VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN VẬT LÝ CAO TUẤN ANH
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO, CÁC TÍNH
CHẤT VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA
VẬT LIỆU XỐP NANO SiC VÔ ĐỊNH HÌNH CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ CHẤT RẮN
MÃ SỐ: 62 44 01 04
LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ
và chỉ bảo em về kiến thức trong suốt quá trình học tập và làm bản luận án này,
mà còn là người thầy đã dạy cho em sự kiên nhẫn và cẩn thận trong công việc,
cũng như trong cuộc sống.
Em xin chân thành cảm ơn sự dạy dỗ tận tình của các thầy giáo, cô giáo
của Viện Vật lý. Những người đã trang bị cho em những kiến thức cơ bản để em
có thể hoàn thành bản luận văn này.
Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các cô, chú, các bạn cán bộ Phòng
Nghiên cứu phát triển Thiết bị và Phương pháp Phân tích - Viện Khoa học Vật
liệu - Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, những người đã truyền
thụ cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong công tác nghiên cứu
khoa học và trong cuộc sống.
Tôi xin chân thành cảm ơn trường Đại học Tân Trào đã tạo điều kiện cho
tôi cả về vật chất, tinh thần và thời gian để tôi thực hiện tốt đề tài nghiên cứu
của mình.
Cuối cùng tôi xin được trân trọng gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè,
những người đã luôn ở bên chia sẻ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình
học tập và làm bản luận án này.
Hà Nội, ngày tháng năm 2015
Cao Tuấn Anh
iii
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN
i
LỜI CẢM ƠN
21
1.2.3. Tính chất huỳnh quang của lớp SiC xốp
23
1.2.4. Ứng dụng của vật liệu SiC xốp
26
1.2.5. Màng aSiC xốp
28
1.3. Kết luận chương 1
29
Chương 2. Công nghệ chế tạo vật liệu xốp và cơ chế ăn mòn xốp
30
2.1. Giới thiệu chung về các phương pháp chế tạo vật liệu xốp
30
2.2. Công nghệ chế tạo vật liệu xốpbằng ăn mòn anốt
39
2.2.1. Hệanốt hóa
39
2.2.2. Chất điện phân được sử dụng trong ăn mòn anốt
40
2.2.3. Đặc trưng I-V của ăn mòn anốt
41
2.3. Cơ chế ăn mòn anốt
43
2.3.1. Vai trò của lỗ trống trong các cơ chế trong ăn mòn anốt
43
iv
2.3.2. Cơ chế ăn mòn anốt Si
45
2.3.3. Cơ chế ăn mòn anốt SiC
66
3.1.2. Hệ anốt hóa sử dụng để chế tạo lớp aSiC xốp
67
3.1.3. Dung dịch điện phân
68
3.1.4. Quy trình đã sử dụng để chế tạo lớp aSiC xốp
69
3.2. Nghiên cứu ăn mòn xốp màng mỏng aSiC bằng anốt hóa trong
dung dịch HF/H
2
O
71
3.2.1. Thí nghiệm
71
3.2.2. Kết quả sự thay đổi của hình thái của lớp aSiC xốp theo J
a
và C
HF
72
3.2.3. Cơ chế ăn mòn anốt aSiC trong dung dịch HF/H
2
O
75
3.2.4. Cơ chế ảnh hưởng của J
a
đến hình thái của lớp xốp
79
3.2.5. Sự phụ thuộc của mật độ dòng ngưỡng và tốc độ ăn mòn
vào C
106
3.5.1. Chế tạo màng aSiC xốp đa lớp
106
3.5.2. Chế tạo hệ thanh nano aSiC xếp thẳng hàng
107
