TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
 ĐÀO SƠN LÂM CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT
LIỆU ZnO PHA TẠP Al VÀ Mn
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2012 TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN


ĐÀO SƠN LÂM CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT
LIỆU ZnO PHA TẠP Al VÀ Mn


 to mu: 16
 18
nh cht cu trúc: 18
t t: 23
t quang: 24
Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm n: 28
 KT QU VÀ THO LUN 30
3.1. Kt qu ca h mu Zn1-xMnxO 30
3.1.1:Kt qu t cu trúc ca h mu Zn1-. 30
3.1.2. Kt qu a h mu Zn1-xMnxO 36
3.1.3. Kt qu t t ca h mu Zn1- 41
3.2. Kt qu a h mu Zn1- 43
3.2.1. Kt qu t cu trúc ca h mu Zn1-  43
3.2.2. Kt qu a h mu Zn1-yAlyO 47
3.2.3. Kt qu n ca h mu Zn1- 53
KT LU 59
TÀI LIU THAM KHO 60


 cng ca ZnO  lân cn k=0.

9
8.
Hình 1.8: Vùng Brillouin ca mng tinh th l km
10
9.
 ng ca tinh th ZnO
11
10.
ng cong t hóa ph thuc nhi ca dây Zn
1-
x
Mn
x
O
13
11.
 khi quá trình to mu.

17
12.
Hình 2.2: Lò nung Carbolite RHF1500
17
Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm 13.
Hình 2.3: Gi nung mu.


21.
 quang hc ca quang ph k micro -Raman Spex
Micramate
27
22.
Hình 2.12: Máy Hewlett Packard 4192 HP  Vin khoa hc vt liu.
28
23.
Hình 3.1: Ph nhiu x tia X (XRD) ca h mu khi Zn
1-x
Mn
x
O.
30
24.
Hình 3.2: nh SEM ca h mu Zn
1-x
Mn
x
O
33
25.
Hình 3.3: Ph tán sc EDS ca mu Zn
0.9
Mn
0.02
O.
34
Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm


30.
Hình 3.8: Ph tán x Raman ca mu Zn
0,98
Mn
0,02
O
38
31.
Hình 3.9: Ph tán x Raman ca mu Zn
0,96
Mn
0,04
O
39
32.
Hình 3.10: Ph tán x Raman ca mu Zn
0,94
Mn
0,06
O.
40
33.
Hình 3.11: Ph tán x Raman ca mu Zn
0,92
Mn
0,08
O.
40
34.
Hình 3.12: Ph tán x Raman ca mu Zn

38.
Hình 3.16: Ph tán sc EDS ca mu Zn
0.97
Al
0.03
O
47
Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm 39.
Hình 3.17: Ph tán sc EDS ca mu Zn
0.94
Al
0.06
O.

48
40.
3.18: Ph Raman c

u Zn
1-y
Al
y
O

49
41.
Hình 3.19: Ph Raman ca mu ZnO

46.
Hình 3.24: Ph Raman ca mu Zn
0.85
Al
0.15
O
53
47.
Hình 3.25 : Giá tr n dung ca h mu Zn
1-y
Al
y
O
54
48.
Hình 3.26: Giá tr  d








1-y
Al
y
O.
56
49.

1
MỞ ĐẦU
S phát trin ca khoa hc công ngh chuyn sang mc ngot ln khi cht
bán dc phát hin và ng dng vào thc t. Các sn phm s dng cht bán dn
c ph bin trong công nghic st liu
bán dn càng thu hút s quan tâm ca các nhà khoa hc nói chung và các nhà vt lý nói
riêng.
Trong nht liu bán dc nano lc chú ý
n b   i tri và khác bit .Nhng sn phm công ngh cao ng dng
mnh m ca công ngh : Máy tính có kh  thông tin ln, t
x lý nhanh gp nhiu ln hin nay, hay pin mt tri tn dng ngung sch,
thân thin vng
Mt trong nhng vt liu bán dt nhiu nhà khoa hc nghiên cu
v ng dng ca nó là ZnO. ZnO là hp cht thuc nhóm A
II
B
VI
có nhiu tính cht ni
b rng vùng cm ln (c 3,37 eV  nhi  bn v rn và
nhi nóng chy cao [5]. Vt liu cho linh kin t hong trong vùng
ph t ngoi, các chuyn mc phát quang xy ra vi xác sut li vi ZnO, hiu
sung t phát quang có th t gn 100 %, m ra nhiu trin vng trong vic ch
to laser, sensor nhy khí, pin mt trn nay ZnO có cc
tp trung nghiên cu vì hy v cho phép ch to mt th h mi các
linh kin có nhiu tính cht.
ng khi không pha tp, ZnO là bán dn  h












 . 






 nhôm (Al), gallium (Ga), indium (In), pht pho (P), asen (As), và antimony
(Sb), .
Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm 2
Trong lun này,  , 




, chúng tôi 


 


nhi phòng và áp sut khí quyi xng không gian tinh th hc ca tinh
th này là C
4
6v
– P
6
3
mc. M có 2 phân t  Zn nm
 v trí có t (0; 0; 0) và (1/3; 2/3; 1/3) còn 2 nguyên t O nm  v trí có t (0;
0; u) và (1/3; 2/3; 1/3 + u) vi u = 3/5. Mng lc giác wurtzite gm 2 phân mng lc
giác xp cht lng vào nhau, mt mng cha các cation Zn
2+
và mt mng cha các
anion O
2-
c dt khong bng u = 3/5 chiu cao. Mi nguyên t Zn liên kt
vi 4 nguyên t O, nm  lân cnh ca mt t din. Xung quanh mi nguyên t
có 12 nguyên t lân cn bc hai6 nguyên t  nh lc giác trong cùng mt
mt phng vi nguyên t u và cách nguyên t u mt khong a, 6 nguyên
t khác   tam giác, cách nguyên t u mt khong(1/3a
2
+ 1/4c
2
)
1/2

(hình 1.1)

32a
,
vi a là thông s ca mng li nguyên t c bao bc bi
12 nguyên t cùng loi, là lân cn bc hai, nm ti khong cách
2a
(hình 1.2) [9].
[7]

Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm 5

1.1.3. Cấu trúc mạng lập phƣơng đơn giản kiểu NaCl
Cu trúc ln kiu NaCl là cu trúc gi bn ca ZnO xut hin
 áp sut thi xng không gian ca cu trúc này là Fm3m. Ô mng
 ca cu trúc ln kiu NaCl có th m hai phân
mng lt ca cation Zn
2+
và anion O
2-
l
mc dn bng a/2, vi a là cnh hình lM
s gm bn phân t ZnO. V trí ca 4 nguyên t Zn là: (0; 0; 0), (1/2; 1/2; 0), (1/2; 0;
1/2), (0; 1/2; 1/2). V trí ca 4 nguyên t O là: (1/2;1/2;1/2), (0;0;1/2), (0;1/2;0),
(1/2;0;0) (hình 1.3) [7].
Zn
2+
O
2-

B
VI
. Tt
c các hp cht A
II
B
VI
u có vùng cm thng rng vùng cm ca các hp cht
A
II
B
VI
gim khi nguyên t ng tinh th wurtzite cu to t hai mng lc
giác lng vào nhau, mt mng cha các cation, mng còn li cha các anion. Các
vector tnh ti i vi mng lc giác này là:
1 2 3
11
(1, 3,0); (1, 3,0); (0,0,1)
22
a a a a a c   
  

Ta bit mi liên h gia vector tnh ti ca mng thc và mo ;
23
1
1 2 3
2
()
aa
b

aa
b
a a a






  Vì vy mu trúc lc giác vi các vector tnh ti là:
1 1 1
1 2 3
2 (1, 3,0); 2 (1, 3,0); 2 (0,0,1)b a b a b c
  
  
   
  
[9]
Vùng Brillouin th nht là mt khi bát dic biu din trên hình 1.5.

So v vùng ca mng ly rng, mc 
8

7
(J =
1/2) ca vùng hoá tr do ng ca nhiu long tinh th, b tách thành 3 phân

9

7

7
(C) trong mng lc giác [9].
b) Cấu trúc vùng năng lƣợng của ZnO

Hình 1.6: Cấu trúc vùng năng lượng của mạng
tinh thể wurtzite tại lân cận k = 0 [2].

Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm 9
Tinh th ng tn ti  dng lc giác kiu wurtzite.   c
m chung ca các hp cht A
II
B
VI

là cu trúc vùng cm thng: Ci tuyi ca

di xng 
7
và vùng hóa tr có cu trúc suy bin bi ba ng vi 3 giá tr khác
nhau 
9,

7,

7
[4]. Hàm sóng ca l tri xng cu ln
t là: 
9
(A)


7

7
(C). Nhánh cao nht trong vùng hóa tr có ci
xng 
9
còn hai nhánh thci xng 
7
. Chuyn di 
7

