BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ THÚY

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH CỦA DÂY NANO Si

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội - 2017


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MỘT CHIỀU TRÊN CƠ SỞ
VẬT LIỆU Si ......................................................................................................... 7
1.1. Cơ sở về vật liệu có cấu trúc nanô ........................................................ 7
1.1.1. Khái niệm về vật liệu và công nghệ nanô .......................................... 7
1.1.2. Xu hướng chế tạo vật liệu nanô ......................................................... 7
1.2. Vật liệu silic ......................................................................................... 9
1.2.1. Cấu trúc tinh thể silic ........................................................................ 9
1.2.2. Cấu trúc vùng năng lượng của silic.................................................. 11
1.3. Đặc tính của dây nanô silic ................................................................. 14
1.3.1. Tính chất quang của dây nanô silic .................................................. 15
1.3.1.1. Phổ Raman của dây nanô silic ......................................................... 15
1.3.1.2. Phổ hấp thụ của dây nanô silic ........................................................ 16
1.3.1.3. Phổ huỳnh quang của dây nanô silic ............................................... 17
1.3.2. Tính chất nhiệt của dây nanô silic ................................................... 18
1.3.3. Tính chất cơ của dây nanô silic ....................................................... 19
1.3.4. Tính chất điện tử của dây nanô silic ................................................ 20
1.4. Một số ứng dụng của dây nanô silic ................................................... 21


...................................................................................................... 63

3.1. Khảo sát hình thái và kích thước của SiNW bằng kính hiển vi điện tử
truyền qua (TEM) ..................................................................................... 63
3.2. Huỳnh quang của SiNW ..................................................................... 69
3.2.1. Phương pháp phân tích huỳnh quang ............................................... 69
3.2.2. Hiệu ứng lượng tử, các sai hỏng và trạng thái bề mặt của SiNW ..... 70
3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp SiNW lên phổ huỳnh quang ........ 72
3.2.4. Ảnh hưởng của thời gian tổng hợp lên phổ huỳnh quang ................. 74
3.2.5. Ảnh hưởng của lưu lượng khí lên phổ huỳnh quang ........................ 76
3.2.6. Ảnh hưởng của nguồn vật liệu lên phổ huỳnh quang ....................... 77
3.2.7. Ảnh hưởng của độ dày lớp xúc tác kim loại Au lên phổ huỳnh quang.... 79
3.3. Phổ tán xạ Raman ............................................................................... 80
3.4. Cấu trúc tinh thể và thành phần pha của SiNW ................................... 84
3.5. Kết luận chương 3 .............................................................................. 88


CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SiNW BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHÚN XẠ

....................................................................................................... 89

4.1. Cơ chế phún xạ................................................................................... 90
4.2. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp phún xạ ............................ 91
4.3. Những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phún xạ ................................... 92
4.3.1. Hiệu suất phún xạ ............................................................................ 92
4.3.2. Dòng và thế ..................................................................................... 94
4.3.3. Áp suất ............................................................................................ 95
4.3.4. Nhiệt độ đế ...................................................................................... 96

Transistor hiệu ứng trường
Vi mạch-Mạch tích hợp

IT

Information Technology

Công nghệ thông tin

DNA

DeoxyriboNucleic Acid

ADN

FESEM

Field
Emision
Scanning Hiển vi điện tử quét phát xạ trường
Electron Microscopy

EDX/EDS Energy-dispertive X-ray spectroscopy Phổ tán xạ năng lượng tia X
CVD
Chemical Vapor Deposition
Lắng đọng hóa học từ pha hơi
VLS
Vapor Liquid Solid
Hơi - Lỏng - Rắn
SLS

Full width at half maximum

Laser xung
Hệ vi cơ điện tử
Độ bán rộng vạch phổ

SiNW
OAG
XRD
QCM
LED
GFC
STM
PECVD

Silicon nanowire
Oxide Assisted Growth
X-ray diffraction
Quartz Crystal Microbalance
Light Emitting Diode
Gas Mass Flow Controller
Scanning Tunneling Microscopy
Plasma enhanced chemical

Dây nanô silic
Mọc với sự hỗ trợ của ôxít
Nhiễu xạ tia X
Vi cân tinh thể thạch anh
Điốt phát quang
Bộ điều khiển dòng khí


Các thông số của quá trình chế tạo mẫu với lưu lượng khí khác nhau 56

Bảng 2.5

Các thông số của quá trình chế tạo mẫu với nguồn rắn xúc tác khác nhau 59

Bảng 2.6

Hệ thống các yếu tố ảnh hưởng quá trình tổng hợp SiNW .................. 61


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1

Cấu trúc tinh thể của silic. .................................................................... 10

Hình 1.2

Sơ đồ vùng năng lượng của Si. ............................................................ 12

Hình 1.3

Mô hình cấu trúc vùng năng lượng của SiNW [156]. .......................... 12

Hình 1.4

Cấu trúc vùng năng lượng của SiNW có đường kính khoảng 2 nm theo

định hướng (100), (110) và (111) [35]. .................................................................... 13

Hình 1.18 Sơ đồ hệ chế tạo SiNW bằng phương pháp laser [30]. ........................ 28
Hình 1.19 SiNW mọc bằng epitaxy chùm phân tử [103]...................................... 29
Hình 1.20 Sơ đồ hệ bốc bay nhiệt tổng hợp dây nanô [125]................................. 31
Hình 2.1

Sơ đồ mô tả cơ chế VLS mọc SiNW. .................................................. 34

Hình 2.2 Quy trình chế tạo SiNW trên đế Si bằng phương pháp bốc bay nhiệt từ
nguồn rắn. ................................................................................................................. 35
Hình 2.3

Hệ thống bốc bay bằng chùm điện tử trong chân không. .................... 36

Hình 2.4

Hệ lò ngang để chế tạo SiNW. ............................................................. 37

Hình 2.5

Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét.............................................. 38


Hình 2.6

Giản đồ pha của hợp kim Au-Si [65]. .................................................. 41

Hình 2.7

Phiến silic. ............................................................................................ 42


Si:C (4:1) với lưu lượng khí: a) 50, b) 100, c) 150 và d) 300 sccm. ........................ 57
Hình 2.20 Hình thái bề mặt SiNW tổng hợp tại 1100 oC, lưu lượng khí 150 sccm,
thời gian 60 phút với tỷ lệ Si:C: Si 100% (a), 4:0,5 (b), 4:1 (c). .............................. 60
Hình 2.21

Hình thái bề mặt của SiNW tổng hợp ở 1100 o C, 60 phút, 150

sccm, Au-Si=2 nm, Si:C (4:1). ............................................................................. 62
Hình 3.1

Giản đồ minh họa của cơ chế mọc SiNW [54]. ................................... 64

Hình 3.2

Mặt cắt ngang và mặt cắt dọc của một phần dây nanô [54]. ................ 65

Hình 3.3

Ảnh TEM của đơn dây nanô silic......................................................... 66


Hình 3.4

Ảnh TEM của một số SiNW được tổng hợp với nhiệt độ 1100 oC, thời

gian 60 phút, lưu lượng khí 150 sccm, tỷ lệ Si:C (4:1). ........................................... 67
Hình 3.5

Ảnh TEM của đơn dây nanô silic......................................................... 68


Hình 3.18 Phổ Raman đo ở nhiệt độ phòng của SiNW sau khi ủ. ........................ 83
Hình 3.19 Giản đồ XRD: a) Đế Si, b) SiNW đo ở nhiệt độ phòng. ...................... 86
Hình 3.20 Kết quả phân tích EDS của mẫu SiNW. .............................................. 87
Hình 4.1

Hệ phún xạ. .......................................................................................... 89

Hình 4.2

Hiện tượng bắn phá bia trong phóng điện phún xạ: Ion được gia tốc trong

lớp bao bọc catốt, va chạm với nguyên tử trong bia và làm bật nguyên tử khỏi bia.
Trong đó  là góc bắn phá (góc tới),  -góc phát xạ của nguyên tử [1]................... 91
Hình 4.3

Hiệu suất bắn phá ion đối với một số bia đơn chất phụ thuộc vào năng

lượng của ion trong phún xạ [1]. .............................................................................. 93


Hình 4.4

Tốc độ lắng đọng phụ thuộc vào dòng nhiều hơn là vào điện thế trên bia

trong phún xạ [1]. ..................................................................................................... 94
Hình 4.5

