LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, do tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn khoa học của tập thể các thầy hướng dẫn. Các số liệu trong luận án này là trung
thực và chưa từng được tác giả khác công bố.
Hà Nội, ngày

tháng

TÁC GIẢ
TM. Tập thể hướng dẫn

i

năm


MỤC LỤC
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Danh mục cá hình vẽ và đồ thị
Lời cảm ơn
Mở đầu
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ DÂY VÀ CỘT NANO SILIC ............................ 1
1.1

Giới thiệu chung về dây và cột nano silic ..................................................... 1

1.2

Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................................ 5



2.1.1 Quy trình chế tạo dây nano silic sử dụng kỹ thuật quang khắc và ăn mòn
ướt.

…………………………………………………………………………..34
2.1.2 Quy trình chế tạo dây nano silic sử dụng kỹ thuật quang khắc và ăn mòn

ướt kết hợp với hiện tượng dính ướt. ........................................................................... 36
2.2

Quy trình chế tạo cột nano Silic .................................................................. 38

2.3

Các kỹ thuật sử dụng trong quy trình chế tạo và khảo sát đặc trưng dây và

cột nano silic.................................................................................................................... 44
2.3.1 Kỹ thuật quang khắc và quay phủ ........................................................... 44
2.3.2 Kỹ thuật phún xạ màng mỏng Ag............................................................ 45
2.3.3 Kỹ thuật hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường ........................................ 46
2.3.4 Kỹ thuật đo phổ I-V ................................................................................. 47
2.3.5 Kỹ thuật đo phổ phản xạ .......................................................................... 47
2.3.6 Kỹ thuật đo phổ huỳnh quang.................................................................. 48
2.3.7 Kỹ thuật đo phổ µ-Raman ....................................................................... 48
CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO DÂY NANO SILIC TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ VI
CƠ KHỐI ƯỚT
3.1

………………………………………………………………………..50


4.1.1 Tập hợp đơn lớp hạt silica kích thước 50 nm .......................................... 63
4.1.2 Tập hợp 235nm, 295nm, 385 nm ............................................................ 71
4.2

Thu nhỏ hạt silica bằng hơi HF................................................................... 74

4.2.1 Thu nhỏ hạt silica 50nm .......................................................................... 74
4.2.2 Thu nhỏ hạt 235nm và 295 nm. ............................................................... 77
4.3

Kết luận ....................................................................................................... 83

CHƯƠNG 5. CHẾ TẠO CỘT NANO SILIC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN
HÓA HỌC HỖ TRỢ KIM LOẠI VÀ KHẮC HẠT NANO. ......................................... 85
5.1

Chế tạo cột nano silic với hạt silica 295nm ................................................ 85

5.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của bề dày lớp Ag ................................................... 85
5.1.2 Ăn mòn hóa học tạo cột nano Si .............................................................. 88
5.1.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ăn mòn ........................................ 88
5.1.2.2 Ảnh hưởng của quá trình ăn mòn ngang ........................................... 90
5.2

Chế tạo cột nano silic với hạt silica 235nm ................................................ 91

5.2.1 Phún xạ Ag và lift-off .............................................................................. 92
5.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố tới chất lượng cột nano silic ...... 94
5.2.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung ủ hạt silica trước khi ăn mòn thu nhỏ

