman,... 5. Bố cục của luận văn gồm Mở đầu: Giới thiệu lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu. Chương 1: Tổng quan về vật liệu bán dẫn Si và Ge. Chương 2: Thực nghiệm. Chương 3: Kết quả và thảo luận. Kết luận: Trình bày tóm lược các kết quả chính của luận văn. Tài liệu tham khảo. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN Si và Ge 1.1. Cấu trúc vùng năng lượng và quá trình tái hợp phát xạ của các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn 1.1.1. Đặc điểm cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn Cấu trúc vùng năng lượng vật liệu bán dẫn quyết định trực tiếp đến tính chất phát quang trong chất bán dẫn, vì vậy việc tìm hiểu cấu trúc vùng năng lượng của chúng là rất cần thiết. Ở nhiệt độ thấp, bán dẫn có phổ năng lượng gồm các vùng cho phép điền đầy hoàn toàn và các vùng trống hoàn toàn. Trong đó vùng trống hoàn toàn thấp nhất là vùng dẫn, mức năng lượng cực tiểu của vùng dẫn gọi là đáy vùng dẫn, ký hiệu EC; vùng điền đầy cao nhất là vùng hoá trị, mức năng lượng cực đại của vùng hoá trị gọi là đỉnh vùng hoá trị, ký hiệu EV. Khoảng cách năng lượng Eg = EC - EV gọi là bề rộng vùng cấm. Trạng thái của điện tử trong các vùng năng lượng cho phép được đặc trưng bởi năng lượng E và các véctơ sóng k (kx, ky, kz). Tại lân cận các điểm cực trị, sự phụ thuộc giữa năng lượng E và véc tơ sóng k trong các vùng năng lượng cho phép rất phức tạp. Lân cận các điểm cực trị này, sự phụ thuộc E( k ) có thể xem gần đúng có dạng một hàm bậc hai, tương ứng như sau [2]:  2 k2 Đối với điện tử: E k  Ec  (1.1) 2me*  2 k2 Đối với lỗ trống: E k  EV  (1.2) 2m*p Trong trường hợp tổng quát khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống (m*e và m*P) là những đại lượng tenxơ phụ thuộc vào hướng trong tinh thể. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
6 Hình 1.1. Bán dẫn vùng cấm thẳng Dựa vào cấu trúc của vùng cấm, người ta chia bán dẫn ra làm 2 loại khác nhau: - Bán dẫn có vùng cấm trực tiếp hay còn gọi là vùng cấm thẳng: đỉnh của vùng hoá trị và đáy vùng dẫn có cùng một véc tơ sóng k . Sự chuyển mức năng lượng (tái hợp) xảy ra trong cùng một vectơ sóng gọi là chuyển mức thẳng (Hình 1.1). - Bán dẫn có vùng cấm không trực tiếp còn gọi là vùng cấm xiên: đỉnh vùng hoá trị và đáy vùng dẫn không có cùng một véc tơ sóng k . Sự chuyển mức xảy ra giữa hai mức năng lượng trong bán dẫn này gọi là chuyển mức xiên (Hình 1.2). Hình 1.2. Bán dẫn vùng cấm xiên 1.1.2. Các quá trình phát quang xảy ra trong vật liệu bán dẫn Sự phát quang của vật liệu bán dẫn gồm hai quá trình chính là quá trình hấp thụ và quá trình tái hợp. Quá trình hấp thụ xảy ra khi điện tử chuyển lên vùng dẫn khi được kích thích bởi năng lượng bên ngoài (quang năng, nhiệt năng...). Khi điện tử được kích thích lên các trạng thái có mức năng lượng cao hơn, nó luôn có xu hướng hồi phục về mức năng lượng có giá trị năng lượng thấp hơn và giải phóng năng lượng. Quá trình này gọi là quá trình tái hợp. Năng lượng giải phóng ra trong quá trình này có thể thể hiện dưới dạng ánh sáng hay nhiệt năng. Để hiểu rõ hơn về quá trình tái hợp trong chất bán dẫn chúng tôi tập trung nghiên cứu chi tiết các dạng tái hợp xảy ra trong bán dẫn. 1.1.2.1. Tái hợp chuyển mức thẳng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
7 Chuyển mức thẳng là chuyển mức vùng - vùng xảy ra trong chất bán dẫn có đỉnh vùng hoá trị và đáy vùng dẫn nằm trên cùng một véc tơ sóng. Khi điện tử hấp thụ một photon, nếu năng lượng của photon kích thích ≥ Eg (năng lượng vùng cấm) thì điện tử sẽ chuyển lên vùng dẫn. Trong khi đó, ở vùng hoá trị đồng thời xuất hiện một lỗ trống tương ứng và lỗ trống này có xu hướng chuyển về đỉnh vùng hoá trị. Khi đó ở trong vùng dẫn các điện tử có xu hướng chuyển về đáy vùng dẫn. Thời gian hồi phục của điện tử và lỗ trống về đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hoá trị tương ứng ~ 10-14 đến 10-12 giây. Sau thời gian hồi phục, điện tử và lỗ trống ở điểm cực trị của các vùng năng lượng, sau đó xảy ra quá trình tái hợp giữa điện tử và lỗ trống. Quá trình tái hợp vùng - vùng của chuyển mức thẳng xảy ra tuân theo các định luật bảo toàn năng lượng và bảo toàn xung lượng [2]: h  EC  EV (1.3) k  k C  kV  0 (1.4) Trong đó EC là năng lượng cực tiểu của vùng dẫn, EV là năng lượng cực đại của vùng hoá trị, k C , k V là véc tơ sóng của điện tử và lỗ trống. Mô hình tái hợp chuyển mức thẳng được mô tả như Hình 1.3. Hình 1.3. Mô hình tái hợp chuyển mức thẳng 1.1.2.2. Tái hợp chuyển mức xiên Trong bán dẫn nếu đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hoá trị không nằm trên cùng một véc tơ sóng thì chuyển mức trong bán dẫn là chuyển mức vùng - vùng không Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