Vai trò của nhiệt độ đế đối với tốc độ lắng đọng thể hiện không rõ rệt

trong phún xạ [1]. ..................................................................................................... 96

với nhiều ứng dụng rộng rãi trong y học, quân sự, các ngành công nghiệp. Các hình
thái của cấu trúc có kích thước nanô bao gồm: dạng hạt nanô (cấu trúc không chiều),
dạng dây nanô (cấu trúc một chiều) và dạng màng mỏng (cấu trúc hai chiều). Tuỳ thuộc
vào các ứng dụng cụ thể, các nhóm nghiên cứu trong nước và thế giới tìm hiểu theo
định hướng cấu trúc để khai thác hiệu quả tính chất mới của vật liệu.
Với kích thước nanô, vật liệu Si thể hiện các tính chất đặc biệt do hiệu ứng giam
giữ lượng tử và hiệu ứng bề mặt. Vào năm 1990, Canham [11] đã nghiên cứu sự phát
quang mạnh trong vùng nhìn thấy của vật liệu Si xốp với mong muốn ứng dụng vật
liệu quang điện tử trong cuộc sống. Cấu trúc Si dạng khối phát huỳnh quang trong vùng
phổ có năng lượng khoảng 1,12 eV ở nhiệt độ phòng trong khi đó phổ huỳnh quang
của các cấu trúc nanô Si như: Si xốp, dây nanô silic (SiNW) hoặc chấm lượng tử lại
dịch chuyển về phía năng lượng cao khi thu nhỏ kích thước. Ở các hình thái khác nhau
cấu trúc của Si với kích thước nanô (màng, hạt, thanh hoặc dây) xuất hiện thêm nhiều
tính chất vật lý và hóa học mới, thu hút sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu. Do
vậy nhiều công trình khoa học đã tập trung nghiên cứu các hạt nanô cũng như các sợi
nanô nhằm giải thích nguồn gốc của sự xuất hiện dịch chuyển phổ huỳnh quang cũng
như tiềm năng ứng dụng trong khoa học và đời sống.
Silic là vật liệu truyền thống đã được nghiên cứu và ứng dụng trong công
nghiệp bán dẫn và vi điện tử. Hầu hết các linh kiện vi điện tử, chíp bán dẫn đều được
chế tạo dựa trên cơ sở vật liệu Si. Tuy nhiên, do silic có độ rộng vùng cấm hẹp
(Eg1,12 eV tại nhiệt độ phòng), cấu trúc vùng cấm xiên, hiệu suất quang lượng tử
1


thấp (10-6) dẫn tới hạn chế khả năng ứng dụng vật liệu silic trong một số linh kiện
quang điện tử như điốt phát quang, laser bán dẫn,….
Thế kỷ XXI và thời đại của vật liệu có kích thước nanô, với công nghệ nanô
ngày càng phát triển, vật liệu Si có cấu trúc thấp chiều như thanh, dây và đai nanô Si
được quan tâm nghiên cứu. Với các ưu điểm như sử dụng vật liệu ít, định hướng tinh
thể cao, diện tích bề mặt lớn, độ rộng vùng cấm thay đổi được (bằng cách thay đổi

RF và bốc bay nhiệt từ nguồn rắn;
Làm rõ ảnh hưởng của các thông số chế tạo lên hình thái, cấu trúc, tính chất
của SiNW;
Tìm hiểu nguồn gốc, cơ chế phát huỳnh quang của SiNW và sự ảnh hưởng
của các thông số chế tạo lên tính chất phát xạ huỳnh quang.
Nhằm đạt được một số mục đích trên, một số nội dung nghiên cứu cụ thể sau
đã được thực hiện:
- Đối tượng nghiên cứu:
Các SiNW chế tạo bằng hai phương pháp bốc bay nhiệt từ nguồn rắn và phún xạ
theo cơ chế VLS.
- Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu của luận án là phương pháp thực nghiệm. Với từng
nội dung nghiên cứu, phương pháp thực nghiệm đã được lựa chọn phù hợp.
Các phương pháp chế tạo vật liệu:
* SiNW được chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt từ nguồn rắn với nguồn
vật liệu hỗn hợp Si+C.
* SiNW được chế tạo bằng phương pháp phún xạ catốt.
Các phương pháp phân tích tính chất của vật liệu:
* Hình thái bề mặt, thành phần pha tinh thể, thành phần hoá học của các mẫu
chế tạo được trong luận án đã được khảo sát sử dụng nhiều các phép đo và thiết bị
đo hiện đại như: kính hiển vi điện tử quét (SEM) tích hợp với với thiết bị đo phổ
tán sắc năng lượng tia X (EDS), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ nhiễu xạ tia
X và phổ tán xạ Raman.
* Tính chất quang huỳnh quang của SiNW đã được khảo sát bằng các phép đo
phổ huỳnh quang trong vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại gần. Ngoài ra, cơ chế phát
quang được đề xuất trong luận án dựa trên các tài liệu công bố.
- Ý nghĩa lí luận và thực tiễn của luận án:
Về lý luận, những kết quả của luận án đã góp phần làm sáng tỏ cơ chế phát
quang của SiNW nói riêng và của các cấu trúc nanô silic nói chung. Luận án cũng
3