3.5.3. Chế tạo các màng (membrane) aSiC xốp
110
3.5.4. Chế tạo lớp silic ôxít xốp trên màng mỏng aSiC bằng anốt
hóa trong dung dịch HF siêu loãng
113
3.6. Kết luận chương 3
114
Chương 4. Nghiên cứu tính chất và ứng dụng của lớp aSiC xốp
115
4.1. Độ xốp của lớp aSiC xốp
115
4.2. Tính chất huỳnh quang của lớp aSiC xốp
117
4.2.1. Giới thiệu chung về tính chất huỳnh quang của SiC xốp
117
4.2.2. Thí nghiệm
118
4.2.3. Kết quả
119
4.2.4. Thảo luận kết quả
124
4.2.5. Huỳnh quang của màng aSiC sau khi anốt hóa trong dung
dịch HF/H2O siêu loãng
132
4.3. Nghiên cứu ứng dụng các màng aSiC xốp cho tán xạ Raman tăng
CVD
- lắng đọng hóa học pha hơi
DC
- nguồn điện một chiều
ĐVTY
- đơn vị tùy ý
EDX
- ghi phổ tia X phân tách theo năng lượng
PE-CVD
- lắng đọng hóa học pha hơi tăng cường plasma
PL
- huỳnh quang
PSi
- silic xốp
PSiC
- silic cacbua xốp
PVD
- lắng đọng vật lý pha hơi
QCE
- hiệu ứng giam giữ lượng tử
RE
- điện cực tham chiếu
SEM
- kính hiển vi điện tử quét
SiC
- silic cacbua
WE
- điện cực làm việc
EPL
- kích thích huỳnh quang
- ampe, đơn vị đo cường độ dòng điện
C
HF
- nồng độ axít HF trong dung dịch
cm
- centimét, đơn vị đo độ dài
cm
2
- centimét vuông, đơn vị đo diện tích
e
-
- điện tử
E
c
- mức năng lượng ở đáy vùng dẫn
E
F
- mức năng lượng fecmi
E
g
- độ rộng vùng cấm
E
Ox
- mức năng lượng ôxi hóa
E
Red
- mức năng lượng khử
E
m)
P
- độ xốp
r
etch
- tốc độ ăn mòn
viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các thông số vật lý của cSiC khối và một số vật liệu khác (để so sánh).
Bảng 1.2. Đặc điểm của các nhóm cấu trúc khác nhau của vật liệu xốp.
Bảng 3.1. Các thông số của các màng mỏng aSiC đã được sử dụng cho các nghiên cứu của
luận án.
Bảng 3.2. Các thông số của các hóa chất sử dụng trong quá trình ăn mòn anốt đã được sử
dụng trong luận án.
Bảng 3.3. Các thông số của các thí nghiệm ăn mòn anốt tạo lớp aSiC xốp trên màng 3i-
aSiC trong dung dịch HF/H
2
O.
Bảng 3.4. Kết quả phân tích EDX hàm lượng ôxy, silic vá cacbon trên các mẫu 3i-aSiC
xốp sau khi ăn mòn anốt trong dung dịch 0,5% HF/H
2
O trong thời gian 50 phút,
với các mật độ dòng khác nhau.
Bảng 3.5. Các giá trị thực nghiệm của mật độ dòng ngưỡng ứng với các nồng độ HF khác
nhau trong dung dịch điện phân.
Bảng 3.6. Ký hiệu các mẫu 3i-aSiC đã được ăn mòn anốt để tạo lớp aSiC xốp trong
dung dịch 0,5% HF/EG với các mật độ dòng anốt hóa khác nhau.
Hình 1.11. Ảnh SEM mặt cắt của các mẫu PSi xốp loại n được chế tạo bằng phương pháp
ăn mòn anốt ở chế độ ổn dòng trong dung dịch HF với các mật độ dòng điện
hóa, thời gian ăn mòn và nồng độ tạp khác nhau (như chú thích trên hình).
Hình 1.12. Phổ PL của các mẫu PSi được ăn mòn điện hóa: (a) với các mật độ dòng khác
nhau (5 (1), 10 (2), 25 (3), 50 (4) và 75 (5) mA/cm
2
) trong khi các điều kiện
khác được giữ không đổi; (b) với các mật độ dòng và nồng độ HF khác nhau.