8 thẳng hay còn gọi là chuyển mức xiên. Quá trình chuyển mức này luôn kèm theo sự hấp thụ hoặc bức xạ phonon [2]: h  EC  EV  EP (1.5) k p  k C  kV (1.6) Trong đó EP là năng lượng của phonon, k p là véc tơ sóng của phonon. Trong quá trình hấp thụ cơ bản chuyển mức xiên có sự tham gia của ba hạt (điện tử, photon và phonon). Có thể giải thích quá trình chuyển mức xiên thành hai giai đoạn như Hình 1.2. Trong giai đoạn thứ nhất, điện tử từ vùng hoá trị hấp thụ photon và chuyển mức thẳng lên một trạng thái giả định, thời gian sống của trạng thái giả định rất nhỏ cho nên độ bất định của trạng thái này có thể rất lớn và vì thế không nhất thiết phải thoả mãn định luật bảo toàn năng lượng trong giai đoạn thứ nhất này. Trong giai đoạn thứ hai, điện tử chuyển từ trạng thái giả định trong vùng dẫn vào trạng thái cuối ở cực tiểu EC của vùng dẫn bằng cách hấp thụ hoặc bức xạ một phonon. Sự tái hợp chuyển mức xiên được biểu diễn trên Hình 1.4. Hình 1.4. Mô hình tái hợp chuyển mức xiên 1.1.2.3. Tái hợp thông qua trạng thái exciton Khi bán dẫn có độ tinh khiết cao, bị kích thích bằng ánh sáng với năng lượng cao hơn năng lượng của vùng cấm, trong chất bán dẫn sẽ hình thành các cặp điện tử - lỗ trống. Các cặp điện tử - lỗ trống này có thể chuyển động tự do trong bán dẫn và đóng góp trực tiếp vào tính dẫn điện của chất bán dẫn. Trong một số trường hợp, do tương tác Coulomb điện tử và lỗ trống hút nhau, những trạng thái liên kết đặc biệt giữa điện tử và lỗ trống có thể xuất hiện. Năng lượng photon cần thiết để tạo ra các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
9 trạng thái này nhỏ hơn năng lượng vùng cấm, cặp điện tử - lỗ trống liên kết với nhau như vậy tạo thành các giả hạt gọi là exciton. Quá trình tái hợp các hạt tải sẽ triệt tiêu exciton và phát ra phổ bức xạ dải khá hẹp dưới dạng năng lượng ánh sáng hoặc năng lượng phonon. Trường hợp bán dẫn có vùng cấm thẳng, năng lượng tái hợp bức xạ có dạng: h  Eg  Ex (1.7) Trong đó Ex là năng lượng liên kết exciton. Trường hợp bán dẫn có vùng cấm xiên, định luật bảo toàn xung lượng được thoả mãn khi có sự tham gia của phonon quang với năng lượng Ep. Bức xạ exciton có thể có sự tham gia của một hay nhiều phonon. Nếu số phonon phát ra trong quá trình chuyển dời càng nhiều thì xác suất chuyển dời càng thấp. Đối với bán dẫn có vùng cấm xiên, trong quá trình chuyển dời, photon phát ra có năng lượng: h  Eg  Ex  m.E p (1.8) Trong đó m là số phonon phát ra trong quá trình chuyển dời [2]. Tái hợp thông qua trạng thái exciton được mô tả như Hình 1.5. Hình 1.5. Mô hình tái hợp thông qua các trạng thái exciton 1.1.2.4. Tái hợp thông qua các donor và acceptor Trường hợp trong chất bán dẫn xuất hiện đồng thời các tạp chất donor và acceptor thì sẽ xảy ra tương tác Coulomb giữa donor và acceptor. Nếu nồng độ của chúng đủ lớn thì có thể xảy ra tái hợp bức xạ giữa điện tử của donor và lỗ trống của acceptor. Nếu hai tạp chất này cách nhau một khoảng r thì năng lượng của photon phát ra có độ lớn là: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
10 q2 h  Eg  EA  ED  (1.9) r Trong đó Eg là năng lượng vùng cấm, ED là năng lượng của donor, EA là năng q2 lượng của acceptor, là năng lượng tương tác Coulomb giữa donor và acceptor. r Tái hợp thông qua các donor và acceptor được mô tả như Hình 1.6. Hình 1.6. Mô hình tái hợp Donor - Acceptor 1.2. Vật liệu bán dẫn Ge 1.2.1. Vật liệu bán dẫn Ge tinh thể khối Germani (Ge) là nguyên tố thuộc nhóm IVA của bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Tính chất hóa học vật liệu này 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, đặc tính 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. Với vật liệu Ge khối, có độ rộng vùng cấm thẳng 0,8 eV, cao hơn 0,14 eV so với độ rộng vùng cấm xiên thấp nhất tại điểm L trong vùng Brillouin. Sự chuyển tiếp quang điện tử vùng dẫn thẳng có thể xảy ra ở các tiểu vùng có mức năng lượng cao hơn như 2,3 eV; 3,2 eV và 4,6 eV tại các điểm L, Γ và X trong vùng Brillouin. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn