BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
------------

TRẦN THỊ MÙI

KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA CẤU
TRÚC ZnO NANOROD PHA TẠP Al ỨNG
DỤNG TRONG CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI

Chuyên ngành: VẬT LÍ CHẤT RẮN
Mã số: 60.44.01.04

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

HÀ NỘI, NĂM 2016


CÔNG TRÌNH LIÊN
ĐẾNhoàn
LUẬNthành
VĂN tại
LuậnQUAN
văn được
Trường Đại học sư phạm Hà Nội
Nguyen Dinh Lam, Le Thuy Trang, Nguyen Thi Mui, Pham Van
Vinh, Vuong Van Cuong and Nguyen Van Hung, “Influences of
Sn doping concentration on characteristics of ZnO films for
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN ĐÌNH LÃM
solar cell applications”, JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE,
Mathematical and Physical Sci., 2015, Vol. 60, No. 7, pp. 41-46.

Mặc dù các cấu trúc ZnO một chiều chứa đựng nhiều ưu điểm
và có chất lượng tinh thể cao nhưng việc chế tạo các các linh
kiện quang điện tử dựa trên lớp chuyển tiếp đồng thể p-n của
vật liệu bán dẫn ZnO vẫn còn tồn tại nhiều thách thức do bản
chất tự nhiên của ZnO là bán dẫn loại n. Để giải quyết vấn đề
này, một số nghiên cứu đã chế tạo lớp chuyển tiếp dị thể của
các linh kiện quang điện tử bằng việc ghép cặp giữa các cấu

3


trúc ZnO một chiều với các vật liệu khác như p-GaN (LED) và
PbS, PbSe (pin mặt trời). Tuy nhiên, trong ứng dụng chế tạo
đèn LED, hiệu suất phát xạ và công suất ra của đèn LED vẫn
còn thấp. Điều này có thể được giải thích do hiệu suất bơm
hạt tải thấp vì có sự ngăn cản năng lượng lớn tại bề mặt tiếp
xúc. Để giải quyết vấn đề này, cấu trúc ZnO một chiều đã được
pha tạp thêm nguyên tố In. Việc pha tạp này có thể làm thay
đổi cấu trúc tinh thể (bao gồm kích thước, hình thái bề mặt)
và tăng nồng độ hạt tải dẫn đến việc cải thiện tính chất điện
và quang của cấu trúc ZnO một chiều.
Dựa trên cơ sở đó cùng những điều kiện trang thiết bị hiện có
trong phòng thí nghiệm và sự định hướng của thầy hướng
dẫn, em chọn đề tài luận văn tốt nghiệp là:
“Khảo sát một số tính chất của cấu trúc ZnO nanorod
pha tạp Al ứng dụng trong chế tạo pin Mặt Trời ”
Mục đích của luận văn nhằm:
- Chế tạo màng ZnO:Al bằng phương pháp Sol-gel.
- Chế tạo cấu trúc ZnO:Al nanorod bằng phương pháp thủy
nhiệt.

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
I. Những đặc trưng cơ bản của vật liệu ZnO
1.Cấu trúc mạng tinh thể ZnO
1.1.Cấu trúc lục giác xếp chặt (Hexagonal wurtzite)
1.2.Cấu trúc lập phương kiểu NaCl
1.3.Cấu trúc lập phương giả kẽm.
2.Tính chất dẫn điện của vật liệu ZnO
Ở nhiệt độ phòng, ZnO tinh khiết được xem như là chất cách
điện. Dưới đáy vùng dẫn tồn tại 2 mức donor cách đáy vùng
dẫn lần lượt là 0,05 eV và 0,15 eV (hình 1.4). Ở nhiệt độ
thường, các electron tự do không đủ năng lượng để di chuyển
lên vùng dẫn, ZnO dẫn điện kém ở nhiệt độ phòng. Tăng nhiệt
độ lên đến khoảng 200 oC– 400oC, các electron nhận được
năng lượng nhiệt đủ lớn, đủ để chúng có thể di chuyển lên
vùng dẫn làm ZnO trở thành chất dẫn điện
3.Tính chất quang của ZnO
ZnO là loại bán dẫn chuyển mức thẳng với độ rộng vùng cấm
khá lớn (3,37eV), tinh thể bất đẳng hướng có một trục quang