chương này cho thấy tiềm năng ứng dụng của vật liệu trong thực tiễn và cũng là cơ
sở để so sánh, giải thích đồng thời cũng làm nổi bật các kết quả đạt được của luận án.
Một số ứng dụng nổi bật của SiNW cũng được đưa ra trong chương này. Các quy
4


trình, những ưu điểm cũng như hạn chế của các phương pháp chế tạo SiNW cũng sẽ
được trình bày khái quát trong chương này, từ đó định hướng nghiên cứu công nghệ
chế tạo sẽ sử dụng trong luận án.
Chương 2: Nghiên cứu chế tạo các SiNW bằng phương pháp bốc bay nhiệt từ
nguồn rắn
Dựa trên tổng quan về lý thuyết chúng tôi sẽ xây dựng quy trình chế tạo SiNW
trên đế Si bằng phương pháp bốc bay nhiệt từ nguồn rắn.
Nội dung chương này sẽ tập trung trình bày các kết quả thực nghiệm của chúng
tôi về chế tạo SiNW trên đế Si bằng phương pháp bốc bay nhiệt từ nguồn rắn với ảnh
hưởng của các điều kiện chế tạo. Các kết quả nghiên cứu sự phụ thuộc vào điều kiện
công nghệ chế tạo mẫu, sẽ được trình bày một cách có hệ thống và được thảo luận
chi tiết. Phương pháp bốc bay nhiệt từ nguồn rắn đã được sử dụng để tạo các cấu trúc
nanô Si nói chung và các SiNW nói riêng trên các đế Si. Phương pháp này khá đơn
giản, phù hợp với điều kiện nghiên cứu của Việt Nam nói chung và của nhóm nghiên
cứu nói riêng nhưng vẫn tạo ra được SiNW với khả năng kiểm soát khá tốt các thông
số cấu trúc khác nhau của SiNW chế tạo được.
Chương 3: Nghiên cứu tính chất cấu trúc, huỳnh quang của SiNW
Trong chương này trước tiên chúng tôi trình bày các kết quả thu được về
huỳnh quang và ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo lên huỳnh quang của các SiNW
chế tạo được. Tiếp theo, chúng tôi sẽ thảo luận về nguồn gốc và cơ chế phát huỳnh
quang của SiNW. Cấu trúc cũng như tính chất vật liệu (giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ
tán xạ Raman), các quá trình quang điện tử trong vật liệu được nghiên cứu bằng
phương pháp phổ quang huỳnh quang được trình bày trong luận án. Trong phần này
cấu trúc, tính chất của các SiNW chế tạo được sẽ được trình bày một cách có hệ thống

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MỘT CHIỀU
TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU Si