Hình 1.13. Ảnh SEM mặt cắt của mẫu 6H-SiC xốp có hình thái cột xốp được chế tạo bằng
phương pháp ăn mòn anốt trong dung dịch HF với mật độ dòng điện 200
mA/cm
2
.
Hình 1.14. Phổ PL của các mẫu 6H-SiC loại n không xốp (đường liền nét) và xốp (A, B,
C) được ăn mòn với mật độ dòng điện hóa tương ứng là 10, 15 và 20 mA/cm
2
trong dung dịch HF/EG/H
2
O
2
.
Hình 1.15. Phổ PL của các mẫu 6H-SiC xốp loại n được ăn mòn với mật độ dòng điện
hóa tương ứng là 40 và 60 mA/cm
2
trong dung dịch HF/H
2
O/EtOH
(HF:H
2
trong dung dịch nước của HF.
Hình 2.10. Sơ đồ các cơ chế ảnh hưởng lên hình thái của lớp Si xốp chế tạo bằng phương
pháp ăn mòn anốt được đưa ra bởi Lehmann.
Hình 2.11. Hình ảnh mô tả sự khác biệt trong việc hấp thụ các ion trên bề mặt cũng như
cấu trúc của lớp Helmholtz giữa mặt tinh thể Si và C của SiC.
Hình 2.12. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét. (1) Súng điện tử, (2) Thấu kính điện
từ, (3) Mẫu đo, (4) Bộ phát quét, (5) Đầu thu, (6) Bộ khuếch đại, (7) Đèn hình.
Hình 2.13. Mô hình mô tả sự tán xạ của ánh sáng đơn sắc tần số
0
với phần tử vật chất.
Hình 2.14. Sơ đồ nguyên lý hệ đo phổ huỳnh quang.
Hình 2.15. Sơ đồ nguyên lý hệ ghi phổ kích thích huỳnh quang.
Hình 3.1. Ảnh SEM bề mặt (A, B) và mặt cắt (a, b) của màng mỏng 3i-aSiC (A, a) và 1i-
aSiC (B, b) trước khi được ăn mòn anốt.
Hình 3.2. Sơ đồ hệ anốt hóa để ăn mòn xốp màng mỏng aSiC/Si (bên trái) và ảnh
chụp hệ anốt hóa đã sử dụng trên thực tế (bên phải).
Hình 3.3. Quy trình làm xốp màng aSiC/Si.
Hình 3.4. Ảnh SEM bề mặt (A-F) và mặt cắt (a-f) của các mẫu 3i-aSiC sau khi ăn mòn
anốt trong dung dịch 0,5% HF/H
2
O trong thời gian 50 phút với mật độ dòng
xi
anốt hóa tương ứng là: (a, A) 0,3; (b, B) 0,5; (c, C) 1,5; (d, D) 2,0; (e, E) 2,5 và
(f, F) 3,0 mA/cm
2
.
Hình 3.5. Ảnh SEM mặt cắt của các mẫu 3i-aSiC xốp sau khi ăn mòn anốt trong các dung
dịch HF/H
2
đứt nét là giá trị tính theo các công thức 3.5-3.6.
Hình 3.12. Đồ thị các giá trị của v
a
cho các mẫu 3i-aSiC ăn mòn anốt trong dung dịch
nước của (1) 0,3; (2) 0,5 và (3) 0,7% HF theo các giá trị J
a
khác nhau. (b) Đồ
thị các giá trị của v
amax
cho các mẫu 3i-aSiC ăn mòn anốt trong dung dịch
HF/H
2
O với các nồng độ khác nhau (điểm chấm là giá trị thực nghiệm, đường
đứt nét là giá trị mô phỏng).
Hình 3.13. Ảnh SEM bề mặt (A-D) và mặt cắt (a-d) của các mẫu 3i-aSiC xốp đã được ăn
mòn anốt trong dung dịch 0,5% HF/EG với thời gian ăn mòn 30 phút bằng các
mật độ dòng (A, a) 0,5; (B, b) 1,0; (C, c) 2,0 và (D, d) 2,5 mA/cm
2
.