6


học và có độ truyền qua cao ( >80%) trong vùng ánh sáng khả
kiến. Nhờ độ truyền qua cao mà ZnO được dùng nhiều trong
màng dẫn điện trong suốt. Độ rộng vùng cấm ảnh hưởng trực
tiếp đến tính chất phát quang và độ hấp thụ quang học
4.Vật liệu ZnO pha tạp Al
Khi vật liệu ZnO được pha tạp Al, mỗi ion Al 3+thay thế vào vị
trí của Zn2+ trong mạng tinh thể ZnO sẽ cho một electron tự
do, làm tăng độ dẫn điện của vật liệu.ZnO : Al trở thành bán

1.Thành phần cấu tạo
1.1.Pin Mặt Trời ứng dụng vật liệu ZnO

Hình 1.1: Cấu trúc của pin mặt trời sử dụng lớp chuyển
tiếp dị thể ZnO.

1.1 Pin Mặt Trời ứng dụng vật liệu ZnO nanorod

8


Hình 1.2. (a) Cấu trúc của pin mặt trời sử dụng lớp
chuyển tiếp dị thể ZnO và PbS quantum dot. (b) Đường
đặc trưng I-V của màng ZnO và cấu trúc ZnO nanowire.
Trong việc ứng dụng chế tạo đèn LED, cấu trúc ZnO nanorod
pha tạp In được chế tạo trên màng p-GaN bằng phương pháp
thủy nhiệt. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng kích thước ( đường
kính và chiều dài) của nanorod và tính chất điện của LED
tăng với sự tăng nồng độ của In. Hay nói cách khác, ZnO
nanorod khi pha In thì có tính chất điện tốt hơn so với không
pha tạp.

9


Hình 1.3: Ảnh SEM của cấu trúc ZnO nanorod pha tạp In
với các nồng độ khác nhau; (a) 0%, (b) 2%, (c) 5%.

Hình 1.4 a) Cấu trúc của đèn LED sử dụng lớp chuyển tiếp
dị thể ZnO và p-GaN. (b) Đường đặc trưng I-V của ZnO



3.Chế tạo ZnO nanorod trên đế thủy tinh và p-Si bằng
phương pháp thủy nhiệt
Sơ đồ chế tạo cấu trúc ZnO nanorod:

Hình 2.2: Sơ đồ chế tạo cấu trúc ZnO nanorod
III. Các phép đo và phân tích
1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
2. Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
3. Phương pháp khảo sát độ truyền qua quang học bằng
UV-Vis
4. Phương pháp đo điện bằng đồng hồ keithley 2000
ghép nối máy tính

12


CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

I.Kết quả khảo sát lớp mầm ZnO và ZnO:Al trên đế thủy
tinh
1.Ảnh SEM
Hình 3.1 là kết quả chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM
của lớp màng ZnO:Al với nồng độ tạp chất Al từ 0-3% sau khi
ủ ở nhiệt độ 5000C trong không khí, với thời gian ủ nhiệt là 1
giờ. Cho thấy sự khác biệt về hình thái bề mặt màng.

Hình


14


đỉnh trong phổ XRD là đỉnh nhọn và hẹp, các đỉnh nhiễu xạ
của các tạp chất khác không xuất hiện trong phổ XRD.
3.Độ truyền qua quang học
Kết quả đo độ truyền qua của các màng ZnO với nồng độ pha
tạp Al từ 0 đến 3% trên đế thủy tinh sau khi ủ nhiệt 1 giờ
trong không khí được trình bày trong hình 3.3.

Hình 3.3: (a) Phổ truyền qua của màng ZnO:Al, (b) Độ
truyền qua trung bình của màng ZnO:Al.