AFM (Atomic Force Microscope): Ảnh hiển vi lực nguyên tử
BHF (Buffered HF): Dung dịch HF pha thêm NH4F theo tỷ lệ nhất định.
CMOS (Complementary Metal-Oxide-SEMiconductor): Phức hợp bán dẫn-ôxit-kim
loại.
CVD (Chemical Vapor Deposition): Lắng đọng hơi hóa học.
DRIE (Deep Reactive Ion Etching): Ăn mòn sâu ion hoạt hóa.
FET (Field Effect Transitor): Tran-zi-to hiệu ứng trường.
FTIR (Fourier Transformation Infrared): phổ hồng ngoại biến đổi Fourrier
MACE (Metal Assisted Chemical Etching): Ăn mòn hóa học hỗ trợ (xúc tác) bằng
kim loại.
MEMS (Micro Electro-Mechanical System): Hệ thống vi cơ điện tử.
RIE (Reactive Ion Etching): Ăn mòn ion hoạt hóa .
SC (Standard cleaning): Quy trình rửa phiến silic chuẩn.
SOI (Silicon On Insulator): Đế silic có lớp SiO2 mỏng nằm giữa đế silic và lớp silic
linh kiện.
SERS (Surface Enhance Raman Scattering): Tán xạ Raman bề mặt tăng cường.
SEM (Scanning Electronic Microscope): Hiển vi điện tử quét.
TEM ( transmission electron microscopy): Ảnh hiển vi điện tử truyền qua.
VLS (Vapor-Liquid-Solid): Hơi-Lỏng-Rắn.

vi


Danh mục các bảng
Bảng 1.1. Sự thay đổi phương ăn mòn theo tỷ lệ HF:H2O2 và nhiệt độ dung dịch ăn
mòn.
Bảng 2.1. Các bước rửa bề mặt đế silic:
Bảng 2.2. Các bước chính trong quy trình đầu tiên nhằm chế tạo dây nano silic:
Bảng 2.3. Các bước xử lý đế silic dính ướt
Bảng 4.1. Ảnh hưởng của công suất bức xạ hồng ngoại tới tốc độ bay hơi dung môi

a) cảm biến sinh học [50]; b) cảm biến hóa học [8].
Hình 1.5.Ứng dụng dây nano silic trong pin mặt trời: (a) mô hình pha tạp kiểu lõi vỏ
tạo chuyển tiếp p-n cho dây nano Si; (b) ảnh SEM dây nano silic chế tạo bởi Erik C.
Garnett và các cộng sự năm 2008 [26].
Hình 1.6.Cột nano silic được ứng dụng để chế tạo siêu tụ điện [7]. Cột nano sau khi
chế tạo được oxi hóa để tạo thành lớp oxit bên ngoài các cấu trúc silic để tạo lớp điện môi,
sau đó W và Ni được phủ lên trên để tạo điện cực trên.
Hình 1.7.(a) Cột nano silic được phủ Ag phía trên nhằm tăng cường tán xạ Raman;
b) phổ Raman tăng cường có cường độ lớn hơn 5 bậc so với phổ Raman thường [40].
Hình 1.8.Các bước trong công nghệ quang khắc với chất cảm quang dương (a) và
chất cảm quang âm (b).
Hình 1.9.Quy trình công nghệ chế tạo dây nano Si<100> có kích thước 10 nm bằng
kỹ thuật quang khắc trên phiến silic có lớp oxit đệm để ăn mòn dừng (phiến SOI) (a-f);
Ảnh TEM mặt cắt ngang dây nano silic kích thước 10nm [96].
Hình 1.10.Quy trình công nghệ chế tạo dây nano silic với mặt nạ là dây nano kim
loại. Dây nano kim được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng nghiêng và thu nhỏ bằng
chùm ion nghiêng [76].
Hình 1.11.Hình mô tả kỹ thuật giao thoa chùm laser (a). Các cấu trúc lớp cảm quang
có thể thu được sau khi hiện hình (b) [4]. Ảnh SEM dây nano chất cảm quang có kích
thước 72 nm, cách nhau 323nm (c).
Hình 1.12.Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật khắc trực tiếp bằng chùm laser [54]
Hình 1.13.Dây nano silic kích thước 60nm được chế tạo bằng kỹ thuật khắc trực tiếp
bằng chùm laser [54].
Hình 1.14.Quy trình khắc bằng chùm điện tử.
Hình 1.15.Ảnh SEM của dây nano silic kích thước nhỏ hơn 10nm đã được chế tạo
bằng kỹ thuật khắc bằng chùm điện tử [53].
viii


Hình 1.16.Tác động của chùm điện tử, chùm ion nhẹ chuyện động nhanh (hạt

Hình 1.32.Các kỹ thuật tập hợp hạt nano đơn lớp xếp khít: a) nhúng phủ; b)
Langmuir-Blodgett; c) lắng đọng điện di của các hạt keo nano, d) lắng đọng hạt nano trên
đế tích điện theo vùng; e) tập hợp các hạt trong các khuôn mẫu; f) quay phủ.
ix


Hình 1.33.(a) Đơn lớp hạt xếp khít trên đế phẳng có phạm vi đối xứng lục giác gần.
Đơn lớp hạt xếp khít trong rãnh hẹp có phạm vi đối xứng theo toàn bộ chiều dài dải đơn
lớp hạt nano (b) [93].
Hình 1.34.Các bước trong kỹ thuật đóng băng (a-d). Ảnh SEM đơn lớp hạt 120 nm
không xếp khít trên đế [23].
Hình 1.35.Ảnh SEM các hạt được điền vào các lỗ trống tạo sẵn trên đế: một hạt
trong một khuôn (a); hai hạt trong một khuôn (b)[93].
Hình 1.36.Chế tạo đơn lớp hạt không xếp khít trên đế QCM dao động phủ Au [71].
Hình 1.37.Đơn lớp hạt xếp khít thực hiện bằng kỹ thuật quay phủ với nồng độ hạt
khác nhau: a) 30%; b) 20%; c)10% [19].
Hình 1.38.Ảnh SEM đơn lớp hạt silica sau khi quay phủ trong nền polymer (a) và
đơn lớp hạt silica không xếp khít sau khi tẩy lớp polymer [39].
Hình 1.39.Ảnh SEM đơn lớp hạt polystyren không xếp khít được ăn mòn trong
plasma ôxi đối với hạt 400nm. Ảnh chụp từ trên xuống (a); Ảnh chụp nghiêng (b) [80].
Hình 1.40.Ảnh SEM hạt silica sau khi được thu nhỏ bằng ăn mòn ion hoạt hóa. Ảnh
chụp từ trên xuống (a); Ảnh chụp nghiêng mẫu (b) [14].
Hình 1.41.Quy trình công nghệ chế tạo đơn lớp hạt không xếp khít bằng kỹ thuật kéo
dãn (a), với các hạt đối xứng dạng lục giác (b) và tứ giác (c) [91].
Hình 1.42.Cơ chế ăn mòn silic trong dung dịch HF/H2O2 với sự xúc tác của kim loại
quý (Au, Ag, Pt).
Hình 1.43.Cơ chế vận chuyển silic theo đề xuất bởi Bing Jiang và các cộng sự năm
2017[38].
Hình 1.44.Ảnh SEM mô tả sự không trùng nhau của định hướng đế và phương ăn
mòn: đế định hướng (111); phương ăn mòn <100> a); thay đổi phương của quá trình ăn

Hình 2.10.Quá trình tạo cột nano silic được vẽ trong 3 chiều: (a) Lưới kim loại sau
khi được tạo, (b) Ăn mòn trong dung dịch HF/H2O2 và (c) cột nano silic thu được sau khi
tẩy kim loại (Ag).
Hình 2.11.Các thiết bị chính dùng cho quang khắc để tạo dây nano silic trong phòng
sạch tại viện ITIMS: máy quang khắc (a); b) máy quay phủ.
Hình 2.12.Máy phún xạ ca-tốt được sử dụng để lắng đọng lớp kim loại trong phòng
sạch viện ITIMS, trường ĐHBKHN.
Hình 2.13.Thiết bị chụp ảnh hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường (FESEM) tại viện
AIST, trường ĐHBKHN.
Hình 2.14.Hệ đo đáp ứng I-V dây nano silic tại viện AIST, trường ĐHBKHN.
Hình 2.15.Hệ đo đặc trưng phản xạ của cấu trúc cột nano silic tại khoa Vật lý,
trường KHTN thuộc trường ĐHQGHN.
Hình 2.16.Hệ đo phổ huỳnh quang dùng để đo tính chất huỳnh quang của cấu trúc
cột nano silic tại khoa Vật lý, trường KHTN thuộc trường ĐHQGHN
Hình 2.17.Hệ đo phổ µ-Raman dùng để đo đặc trưng tán xạ Raman của cấu trúc cột
nano silic tại viện Vật lý kỹ thuật, trường ĐHBKHN.
xi