Hình 3.14. Phổ EDX của màng mỏng 3i-aSiC (a) và các mẫu 3i-aSiC xốp sau khi ăn mòn
anốt trong dung dịch 0,5% HF/EG với các mật độ dòng 0,5 (b), 1,5 (c) và 3,0
(d) mA/cm
2
.
xii
Hình 3.15. Ảnh SEM (a, b) và AFM (c) bề mặt của các mẫu 3i-aSiC sau khi ăn mòn anốt
ở chê độ ổn thế (thế áp đặt 250 V) với thời gian 30 phút trong dung dịch nước
của 1% HF (a) không có và (b, c) có 1% TX100.
Hình 3.16. Ảnh SEM các mẫu 3i-aSiC sau khi ăn mòn anốt ở chế độ ổn thế với điện thế
bỏ đế Si.
Hình 3.23. Ảnh SEM (A) bề mặt và (B) mặt cắt của mẫu aSiC sau khi được anốt hóa trong
dung dịch nước của 0,07% HF với mật độ dòng anốt hóa 3,0 mA/cm
2
.
Hình 4.1.Đồ thị các giá trị thực nghiệm độ xốp (các điểm hình vuông) của các mẫu 3i-
aSiC sau khi ăn mòn anốt với các mật độ dòng điện khác nhau trong dung dịch
HF/H
2
O với các nồng độ (a) 0,3; (b) 0,5; (c) 0,7 và (d) 0,9%, thời gian ăn mòn
cho các mẫu trong các dung dịch này tương ứng là 140, 50, 30 và 16 phút.
xiii
Hình 4.2. (1) Phổ PL của mẫu 3i-aSiC xốp ăn mòn anốt với mật độ dòng điện 2 mA/cm
2
trong dung dịch nước của 0,5% HF với thời gian ăn mòn là 50 phút. 2) Phổ PL
của mẫu 3i-aSiC trước khi ăn mòn.
Hình 4.3. Phổ PL của các mẫu 3i-aSiC sau khi ăn mòn anốt trong dung dịch 0,5% HF/H
2
O
trong thời gian 50 phút với mật độ dòng khác nhau như chú thích trên hình.
Hình đính kèm là đồ thị các giá trị thực nghiệm của cường độ PL ở vị trí 420
và 540 nm của các mẫu thay đổi theo mật độ dòng điện hóa.
Hình 4.4. Phổ PL của mẫu 3i-aSiC xốp sau khi ăn mòn anốt trong dung dịch 0,5% HF/EG
với thời gian ăn mòn là 50 phút, bằng các mật độ dòng điện (1) 0,5; (2) 1,0; (3)
2,0 và (4) 3,0 mA/cm
2
.
Hình 4.5. Phổ PL của mẫu (a)1p-aSiC, (b) 1n-aSiC xốp ăn mòn anốt trong dung dịch 0,5%
2
) trong dung dịch
HF/H
2
O siêu loãng với các nồng độ khác nhau (như trên chú thích hình).
Hình 4.11. Phổ EDX của mẫu 3i-aSiC trước khi (a) và sau khi (b) được anốt hóa trong
dung dịch 0,07% HF/H
2
O với mật độ dòng 3,0 mA/cm
2
trong thời gian 20
phút.
xiv
Hình 4.12. Hình ảnh mô tả của một đế SERS tạo nên bởi (a) bề mặt kim loại gồ ghề, (b)
các hạt nano kim loại lơ lửng trong dung dịch.
Hình 4.13. Hình ảnh mô tả của một đế SERS tạo nên bởi các hạt nano kim loại bao phủ
trên (a) đế rắn gồ ghề, (b) thanh nano rắn sắp xếp có trật tự.
Hình 4.14. Quy trình chế tạo đế SERS trên từ đế 3i-aSiC xốp.
