Luận án tiến sĩ kỹ thuật chế tạo nano tinh thể hợp kim sige trên nền sio2 và ngh

MỤC LỤC Trang MỤC LỤC. i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.

vi MỞ ĐẦU. Tổng quan về vật liệu bán dẫn Ge và Si. Cấu trúc vùng năng lượng và quá trình tái hợp phát xạ của các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn. Cấu trúc vùng năng lượng vật liệu bán dẫn.

Quá trình tái hợp bức xạ trong vật liệu bán dẫn. Các vật liệu bán dẫn Ge và Si và sự tương đồng giữa. Vật liệu bán dẫn Ge. Vật liệu bán dẫn Si.

Vật liệu SiO2. Sự lai hóa giữa vật liệu Si và Ge. Vật liệu kích thước nano. Sự lai hóa giữa vật liệu nano Si và Ge.

Vấn đề tồn tại. 37 Kết luận chương 1. Các phương pháp nghiên cứu và chế tạo vật liệu. Phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT).

Lý thuyết phiếm hàm mật độ - Phương trình Kohn-Sham. Thế tương quan trao đổi Vxc. Phương pháp sóng phẳng và giả thế. Phương pháp k.

Chế tạo vật liệu. Phương pháp đồng phún xạ catốt. Qui trình chế tạo màng mỏng hợp kim nano Si1-xGex. Các phương pháp nghiên cứu tính chất của vật liệu.

Phương pháp nhiễu xạ tia X. Phương pháp phổ hấp thụ quang học. Phương pháp phổ tán xạ Raman. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X.

Phương pháp hiển vi điển tử truyền qua phân giải cao. Phương pháp phổ phát xạ huỳnh quang. Phép đo hấp thụ cảm ứng. 71 Kết luận chương 2.

Các đặc trưng vật lý của vật liệu. Sự hình thành của hạt nano Si1-xGex trên nền vật liệu SiO2. Nghiên cứu hợp phần của Si1-xGex trong SiO2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến sự hình thành pha của vật liệu.

Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần Ge lên sự hình thành tinh thể hợp kim78 3. Phân tích cấu trúc tinh thể hợp kim Si1-xGex. Cấu trúc điện tử của Si, Ge và quá trình chuyển mức trực tiếp. Sự vận động của các hạt tải điện sinh ra sau quá trình kích thích quang học.

Sự phát xạ huỳnh quang của vật liệu. Quá trình vận động của hạt tải điện trong vật liệu. Cơ chế bẫy hạt tải nóng. 93 Kết luận chương 3.

Ứng dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ và phương pháp k.p trong nghiên cứu vật liệu. Cấu trúc tinh thể hạt nano hợp kim Si1-xGex. Sự hội tụ của kết quả tính toán vào năng lượng cắt. Sự hội tụ của kết quả tính toán vào số lượng điểm chia k trong vùng Brillouin.

Cấu trúc tinh thể nano hợp kim Si1-xGex. Sự liên hệ giữa cấu trúc vùng năng lượng và các chuyển mức năng lượng. 107 Kết luận chương 4. 111 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