Hình 3.1.a) Chùm tia UV nhiễu xạ tại rìa dây Cr. b) Ảnh quang học của dây polymer
cảm quang sau khi hiện hình.
Hình 3.2.Ảnh quang học cấu trúc dây cảm quang hiện hình chưa bị biến dạng với
thời gian ăn mòn SiO2 là 5 phút (a), bắt đầu bị biến dạng sau 6 phút (b).
Hình 3.3.Ảnh SEM mảng dây SiO2 sau khi tẩy lớp cảm quang trên thang toàn đế với
các dây dài 1,5 cm (a); trên thang 50µm (b). Điện áp được dùng để đo là 15kV.
Hình 3.4.Ảnh SEM dây nano SiO2 độ phóng đại cao đối với ba dây có bề rộng nhỏ
nhất (a) với bề rộng lần lượt là 50nm (b); 100nm (c) và 200nm (d).
Hình 3.5.Ảnh mô tả vách ăn mòn SiO2 trong BHF, dạng giống hình thang (a) và
giống hình tam giác (b).
Hình 3.6.Ảnh SEM chụp toàn bộ mảng dây nano silic sau khi ăn mòn trong KOH (a)

Hình 4.1.Minh họa kỹ thuật nhỏ giọt theo góc nhìn ngang (a); và theo góc nhìn từ
trên xuống (b).
Hình 4.2.Hình minh họa sức căng bề mặt tạo ra lực mao quản kéo hai hạt nano silica
dạng cầu nhúng trong dung môi khi gần nhau.
Hình 4.3.Ảnh SEM của lớp hạt silica trong trường hợp bốc bay dung môi khi không
chiếu bức xạ hồng ngoại (a) và có bức xạ hồng ngoại (b). Ảnh đa lớp hạt silica (c) và đơn
lớp hạt silica với (d). Ảnh nhỏ trong hình d) là ảnh phóng đại thể hiện tính đối xứng dạng
lục giác. Thanh tỷ lệ trong (a,b) là 10 µm; trong (c,d) là 100nm.
Hình 4.4.Trật tự gần trong các “đô-men” hạt nano silica 50nm có dạng đối xứng lục
giác.
Hình 4.5.Hình vẽ các dải hạt gồm các vùng đơn lớp và đa lớp xen kẽ khi không có
chiếu xạ (a) và khi có chiếu bức xạ hồng ngoại (b).
Hình 4.6.Ảnh SEM vùng hạt sắp xếp tại độ phóng đại 600 lần với giá trị PIR: a)
80W; b) 180 W; c) 250 W. Thanh tỷ lệ là 10 µm. Điện áp chụp là 5kV.
Hình 4.7.Sự phụ thuộc của tỷ lệ diện tích vùng đơn lớp hạt nano silica vào PIR.
Hình 4.8.Quá trình tự tập hợp hạt silica ở các góc nghiêng khác nhau: a) β = 15o; b)
β = 30o; c) β = 45o; d) β = 60o; e) β = 75o. Ở góc nghiêng β = 30o, đơn lớp hạt thể sự liên
tục với diện tích lớn nhất. Thanh tỷ lệ là 10 µm.
Hình 4.9.Đồ thị phụ thuộc tỷ lệ vùng đơn lớp vào góc β.
Hình 4.10.Ảnh SEM vùng đơn lớp xếp khít với độ phóng đại 10.000 lần (a) và
phóng đại 40.000 lần (b). Đồ thị phân bố kích thước hạt dựa trên ảnh SEM (c).
Hình 4.11.Ảnh SEM phóng đại 1700 lần mẫu hạt đa lớp được tập hợp trên đế nằm
ngang (β=0) có chiếu bức xạ hồng ngoại. Ảnh nhỏ có độ phóng đại 50000 lần của cấu trúc
đa lớp hạt.
Hình 4.12.Cơ chế tạo đơn lớp xếp khít khi nghiêng đế: a) Hạt bên trên chui vào khe
giữa hai hạt bên dưới chưa xếp khít dưới tác dụng của trọng lực G; b) Hạt bên trên bị lực
trọng trường kéo xuống lớp bên dưới với các hạt đã xếp khít; c) Các hạt nano sát mặt đế bị
kéo lên hình thành đơn lớp dưới tác dụng của dòng dung môi khuếch tán. [89]

xiii

dưới hạt nano silica.
Hình 4.26.Ảnh SEM chụp mẫu tại ăn mòn bằng hơi HF với nhiệt độ đế: 25oC tại
tâm(a) và rìa mẫu(b); 90oC tại tâm (c) và rìa mẫu (d); 150oC tại tâm (e) và rìa mẫu (f). Các
ảnh được chụp với điện áp 5kV.
Hình 5.1.Ảnh SEM với độ phóng đại 10000 lần của đơn lớp hạt silica: xếp khít ban
đầu (a); không xếp khít sau khi ăn mòn 120s bằng hơi HF (b); sau khi được phủ Ag chụp
xiv


từ trên xuống (c); sau khi phủ Ag nhìn trên xuống (d). Thang kích thước trong bốn hình là
1µm. Điện áp đo là 5kV.
Hình 5.2.Ảnh SEM với độ phóng đại 5000 lần, lớp Ag bị bong sau khi rung siêu
âm(a); lưới Ag trên đế silic sau khi rung siêu âm không bị bong (b). Điện áp chụp 5kV.
Hình 5.3.Các vi cấu trúc silic xuất hiện sau khi ăn mòn trong HF/H2O2 sau thời gian
15 phút (a) và 30 phút (b). Ảnh phóng đại 40000 lần chụp với điện áp 5kV.
Hình 5.4.Ảnh SEM mặt cắt phóng đại 40000 lần của đơn lớp hạt silica sau khi phún
xạ Ag.
Hình 5.5.Ảnh SEM phóng đai 10000 lần chụp mặt cắt ngang mẫu cột nano silic với
các khoảng thời gian ăn mòn 15 phút, 30 phút, 45 phút và 60 phút. Điện áp chụp là 5kV.
Hình 5.6.Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của chiều sâu ăn mòn vào theo thời gian ăn
mòn silic trong dung dịch HF/H2O2.
Hình 5.7.Ảnh SEM (với độ phóng đại 2000 lần) cấu trúc cột silic chuyển thành dây
nano silic sau 120 phút ăn mòn. Điện áp chụp là 5kV.
Hình 5.8.a) Ảnh SEM đơn lớp hạt silica sau khi ăn mòn thu nhỏ bằng hơi HF. b)
Ảnh SEM chụp từ trên xuống cấu trúc cột silic sau khi ăn mòn 15 phút trong dung dịch
HF/H2O2. (c-d) Phân bố kích thước hạt và hạt.
Hình 5.9.Ảnh SEM chụp phần ngọn của cộ nano silic với độ phóng đại 100000 lần.
Điện áp chụp 5kV.
Hình 5.10.Ảnh SEM đơn lớp hạt silica 235nm với độ phóng đại 40000 lần chụp mặt
cắt ngang (a) và độ phóng đại 10000 lần chụp từ trên xuống (b); hạt silica sau khi được ăn