Hình 4.15. Ảnh SEM bề mặt các mẫu 3i-aSiC xốp ăn mòn anốt trong dung dịch 0,5%
HF/H
2
O với mật độ dòng (3,5 mA/cm
2
sau khi được lắng đọng các hạt Ag
trong dung dịch HF/AgNO
3
= 4,6 (M)/25 (mM) trong (a) 1, (b) 3, (c) 5 và (d)
7 phút.
tạo các thiết bị điện tử có công suất lớn, mật độ dòng điện cao, những thiết bị mà có
thể làm việc được trong các môi trường khắc nghiệt. Ngoài ra các tính chất quang
của SiC cũng rất được quan tâm tới bởi nó có khả năng phát quang trong vùng tử
ngoại, vùng ánh sáng xanh dương và xanh lá cây. Tuy vậy, tương tự như Si, SiC
cũng là bán dẫn có vùng cấm xiên, do đó khả năng phát quang của nó kém.
Trong những năm gần đây vật liệu SiC xốp được quan tâm nhiều bởi các nhóm
nghiên cứu trên thế giới. Sau khi làm xốp, nhất là ở mức độ nano xốp, SiC sẽ trở
nên có diện tích bề mặt hiệu dụng rất lớn, phù hợp cho mục đích sử dụng trong
nhiều loại cảm biến vật lý, hóa học và y sinh khác nhau. Kết hợp các tính chất ưu
việt của vật liệu SiC khối như đã nói ở trên cộng với diện tích bề mặt lớn, vật liệu
SiC xốp sẽ cho phép ta tạo ra các loại cảm biến có thể làm việc được trong các môi
trường khắc nghiệt. Hơn nữa, giống như Si, người ta đã tìm ra rằng SiC sau khi
được làm xốp đến mức nano có thể phát quang mạnh hơn trước hàng trăm lần.
Ngoài ra, vì SiC có vùng cấm lớn hơn silic nên SiC nano xốp chủ yếu sẽ phát quang
trong vùng xanh chứ không phải trong vùng đỏ như Si. Điều này mở ra triển vọng
cho việc ứng dụng vật liệu SiC xốp vào việc chế tạo các linh kiện điện tử, đặc biệt
là các linh kiện phát quang.
Hiện nay, việc nghiên cứu làm xốp SiC trên thế giới đã thu được khá nhiều kết
quả khả quan. Tuy nhiên các nghiên cứu về SiC xốp vẫn chủ yếu tập trung vào vật
liệu SiC tinh thể (cSiC). Còn đối với vật liệu SiC vô định hình (aSiC), mặc dù nó
vẫn có gần như đầy đủ các tính chất ưu việt của cSiC, hơn nữa lại dễ chế tạo hơn so
với vật liệu cSiC, song cho tới nay chỉ có rất ít các nghiên cứu về aSiC xốp và thêm
nữa, các kết quả thu được của các nghiên cứu này còn hạn chế. Riêng ở Việt Nam,
2
cho tới hiện nay, chưa có bất cứ nhóm nghiên cứu nào nghiên cứu về SiC xốp ngoài
nhóm nghiên cứu của chúng tôi. Chính vì vậy tôi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu
công nghệ chế tạo, các tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu xốp nano
SiC vô định hình” để nghiên cứu.
hưởng của các thông số chế tạo lên hình thái, cấu trúc và tính chất của lớp aSiC
xốp. Nghiên cứu một cách có hệ thống ảnh hưởng của các thông số chế tạo lên hình
thái, cấu trúc và tính chất của lớp aSiC xốp. Sau khi chế tạo, lớp aSiC xốp sẽ được
khảo sát độ xốp và nghiên cứu tính chất huỳnh quang, bao gồm nguồn gốc, cơ chế
phát huỳnh quang cũng như cơ chế ảnh hưởng của các thông số chế tạo lên tính chất
huỳnh quang. Cuối cùng chúng tôi sẽ nghiên cứu ứng dụng lớp aSiC xốp cho việc
chế tạo đế SERS, đây là một ứng dụng mới của vật liệu aSiC xốp.