112 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 114 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .a iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CM Hiệu ứng nhân hạt tải điện NC Tinh thể nano Si Nguyên tố Silic Ge Nguyên tố Germani TEM Hiển vi điện tử truyền qua HR-TEM Hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao XRD Nhiễu xạ tia X PL Phổ huỳnh quang FFT Phép biến đổi nhanh Fourier QD Chấm lượng tử bán dẫn EDX Phổ tán sắc năng lượng tia X SAED Nhiễu xạ lựa chọn vùng điện tử Eg Độ rộng vùng cấm DFT Lý thuyết phiếm hàm mật độ GGA Xấp xỉ gradien tổng quát LDA Xấp xỉ mật độ địa phương BZ Vùng Brillouin TE Tổng năng lượng Ecut Năng lượng cắt FCC Cấu trúc lập phương tâm mặt CBM Cực tiểu vùng dẫn VBM Cực đại vùng hóa trị Cường độ hấp thụ tuyến tính của chùm dò khi không Iind. có chùm bơm iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 Một số thông số vật lý của vật liệu Ge [4],[7],[8],[20] .2 Một số thông số vật lý của vật liệu Si [4],[7],[8],[20] .3 Sự tương đồng giữa vật liệu Ge và Si [20] .4 Một số thông số vật lý của vật liệu SiO2 [5] .1 Thông số kỹ thuật các mẫu chế tạo .1 Thành phần nguyên tố của hệ mẫu đã chế tạo .2 Hằng số mạng của tinh thể hợp kim Si1-xGex .3 Kích thước hạt tinh thể hợp kim Si1-xGex .1 So sánh hằng số mạng (a) theo thực nghiệm và tính toán DFT – GGA vào giá trị của tham số thành phần x. 106 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Bán dẫn vùng cấm thẳng .2 Bán dẫn vùng cấm xiên .3 Mô hình tái hợp chuyển mức vùng – vùng .4 Mô hình tái hợp donor và acceptor .5 Mô hình tái hợp bức xạ exciton; (a) Chuyển dời thẳng với sự tham gia của các phonon; (b) Chuyển dời nghiêng với sự tham gia của phonon .6 Mô hình tái hợp bức xạ vùng - tạp chất .8 Cấu trúc vùng năng lượng của Ge trong không gian k [7] .9 Cấu trúc tinh thể Ge biểu diễn trong không gian 2 chiều .11 Cấu trúc vùng năng lượng của Si trong không gian k [7].12 Cấu trúc tinh thể Si biểu diễn trong không gian 2 chiều .14 Mật độ trạng thái của điện tử tự do trong các hệ bán dẫn 3D, 2D, 1D và 0D [8] .15 Điện tử trong tinh thể 3 chiều: (a ) Trong không gian thực; (b) Trong không gian đảo k; (c) Năng lượng tương ứng; (d) Mật độ trạng thái g3d(E) đối với điện tử tự do tỉ lệ với căn bậc 2 của năng lượng (E1/2), phỏng theo tài liệu tham khảo [8].16 Điện tử trong tinh thể 2 chiều: (a) Trong không gian thực; (b) Trong không gian đảo k; (c) Năng lượng của điện tử tự do phụ thuộc vào kx, ky theo hàm vi parabol, các trạng thái phân bố gần như liên tục; (d) Mật độ trạng thái g2d(E) đối với khí điện tử 2 chiều, phỏng theo tài liệu tham khảo [8] .17 Điện tử trong tinh thể 1 chiều: (a) Trong không gian thực; (b) Trong không gian đảo k; (c) Sự phân bố các đường lại có tính gián đoạn, bởi vì dọc theo các trục ky và kz chỉ tồn tại các giá trị năng lượng gián đoạn; (d) Mật độ trạng thái g1d(E) trong phạm vi một đường dọc theo trục kx tỷ lệ với E-1/2, phỏng theo tài liệu tham khảo [8] .18 Điện tử trong tinh thể 0 chiều: (a) Trong không gian thực; (b) Trong không gian đảo k; (c) Chỉ có các mức năng lượng gián đoạn là được phép; (d) Mật độ trạng thái g0d(E) dọc theo một chiều ứng với các trạng thái riêng biệt, phỏng theo tài liệu tham khảo [8] .19 Các dịch chuyển quang các mức năng lượng lượng tử hóa của điện tử và lỗ trống trong NC bán dẫn [120] .20 Năng lượng exciton trong các chấm lượng tử Si và Ge(sử dụng phương pháp tính xấp xỉ khối lượng hiệu dụng) theo bán kính.