Hình 5.22.Ảnh TEM trường sáng cấu trúc cột nano silic với độ phóng đại 100000
lần (a). Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) đo trên hai cột nano silic (b).
Hình 5.23.Phổ Raman đo trên cấu trúc cột nano silic.
Hình 5.24.Ảnh hiển vi điện tử quét truyền qua (STEM) với độ phóng đại 100000 lần
của cột nano silic với lớp silic xốp bên ngoài.
Hình 5.25.Phổ huỳnh quang mẫu cột nano silic trước (a) và sau (b) khi tẩy lớp silic
xốp bên ngoài cột nano silic.
Hình 5.26.Phổ huỳnh quang của cột nano silic phụ thuộc vào chiều cao cột nano
silic: a) 596nm; b) 1190nm; c) 1785nm và d) 2380nm.
Hình 5.27.Phổ huỳnh quang của cột nano silic phụ thuộc vào thời gian ăn mòn thu
nhỏ hạt nano silica: a) 175nm; b)126nm; c) 103nm.
Hình 5.28.Ảnh quang học đế silic phẳng (a) và đế silic đã ăn mòn tạo cột nano silic
(b).
Hình 5.29.a) Hình vẽ ba chiều cấu trúc cột nano silic (chiều cao h) với phương chiếu
và thu ánh sáng phản xạ tạo một góc 45o so với phương thẳng đứng (a). b) Hình vẽ hai
chiều từ trên xuống để xác định kích thước (D) và khoảng cách cột (L).
Hình 5.30.Phổ phản xạ tuyệt đối theo bước sóng trên đế silic phẳng phủ Ag (a); trên
đế silic phẳng (b); cột nano silic chế tạo bằng hạt nano silica sau khi ăn mòn thu nhỏ bằng
hơi HF trong 175nm (c); 126nm (d) và 103nm (e).
xvi


Hình 5.31.Độ phản xạ tương đối trên đế silic phẳng (d) và trên cột nano silic có
đường kính trung bình: 175nm (a); 126nm (b) và 103nm (c) và
Hình 5.32.Độ phản xạ phụ thuộc vào đường kính trung bình của cột nano silic:
103nm(a), 126nm(b), 175nm(c).
Hình 5.33.Độ phản xạ của cột nano silic trước (a) và sau (b) khi tẩy lớp silic xốp.
Hình 5.34.Độ phản xạ phụ thuộc vào chiều cao cột nano silic: a) 596nm; b) 1190nm;
c)1785nm và d) 2380nm.
Hình 5.35.Độ phản xạ trung bình của cột nano silic phụ thuộc vào thời gian ăn mòn

xin giành lời cảm ơn chân thành tới thầy GS. TS. Vũ Ngọc Hùng với những hướng dẫn về
lý thuyết trong quá trình thực hiện và viết luận văn.
Tiếp theo, NCS muốn gửi lời cảm ơn tới Ban lãnh đạo cùng các thành viên của ngôi
nhà ITIMS thân yêu, nơi đã giúp NCS có những kiến thức khoa học về khoa học vật liệu,
tạo điều kiện để NCS có thể bước vào và làm các thí nghiệm liên quan tới luận án của
mình với tâm lý thoải mái nhất. Đặc biệt, tôi gửi lời cảm ơn tới TS. Nguyễn Văn Toán,
PGS. TS Nguyễn Văn Duy đã tạo điều kiện để NCS có thể làm việc trong phòng sạch.
Luận án này sẽ không thể hoàn thành nếu thiếu sự giúp đỡ, tạo điều kiện cùng những
trao đổi thú vị của TS. Nguyễn Hữu Dũng, tại viện AIST, trường ĐHBKHN với các phép
đo FESEM trên hệ JEOL JSM-7600F (Mỹ). NCS cũng xin gửi lời cảm ơn tới TS. Nguyễn
Thị Khôi nhờ những phép đo đáp ứng I-V với hệ đo bốn mũi dò Cascade Microtech (Mỹ)
tại viện AIST. NCS chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của TS. Nguyễn Thị Lan Anh
với các phép đo µ-Raman, tại Viện Vật lý kỹ thuật, trường ĐHBKHN. Đặc biệt, phải kể
đến sự giúp đỡ vô tư của TS. Mai Hồng Hạnh tại khoa Vật lý, trường đại học KHTN,
trường ĐHQGHN với những phép đo đặc trưng phản xạ và huỳnh quang.
Cuối cùng, tôi xin giành luận án này cho gia đình, nơi hậu phương vững chắc để tôi
có thể yên tâm làm nghiên cứu trong suốt ba năm trên Hà Nội!