9
là chuyn
di vi sóng phân cc, chuyn di 
7

1 1 1
(1,1,0); (1,0,1); (0,1,1)
2 2 2
a a a a a a  
  

Mo dng li có các vector tnh ti là:
1 1 1
1 2 3
2 (1,1, 1); 2 (1, 1,1); 2 ( 1,1,1)b a b a b c
  
  
     
  

Vùng Bri      [5]. Hình 1.8     


1.2.3. Cấu trúc vùng năng lƣợng của ZnO dạng lập phƣơng đơn giản kiểu NaCl
Các vector tnh ti ca mng ln kiu NaCl gi
trong mng l km.
1 2 3
1 1 1
(1,1,0); (1,0,1); (0,1,1)
2 2 2
a a a a a a  
  

Hình 1.8: Vùng Brillouin của mạng tinh thể lập phương giả kẽm [9].

12
khi không pha tpó là do các sai hng t t oxy và các nguyên t
kn k. Các sai hng này có tác dp cht donor. Vic duy trì ZnO
pha tp loi p v này bt ngun t  hòa tan thp ca cht thêm
vào loi p và s p ca chúng bi các tp cht loi n. Khi pha tp cht thích hp
p cht F, màng ZnO tr nên dn tn tr sut nh [6].
1.4. Tính chất quang của ZnO
Ph hunh quang ca ZnO tn ti hai ci phát x. Ci th nht  lân
cc sóng 380 nm (n chuyn mc tái hp exciton. 
 tóm tt b sau:
 
)(,
v
)('
UVhZnOheZnOZnO
bcb
UVh



[9]

hν’(UV) ng kích thích b vùng, e
cb
n t vùng dn, h
vb
là l
trng vùng hóa tr, hν(UV) là bc x tái hp exciton.







. ng cong t hóa ph thuc nhi ca dây
Zn
1-x
Mn
x
O (x = 0,13) ti t ng 5c th hi

nh 1.10 [9]. Hình 1.10: Đường cong từ hóa phụ thuộc nhiệt độ của dây Zn
1-x
Mn
x
O (x = 0,13) tại từ
trường 500 Oe. Phía góc trên là đường từ trễ của quá trình từ hóa thu được ở nhiệt độ 5K
[9].
Luận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm 14

< 10
6
cm
-3

ng liên kt exciton
60 meV
Khng electron hiu dng
0,24 m
o
Khng l trng hiu dng
0,59 m
oLuận văn cao học Học viên: Đào Sơn Lâm 15
1.7. Một số ứng dụng của vật liệu bán dẫn ZnO
Vt liu bán dt nhiu ng dng trong khoa hc, công ngh và
i sng.
 Bc ng dng nhiu trong công ngh gm, ch to các loi linh kin
bo v cho các mng ct bin. Bt ZnO vi pha tp
thích hc s dng là cht quang dn trong công ngh chp n. Thi gian
gc bit  dng hc nghiên cu rt mnh m
cho các ng dn t  to laser ngu nhiên  loi laser mi hot
ng  vùng t ngoi, ch to vt liu phát quang hiu sut cao trong vùng t ngoi và
kh kin .
 c vuông góc v

n, ít ti nhiu thit b t tin. C c
gm là quá trình khuych tán ca các nguyên t trong cht rn. Khi tru
ca hn hp vt rn bng nht v mt thành phn hoá hc thì quá trình khuych tán
s làm cho chúng tr ng nh Quá trình khuych tán, các nguyên t 
tác vi nhau và gia chúng hình thành nhng liên kt hoá hc m
c gn ng pha rn. Các phn ng pha rng xy ra
chm và ph thuc rt nhiu vào các yu t c ht, kh o
pha gia chúng. Hn hp Zn
1-x
Mn
x
O (x = 0,00; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08 và 0,10) và Zn
1-
y
Al
y
O (y = 0,00; 0,03; 0,06; 0,09; 0,12 và 0,15) c to ra t các vt liu có
 sch khá cao ( ZnO 99 %, MnO
2
90 %, Al
2
0
3
93,925%). Quy trình ch to mu
c thc hin (hình 2.1):
n 1: Chun b nguyên liu to mu Zn
1-x
Mn
x
O và Zn

n 4: Nung thiêu kt. Mc sy khô  80
o
C trong thi
gian 10 tic nung thiêu kt trong lò nung Carbolite RHF1500 (hình 2.2).
Nhi thiêu kt là 1100
o
C, gi nhit trong thi gian 5 gi rc làm 
n nhi phòng ( hình 2.3).

Các ôxít
(1)
Nghin
trn
(2)
To hình
(3)
Sn
phm
Nung
thiêu
kt