Đường bên phải cho biết năng lượng giam cầm ∆E đo từ năng lượng vùng cấm xiên của vật liệu khối [75] .1 Sơ đồ giải tự hợp với mật độ điện tử   r  .1 Nguyên lý cơ bản của quá trình phún xạ .2 Sơ đồ cấu tạo hệ phún xạ một chiều DC.3 Sơ đồ cấu tạo hệ phún xạ xoay chiều RF .4 Sơ đồ minh họa cấu tạo hệ phún xạ Magnetron .5 (a);(b);(c):Đường chuẩn phún xạ thể hiện sự phụ thuộc tốc độ phún xạ vào công suất phún xạ của từng vật liệu Ge, Si và SiO2 .6 Sơ đồ chế tạo màng mỏng chứa hạt nano tinh thể hợp kim Si1-xGex .7 Nhiễu xạ tia X bởi mặt phẳng nguyên tử [9],[10],[12] .8 Sơ đồ nguyên lý đo của thiết bị nhiễu xạ tia X .9 (a) Mô hình mô tả sự tán xạ Raman; (b) Năng lượng tán xạ Raman.10 Sự nhiễu xạ điện tử trong HR-TEM .11 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ đo hấp thụ cảm ứng .12 Hình mô tả tín hiệu Bơm – Dò tại mẫu nghiên cứu .1 Phổ tán sắc năng lượng tia X của mẫu M1(a), M2(b), M3(c), M4(d) sau khi chế tạo .2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của tinh thể hợp kim Si1-xGex với x = 0,6 ở nhiệt độ ủ 600, 800 và 1000 oC trong môi trường khí N2 với thời gian 30 phút .3 Phổ tán xạ Raman của tinh thể hợp kim Si1-xGex với x = 0,6 ở nhiệt độ ủ 600, 800 và 1000 oC, trong môi trường khí N2 với thời gian 30 phút .4 Phổ tán xạ Raman của tinh thể hợp kim Si1-xGex với x = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 được xử lý nhiệt tại 1000 oC, trong môi trường khí N2 với thời gian 30 phút .5 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 1000 oC, trong môi trường khí N2 với thời gian 30 phút .6 Sự thay đổi của hằng số mạng (a) theo thành phần x .8 Ảnh TEM của mẫu Si1-xGex với x = 0,8 sau khi xử lý nhiệt ở 1000 oC cho biết kích thước hạt nano tinh thể hợp kim Si1-xGex (hình chèn: Sự phân bố của kích thước hạt theo đường kính được khớp bởi hàm Gaussian) .9 Hình ảnh HR-TEM của một tinh thể mẫu Si1-xGex với x = 0,8 ủ ở 1000 oC (hình chèn thêm là ảnh FFT) .10 Hình ảnh nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng (SAED) mẫu Si1-xGex với x = 0,8 ủ ở 1000 oC.11 Cấu trúc vùng năng lượng của Ge khối [7].12 Cấu trúc vùng năng lượng của Si khối [7] .13 Đồ thị sự phụ thuộc của (h)2 theo h đối với mẫu M1, M2, M3, M4 ủ tại 600 oC .14 Đồ thị sự phụ thuộc của (h)2 theo h đối với mẫu M1, M2, M3, M4 ủ tại 800 oC .15 Đồ thị sự phụ thuộc của (h)2 theo h đối với mẫu M1, M2, M3, M4 ủ tại 1000 oC .16 Năng lượng dịch chuyển trực tiếp E1 của mẫu M1, M2, M3 và M4 ở các nhiệt độ ủ .17 (a),(b),(c),(d): Phổ huỳnh quang của mẫu M1, M2, M3, M4 với bước sóng kích thích 532 nm, tại nhiệt độ phòng .18 Quá trình hồi phục của các hạt tải điện sinh ra sau quá trình kích thích quang học trong hợp kim nano Si1-xGex ( x = 0,8) với các năng lượng chùm dò Edò =1,0; 1,1; 1,2;1,3 eV. Các đường đỏ nét liền là đường khớp toán học theo tổ hợp của 3 hàm mũ hàm với thời gian sống của hạt tải lần lượt là  1  600 fs,  2  12 ps và  3  15 ns, tương đương quá trình (1),(2) và (3) .19 Phổ hấp thụ cảm ứng với thời gian trễ chùm dò 10, 50, 200 và 1000 ps. Các đường chấm đỏ là phần hấp thụ của các hạt tải trong tinh thể nano Si1-xGex, các đường nét liền đỏ được khớp bởi công thức (3.