xv


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cấu trúc dây nano silic đã và đang được các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước
quan tâm nhờ những ứng dụng phong phú trong cảm biến sinh học, cảm biến hóa học, điện
tử học nano, pin mặt trời, đế tán xạ Raman tăng cường bề mặt… Trên thế giới, cả hai
hướng nghiên cứu chế tạo các cấu trúc này phát triển mạnh theo cả hai hướng “dưới-lên”
(bottom-up) và “trên-xuống’ (top-down). Trong nước, các nhóm nghiên cứu chủ yếu tập
trung theo hướng “bottom-up” với phương pháp VLS, trong khi đó đã có các phòng thí
nghiệm vi điện tử và vi cơ điện tử được xây dựng và phát triển hơn hai mươi năm nay. Hơn

silica và cột nano silic được phân tích bằng phần mềm ImageJ, phần mềm được phát triển
bởi Viện sức khỏe quốc gia Hoa kỳ và được dùng phổ biến bởi các nhà nghiên cứu trên thế
giới, từ đó tính ra được kích thước trung bình của hạt, diện tích vùng đơn lớp hạt.
Đáp ứng I-V của dây nano silic được đo trên hệ bốn mũi dò Cascade Microtech (Mỹ)
tại viện AIST, trường đại học Bách khoa Hà Nội. Phổ Raman được đo bằng hệ µ-Raman
tại Viện Vật lý kỹ thuật, trường ĐHBKHN.
Tính chất huỳnh quang và phổ phản xạ của cột nano silic được đo tại khoa Vật lý,
trường KHTN, trường ĐHQGHN.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
a. Ý nghĩa khoa học của đề tài:
Đối với cấu trúc dây nano silic, NCS đưa ra hai quy trình chế tạo dựa trên phương
pháp quang khắc truyền thống kết hợp với ăn mòn ướt trên phiến SOI, tập trung vào việc
thu nhỏ mặt nạ SiO2 bảo vệ cho quá trình ăn mòn silic trong KOH. Quy trình đầu tiên trực
tiếp thu nhỏ dây SiO2 dựa trên thời gian ăn mòn SiO2 trong dung dịch BHF và tối ưu hóa
tiếp thời gian ăn mòn thu nhỏ dây silic trong KOH dựa trên tốc độ ăn mòn silic rất chậm
theo phương<111>. Quy trình chế tạo dây thứ hai ứng dụng hiện tượng dính ướt của mặt
nạ cảm quang xuống mặt đế silic nhằm bảo vệ mặt bên trong quá trình ăn mòn và tách dây
SiO2 kích thước micro thành hai dây SiO2 có kích thước nano. Hai quy trình chế tạo được
đề xuất có thể ứng dụng để tạo ra các dây nano silic với tỷ lệ cạnh rất cao (cỡ 2.105) trên đế
diện tích lớn. Hơn nữa, vị trí của dây nano có thể được điều khiển một cách chính xác và
quá trình tích hợp dây nano với các thành phần nano chức năng khác để tạo thành các phần
tử nano điện tử hoặc nano quang tử có thể được thực hiện được dựa trên sự phát triển của
công nghệ chễ tạo nano hiện nay.
Quy trình chế tạo cột nano silic được đưa ra trên cở sở sử dụng phương pháp ăn mòn
hóa học hỗ trợ kim loại có tính dị hướng, với lưới kim loại Ag được tạo trên đế silic bằng
phương pháp khắc hạt nano có khả năng điều chỉnh kích thước và khoảng cách trên lưới.
Hạt nano silica được dùng trong công nghệ khắc hạt nano. Kích thước các hạt silica xếp
khít ban đầu và kích thước hạt sau khi thu nhỏ quyết định đến tính tuần hoàn của lưới kim
loại Ag, do đó quyết định khoảng cách và kích thước giữa các cột. Vì vậy, trong luận án
này, tác giả tập trung tìm giải pháp tập hợp các hạt nano silica có kích thước khác nhau