15


Hình 3.4: (a) Đồ thị của (αhν)2 của màng ZnO:Al phụ thuộc
vào năng lượng photon, (b) Năng lượng cấm của màng
ZnO:Al phụ thuộc vào nồng độ pha tạp.
Để xác định giá trị vùng năng lượng của màng ta sử dụng
công thức . Trong đó α là hệ số hấp thụ, β là hằng số và hν là
năng lượng photon. Vì ZnO bản chất là một bán dẫn chuyển
dời thẳng nên m được chọn bằng ½ . Các hệ số hấp thụ α
được tính từ phổ truyền qua bằng cách sử dụng phương trình
, trong đó t là độ dày của màng và T là độ truyền qua. Năng
lượng vùng cấm Eg được xác định bằng cách ngoại suy các
vùng tuyến tính của (αhν) 2 so với năng lượng được thể hiện
trong hình vẽ 3.4a và mô tả trong hình 3.4b. Năng lượng vùng
cấm quang học được mở rộng trong khoảng 3,21-3,31 eV khi
nồng độ pha tạp Al được thay đổi từ 0%-3%. Việc mở rộng

dung dịch thủy nhiệt thay đổi.

Hình 3.9: Chiều dài và mật độ cấu trúc ZnO nanorod thay
đổi theo nồng độ dung dịch thủy nhiệt.

18


Hình 3.8 và hình 3.9 cho thấy khi nồng độ dung dịch thủy
nhiệt tăng từ 10 mM đến 30 mM thì đường kính rod tăng,
chiều dài rod tăng và mật độ cấu trúc nanorod được quan sát
ở mẫu thủy nhiệt 20mM là lớn nhất.
2.Phổ truyền qua quang học

Hình 3.10: Phổ truyền qua quang học của cấu trúc ZnO
nanorod thay đổi theo nồng độ dung dịch thủy nhiệt.
IV. Kết quả khảo sát cấu trúc ZnO:Al nanorod
1.Ảnh SEM
Khi tiến hành thủy nhiệt màng ZnO:Al ở 80 oC, thời gian thủy
nhiệt 120 phút, thay đổi nồng độ pha tạp Al từ 0-3%, kích
thước và mật độ của cấu trúc nanorod thay đổi thể hiện ở
hình 3.11.

19


Hình 3.11: Ảnh SEM của các cấu trúc ZnO:Al Hình 3.12
nanorod với các nồng độ Al từ 0% đến 3%. thay đổi
pha tạp A
2.Giản đồ nhiễu xạ tia X

các khảo sát sâu hơn về đặc trưng I-V, từ đó xác định được
khả năng dẫn điện (thông qua điện trở) của cấu trúc ZnO
nanorod.

Hình 3.16. Đặc trưng I-V của
Hình 3.17. Sự p
cấu trúc ZnO:Al nanorod phụ điện trở vào cườ
thuộc vào cường độ chiếu sáng.
sáng.

22


Hình 3.18. Đặc trưng I-V của ZnO: Al nanorod trên đế Silic
khi nồng độ pha tạp Al thay đổi
Đặc trưng I-V của lớp tiếp xúc dị thể p-Si/n-ZnO:Al nanorod
thể hiện tính chỉnh lưu của điốt. Khi nồng độ tạp chất tăng
lên, trong chế độ đo phân cực thuận, giá trị dòng điện tăng.
Dòng điện qua lớp tiếp xúc p-n tuân theo quy luật hàm mũ:
eV


I = I s exp(
) − 1
kT



Trong đó: Is là dòng bão hòa
V là điện thế ngoài đặt vào

tạp Al khác nhau bằng phương pháp Sol-gel, được ủ trong
không khí ở nhiệt độ 5000C, thời gian là 1 giờ.



Tiến hành nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ tạp chất Al
đến cấu trúc, hình thái học và tính chất của màng ZnO:Al chế
tạo được.



Chế tạo ZnO:Al nanorod trên đế thủy tinh và đế p-Si bằng
phương pháp thủy nhiệt.



Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ thủy nhiệt, nồng độ dung
dịch thủy nhiệt và nồng độ pha tạp Al đến kích thước, mật độ,
các tính chất của cấu trúc ZnO:Al nanorod.



Tìm hiểu các phương pháp phân tích mẫu:

-

Phương pháp nhiễu xạ tia X.

-