1.1. Cơ sở về vật liệu có cấu trúc nanô
1.1.1. Khái niệm về vật liệu và công nghệ nanô
Vật liệu nanô hay là vật liệu cấu trúc nanô thường được định nghĩa là vật liệu
có ít nhất một chiều kích thước nhỏ hơn 100 nm. Có nhiều định nghĩa về công nghệ
nanô, một trong số đó là: “Vật liệu nanô là vật liệu mà cấu trúc cơ bản cấu thành nên
nó có kích thước nằm ở thang nanô-mét”. Hầu hết các tính chất của vật liệu nanô phụ
thuộc vào tính chất của các quá trình vật lí xảy ra ở thang kích thước điển hình của
nguyên tử và phân tử.
Các tính chất đặc trưng cho bản chất của vật liệu như: hằng số điện môi, điểm
nóng chảy, chiết suất cũng có thể bị thay đổi khi giảm kích thước xuống thang nanô.
Ngoài ra, còn có nhiều tính chất đặc trưng khác của vật liệu như: hoạt tính bề mặt,
diện tích bề mặt; các tính chất nhiệt, điện, từ, quang, cơ học, hóa học thậm chí cả sinh
học,… của vật liệu cũng bị thay đổi khi giảm kích thước.
Quá trình tổng hợp các cấu trúc nanô khác nhau như: hạt, thanh, dây, ống hay
các cấu trúc nanô với sự đồng đều về kích thước, hình dạng và pha tinh thể đang được
tập trung nghiên cứu. Theo đó, nhiều hệ vật liệu nanô mới với những mục đích ứng
dụng khác nhau được tạo ra. Dựa vào số chiều trong đó electron chuyển động tự do
mà phân loại các hệ thấp chiều: 0D (chấm lượng tử: cụm đám, nanô tinh thể), 1D
(dây lượng tử, ống), 2D (giếng lượng tử).

1.1.2. Xu hướng chế tạo vật liệu nanô
Hiện nay có hai cách chế tạo vật liệu nanô là chế tạo theo kiểu tiếp cận từ trên
xuống và và tiếp cận từ dưới lên. Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo hạt
kích thước nanô từ các hạt có kích thước lớn hơn, phương pháp từ dưới lên là phương
pháp hình thành hạt nanô từ các nguyên tử. So với cách thứ nhất chủ yếu sử dụng các

hoặc vật lý để tạo nên các cấu trúc lớn hơn. Cách tiếp cận này có lợi thế là có thể tạo
ra được nhiều loại cấu trúc khác nhau với một số lượng lớn và có thể tạo ra được các
SiNW với kích thước rất nhỏ. Hạn chế của các phương pháp theo cách tiếp cận này
các khí tiền chất cho quá trình mọc vật liệu thường là các khí có độ độc hại và khả
năng cháy nổ cao. Các phương pháp chế tạo điển hình dựa trên cách tiếp cận này là
mọc pha hơi-lỏng-rắn (Vapor-liquid-solid-VLS), mọc với sự hỗ trợ của ôxít (Oxide
Assisted Growth-OAG), tổng hợp trên cơ sở dung dịch, ….
8


Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất
lượng của sản phẩm cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nanô mà chúng ta dùng hiện nay
được chế tạo từ phương pháp này. Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp
vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai phương pháp hóa-lý.
* Phương pháp vật lý:
Là phương pháp tạo vật liệu nanô từ nguyên tử hoặc chuyển pha. Nguyên tử
để hình thành vật liệu nanô được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt,
phún xạ, phóng điện hồ quang). Phương pháp chuyển pha: vật liệu được nung nóng
rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy
ra chuyển pha vô định hình - tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh). Phương
pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nanô, màng nanô, ví dụ: đĩa cứng máy
tính. Các phương pháp vật lý từ dưới lên có ưu điểm là dễ tạo ra các màng mỏng cấu
trúc nanô có độ sạch và chất lượng tinh thể cao.
* Phương pháp hóa học:
Là phương pháp tạo vật liệu nanô từ các ion. Phương pháp hóa học có đặc
điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật
chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa
học thành hai loại: hình thành vật liệu nanô từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, solgel) và từ pha khí (nhiệt phân). Phương pháp này có thể tạo các hạt nanô, dây nanô,
ống nanô, màng nanô, bột nanô.
* Phương pháp kết hợp:

Đơn tinh thể Si thuộc mạng lập phương tâm mặt, với gốc gồm hai nguyên tử,
nếu một nguyên tử ở nút mạng (0,0,0) thì nguyên tử thứ hai có tọa độ (a/4, a/4, a/4).
Hình 1.1 mô tả sự sắp xếp các nguyên tử trong ô mạng cơ bản theo quy luật, mỗi
nguyên tử Si có 4 nguyên tử gần nhất, bốn nguyên tử này tạo thành tứ diện đều. Hằng
số mạng của Si a = 5,43Å, khoảng cách giữa hai nguyên tử gần nhất là

10

√3
4

a.