7. Nội dung luận án
Luận án bao gồm năm chương:
Chương 1. Tổng quan về dây và cột nano silic.
Chương 2. Các kỹ thuật thực nghiệm.
Chương 3. Chế tạo dây nano silic trên bằng công nghệ vi cơ khối ướt.

xviii


Chương 4. Chế tạo đơn lớp hạt nano silica xếp khít và không xếp khít trên đế
silic.
Chương 5. Chế tạo cột nano silic trên bằng phương pháp ăn mòn ướt hỗ trợ kim
loại và khắc hạt nano.

xix


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ DÂY VÀ CỘT NANO SILIC

1.1

Giới thiệu chung về dây và cột nano silic
Hiện nay, rất nhiều bài báo quốc tế sử dụng thuật ngữ dây nano (nano-wire) cho các

cấu trúc có tỷ lệ cạnh (tỷ số giữa chiều dài và chiều rộng hoặc đường kính) từ vài chục lần
trở lên. Trong luận văn này, thuật ngữ dây nano sẽ được dùng cho các cấu trúc một chiều
có tỷ lệ cạnh cỡ vài trăm trở lên. Dây nano có định hướng song song hoặc vuông góc với
đế, tiết diện cắt ngang có thể là dạng hình tròn, hình thang, hình tam giác... Cột nano
(nano-pillar) được hiểu là cấu trúc một chiều có tỷ lệ cạnh cỡ vài đến vài chục và định
hướng vuông góc với đế. Cấu trúc của dây và cột nano silic có thể là đơn tinh thể, đa tinh

(b)

Hình 1.3. Ảnh hiển vi lực nguyên tử (AFM) và hiển vi điện tử quét (SEM) dây nano silic
được ứng dụng làm áp điện trở [18].
Năm 2004, TS. Đào Việt Dũng và các cộng sự người Nhật đã công bố kết quả chế
tạo áp điện trở bằng dây nano silic ứng dụng trong cảm biến gia tốc đã phát hiện hệ số áp
điện trở dài theo phương [011] tăng 60% khi kích thước dây nano silic giảm xuống kích
thước nano. Đồng thời, kích thước áp điện trở nhỏ cũng làm giảm kích thước tổng thể của
cảm biến gia tốc, qua đó tăng được số cảm biến chế tạo được trên một phiến Si, giảm được
chi phí chế tạo trên một cảm biến [18]. Ảnh AFM và SEM của dây nano silic được thể hiện
trên hình 1.3.
Dây nano silic cũng đã được ứng dụng làm kênh dẫn trong transistor hiệu ứng trường
(FET), ứng dụng làm cảm biến sinh học [50] và cảm biến hóa học [8]. Các tác giả trong
các bài báo này đã chứng minh rằng, với độ nhạy siêu cao, dây nano có thể dùng làm cảm
biến để phát hiện ra các phân tử sinh học đơn lẻ, cũng như các phân tử hóa học (hình 1.4).
2


(a)
(b)
Hình 1.4. Dây nano Silic được ứng dụng trong transitor hiệu ứng trường (FET) trong: a)
cảm biến sinh học [50]; b) cảm biến hóa học [8].

Hình 1.5. Ứng dụng dây nano silic trong pin mặt trời: (a) mô hình pha tạp kiểu lõi vỏ tạo
chuyển tiếp p-n cho dây nano Si; (b) ảnh SEM dây nano silic chế tạo bởi Erik C.
Garnett và các cộng sự năm 2008 [26].
Mặt khác, nhờ có diện tích bề mặt riêng (tỷ số diện tích bề mặt trên thể tích) lớn, dây
và cột nano đã được ứng dụng trong pin mặt trời. Vào năm 2008, Erik C. Garnett và các
cộng sự đã công bố kết quả chế tạo pin mặt trời dựa trên cột nano silic với hiệu suất
chuyển đổi năng lượng lớn nhất là 6% (hình 1.5) [26], hiệu suất này vẫn thấp so với pin