Cấu trúc của bản luận án này như sau:
Mở đầu: Trình bày lý do lựa chọn đề tài, phương pháp và mục đích nghiên cứu.
Chương 1: Tổng quan về vật liệu SiC và SiC xốp.
Phần đầu tiên trình bày tổng quan về cấu trúc, tính chất, phương pháp chế tạo
của vật liệu SiC khối, vật liệu SiC màng mỏng và màng mỏng vô định hình.
Phần tiếp theo trình bày tổng quan về vật liệu SiC xốp: khái niệm, hình thái,
lịch sử phát triển, các tính chất mà đặc biệt là tính chất huỳnh quangvà ứng dụng
của SiC xốp. Từ đó thấy được ưu, nhược điểm của vật liệu, các phương pháp chế
tạo và định hướng nghiên cứu công nghệ chế tạo sẽ sử dụng trong luận án. Trong
phần này chúng tôi cũng trình bày tổng quan về Si xốp, loại vật liệu có nhiều đặc
điểm chung với SiC xốp để hiểu sâu hơn về SiC xốp. Các kết quả nghiên cứu vể chế
tạo, tính chất và ứng vật liệu SiC xốp nói chung và màng mỏng SiC vô định hình
xốp nói riêng bằng phương pháp ăn mòn anốt đã được tổng kết để thấy được các
vấn để còn cần phải giải quyết trong luận án này.
Chương 2:Công nghệ chế tạo vật liệu xốp và cơ chế ăn mòn xốp
4
Trong phần thứ nhất của chương này chúng tôi trình bày tổng quan về các
phương pháp chế tạo vật liệu xốp để thấy được ưu điểm của phương pháp ăn mòn
anốt trong việc chế tạo vật liệu xốp nói chung và SiC xốp nói riêng.
Phần thứ hai trình bày chi tiết về công nghệ chế tạo và cơ chế ăn mòn anốt chất
bán dẫn nói chung và SiC nói riêng. Các phân tích và đánh giá các kết quả thực
xếp thẳng hàng, màng mỏng (membrane) aSiC xốp và lớp silic ôxít xốp trên màng
aSiC.
Chương 4: Nghiên cứu tính chất và khả năng ứng dụng của aSiC xốp.
Trong chương này chúng tôi sẽ tập trung trình bày ba vấn đề:
Thứ nhất là các kết quả nghiên cứu và khảo sát về độ xốp của các mẫu aSiC đã
chế tạo được. Đây là một thông số rất quan trọng của vật liệu xốp nói chung và
aSiC xốp nói riêng. Độ xốp của các mẫu sẽ quyết định đến tính chất huỳnh quang
và khả năng ứng dụng của vật liệu.
Thứ hai là tính chất huỳnh quang của lớp aSiC xốp. Trước tiên chúng tôi trình
bày các kết quả thu được về huỳnh quang củ lớp aSiC, sau đó chúng tôi thảo luận về
nguồn gốc và cơ chế phát huỳnh quang của lớp aSiC xốp, từ đó chỉ ra ảnh hưởng
của cơ chế ăn mòn và thông số chế tạo lên huỳnh quang của lớp aSiC xốp.
Thứ ba là ứng dụng của màng aSiC xốp. Chúng tôi tập trung vào trình bày một
ứng dụng mới của màng aSiC xốp, đó là ứng dụng cho tăng cường tán xạ Raman bề
mặt (SERS). Đầu tiên chúng tôi đưa ra quy trình chế tạo đế SERS từ aSiC xốp, sau
đó malachit green (MG) được chúng tôi lựa chọn làm chất thử để đánh giá hiệu quả
tăng cường Raman của đế SERS chế tạo từ aSiC xốp.