Tinh thể Si có cấu trúc kim cương, tồn tại các mặt phẳng tinh thể quan trọng
như mặt (100), (110), (111). Hướng xếp khít nhất trong cấu trúc chính là đường chéo
mặt lập phương. Do sự xếp khít của các nguyên tử trên mặt là khác nhau nên các mặt
tồn tại năng lượng bề mặt khác nhau.
Bảng 1.1

Các tính chất của bề mặt Si [132]
(100)

(110)

(111)

Mật độ nguyên tử, 1014/cm2

6,78

Silic thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn Mendeleev có cấu trúc điện tử
(1s2)(2s2)(2p6)(3s2)(3p2). Cấu trúc vùng năng lượng của Si được tách ra thành hai
vùng cho phép ngăn cách nhau bởi một vùng cấm. Vùng phía dưới chứa được 4N
điện tử và điền đầy hoàn toàn, tạo nên vùng hóa trị của bán dẫn. Vùng phía trên cũng
chứa được 4N điện tử nhưng trống hoàn toàn và trở thành vùng dẫn.
Trong vùng hóa trị của Si có các vùng con chồng lên nhau, các vùng con (hay
là phân vùng) còn được gọi là các nhánh năng lượng. Hình 1.2 thể hiện cấu trúc vùng
năng lượng của Si với các vùng con theo hai phương (111) và (100), cực đại của nhánh
thứ nhất, thứ hai trùng nhau và nằm ở tâm vùng Brillouin, cực đại của nhánh thứ 3 cũng
ở tâm vùng Brillouin nhưng hạ thấp hơn do tương tác spin-quỹ đạo.
Khoảng cách năng lượng giữa cực đại vùng hóa trị và cực tiểu vùng dẫn
chính là bề rộng vùng cấm, đối với Si độ rộng vùng cấm ∆Eg = 1,17 eV ở 0 K
và ∆Eg = 1,12 eV ở 300 K. Chúng ta thấy rằng cực đại vùng hóa trị (đỉnh vùng hóa
11


trị) nằm ở tâm vùng Brillouin, trong khi cực tiểu vùng dẫn (đáy vùng dẫn) nằm ở
một điểm trên hướng

của vùng Brillouin, nghĩa là đỉnh vùng hóa trị và đáy

vùng dẫn không có cùng giá trị vectơ sóng ⃗k, trong trường hợp này người ta gọi
vùng cấm là vùng cấm xiên.

Hình 1.2

Sơ đồ vùng năng lượng của Si.

Các nghiên cứu cho thấy rằng với Si ở dạng khối có cấu trúc vùng năng lượng
dạng vùng cấm xiên, nhưng vật liệu Si ở kích thước nanô có cấu trúc vùng năng lượng

của dây lượng tử, hy vọng khi tăng đường kính dây nanô thì hiệu ứng giam giữ lượng
tử giảm đi và vùng cấm điện tử thực tế tiếp cận với giá trị khối [9].

13


Hình 1.5 Sự thay đổi bề rộng vùng cấm theo đường kính SiNW theo các phương
(111), (100) và (110) [9].
Có rất nhiều thông số cấu trúc khác cũng ảnh hưởng tới cấu trúc vùng năng
lượng ví dụ như hướng mọc, đế mang,… làm thay đổi tính chất vật lý của SiNW. Sự
thay đổi đổi bề rộng vùng cấm theo đường kính SiNW theo các phương (111), (100)
và (110) được minh hoạ trên Hình 1.5. Sự phụ thuộc của vùng cấm vào kích thước của
các SiNW đã được đưa ra bởi H. Scheel cùng các cộng sự [101] thông qua hệ thức:
Eg = E0 +

C
dα

(1.1)

Trong đó: Eg - Độ rộng vùng cấm của SiNW
E0 = 1,12 eV - Độ rộng vùng cấm của Si khối ở nhiệt độ phòng
C, α - hằng số thực nghiệm
d - Đường kính của SiNW

1.3. Đặc tính của dây nanô silic
Silic ở dạng khối được sử dụng phổ biến trong công nghệ vi điện tử so với các
vật liệu bán dẫn thông thường khác. Nhưng đặc tính của vật liệu Si dạng khối đã được
khai thác với kích thước cỡ nanô-mét.Vì vậy, các nhà khoa học trên thế giới cũng như
trong nước đã và đang nghiên cứu để khai thác tối đa đặc tính nổi trội của loại vật