Kết luận: Trình bày các kết luận rút ra từ các kết quả nghiên cứu, đồng thời đưa ra
các hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo cho vật liệu aSiC xốp. 6
Chương 1
Tổng quan về vật liệu SiC và SiC xốp
1.1. Tổng quan về vật liệu SiC
1.1.1. Các cấu trúc tinh thể của SiC
Silic cacbua (SiC) là một bán dẫn hợp chất nhóm IV, gồm hai thành phần là
silic (Si) và cacbon (C), có vùng cấm rộng và tồn tại ở nhiều dạng cấu trúc tinh thể
lục giác (hexagonal-H) và nhóm hình thoi (rhombohedral-R) [57]. SiC có cấu trúc
lập phương còn thường được gọi là β-SiC, còn SiC có cấu trúc lục giác thường được
gọi là α-SiC. Trong số các cấu trúc tinh thể của SiC, có ba cấu trúc phổ biến nhất,
đó là 3C-SiC, 4H-SiC và 6H-SiC. Trong đó cấu trúc 3C-SiC là cấu trúc lập phương
xếp chặt, được hình thành ở nhiệt độ dưới 2000
o
C, mạng Bravais của nó là mạng
lập phương tâm mặt (FCC), hằng số mạng là a = 4,3596 Å. Hình 1.3 biểu diễn thứ
tự sắp xếp của các lớp nguyên tử và ô đơn vị quy ước của cấu trúc 3C-SiC.
8 Hình 1.3. (a, b) Vị trí các lớp nguyên tử trong tinh thể 3C-SiC và (c) ô đơn vị của nó.
Cấu trúc 4H-SiC và 6H-SiC là các cấu trúc lục giác xếp chặt, được hình thành ở
nhiệt độ trên 2000
o
C. Chúng có hằng số mạng là a
1
= a
2
= a
3
= a= 3,0730 Å, và tỷ lệ
c/a tương ứng là 3,274 đối với 4H-SiC và 4,908 đối với 6H-SiC. Hình 1.4 biểu diễn
sự sắp xếp các nguyên tử và ô đơn vị quy ước của cấu trúc 4H-SiC.
Hình 1.4. Vị trí các lớp nguyên tử trong tinh thể 4H-SiC (a, b) và ô đơn vị của nó (c).
Do cSiC được hình thành từ hai loại nguyên tử với mỗi loại nguyên tử đều được
sắp xếp theo cấu trúc xếp chặt giống hệt và lồng vào nhau theo kiểu xen giữa hai
cấm tương ứng bằng 3,0 và 3,23 eV. Sự khác nhau này là do mỗi loại cấu trúc tinh
thể SiC có thứ tự và vị trí sắp xếp các lớp Si và C khác nhau, và điều này dẫn đến
cấu trúc vùng năng lượng của các cấu trúc tinh thể SiC khác nhau là khác nhau.
10 Hình 1.6. Sơ đồ vùng năng lượng và hình dạng vùng Brillouin của 3C-SiC.
Trên Hình 1.6 là sơ đồ vùng năng lượng của cấu trúc tinh thể 3C-SiC theo các
hướng <100> và <111>. Ta có thể thấy rõ ở đây đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn
không nằm trên cùng một giá trị của véc tơ sóng
k
.
Hình 1.7. Sơ đồ vùng năng lượng và hình dạng vùng Brillouin của 4H-SiC.
Trên Hình 1.7 là sơ đồ vùng năng lượng của cấu trúc tinh thể 4H-SiC theo các
hướng <100> và <111>. Ta cũng có thể thấy rõ ở đây đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng
dẫn không nằm trên cùng một giá trị của véc tơ sóng
k
.
1.1.3. Các tính chất vật lý của SiC tinh thể
Silic cacbua là một vật liệu rất được quan tâm trong lĩnh vực linh kiện điện tử
công suất cao, lý do là vì nó có hai tính chất đặc biệt: năng lượng vùng cấm lớn và
sự liên kết mạnh giữa hai loại nguyên tử nhẹ là cacbon và silic. Năng lượng vùng
Copyright: Tài liệu đại học ©