Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang của vật liệu ZnO, ZnO pha tạp các bon

Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu phát triển công nghệ ổn định chế tạo các cấu trúc một chiều ZnO trên cơ sở phương pháp bốc bay nhiệt nhằm tạo ra các cấu trúc một chiều ZnO khác nhau cho phát xạ đỏ tìm ra lời giải đáp cho nguồn gốc của phát xạ này; nghiên cứu cơ bản tính chất quang của bột ZnO pha tạp C bằng phương pháp nghiền bi hành tinh năng lượng cao, kết hợp với ủ nhiệt trong môi trường khí Ar và khí ôxi nhằm tạo ra bột ZnO chỉ cho phát xạ trong vùng cận tử ngoại (UV), không có sai hỏng về mặt quang học và tạo ra loại bột ZnO cho phát xạ mạnh trong vùng ánh sáng đỏ từ bột ZnO với quy trình đơn giản, ổn định, rẻ tiền.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang của vật liệu ZnO, ZnO pha tạp các bon 1 A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Lý do chọn đề tài Kể từ phát hiện của Round năm 1907 về khả năng phát quang của tinh thểcarborundum dưới tác động của một hiệu điện thế, một chuyên ngành mới của vật lýgọi là Quang-điện tử (Optoelectronic) đã ra đời với trọng tâm nghiên cứu khai tháccác vật liệu bán dẫn để làm các thiết bị phát quang thích hợp. Về cơ bản hoạt độngcủa các thiết bị này dựa trên các quá trình chuyển quang và tái hợp điện tử-lỗ trốngđược quy định bởi cấu trúc vùng năng lượng đặc biệt của điện tử trong các vật liệubán dẫn. Ngày nay, nhu cầu phát triển đa dạng các loại linh kiện phát quang hiệunăng cao trong các dải tần số khác nhau, đi từ vùng hồng ngoại (infrared) tới vùngcận tử ngoại (ultraviolet) đã không chỉ đặt ra vấn đề đi tìm các loại vật liệu bán dẫnthích hợp trong tự nhiên mà còn là việc tổng hợp ra các cấu trúc vật liệu để có cácthuộc tính điện tử như mong muốn. Trong số rất nhiều các chất và hợp chất bán dẫn, kẽm ôxít (ZnO) được biết đến làmột chất bán dẫn đặc biệt với cấu trúc vùng năng lượng thẳng, nghĩa là vùng nănglượng dẫn thấp nhất và vùng năng lượng hóa trị cao nhất đều xảy ra xung quanh tâmvùng Brillouin, do đó các quá trình chuyển quang thẳng được ưu tiên xảy ra và độrộng vùng cấm lớn, Eg~3,3 eV ở nhiệt độ phòng (300 K). Thêm nữa, với năng lượngliên kết exciton lên tới 60 meV, vật liệu này có tiềm năng rất lớn trong việc phát triểncác loại linh kiện phát quang cường độ và hiệu năng cao nhờ các quá trình chuyểnquang (tái hợp điện tử-lỗ trống) diễn ra ngay tại biên của các vùng dẫn và hóa trị. Sovới các chất bán dẫn vùng cấm rộng khác, ví dụ GaN (E g~3,4 eV ở 300 K) – loại vậtliệu ZnO được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo các loại linh kiện phát ánh sángtrắng, hay ánh sáng trong vùng xanh-tử ngoại và xanh lá cây. Bên cạnh đó, vật liệuZnO có nhiều ưu điểm nổi bật hơn hẳn, chẳng hạn như dễ dàng được tổng hợp nhờnhững công nghệ đơn giản và cấu trúc tinh thể thường có chất lượng rất tốt, do đó cóthể góp phần làm giảm giá thành của các sản phẩm linh kiện làm từ vật liệu này. Về phương diện xử lý các cấu trúc vật liệu để làm linh kiện, do khả năng chịuđược mức độ pha tạp mạnh, mật độ điện tử dẫn có thể đạt đến giá trị 2 x 10 21 cm-3,trong khi tính chất trong suốt quang học vẫn gần như không bị ảnh hưởng, các màngZnO đang được nghiên cứu và triển khai làm các điện cực màng mỏng trong suốttrong các ứng dụng như pin mặt trời và các loại màn hình phẳng. Các ứng dụng củaZnO trong lĩnh vực này tỏ ra có nhiều tiềm năng trong việc thay thế cho việc phải sửdụng đến các nguyên tố đất hiếm nên hứa hẹn những công nghệ tiên tiến thân thiệnmôi trường và đặc biệt là với giá thành rẻ. Các hướng nghiên cứu sử dụng chính cácthuộc tính điện tử của ZnO để quy định các đặc trưng của linh kiện điện tử, quang-điện tử cũng phát triển hết sức mạnh mẽ. Ở góc độ nghiên cứu cơ bản, hiện nay cácvấn đề như nghiên cứu tạo ra các lớp tiếp xúc Ohmic, lớp tiếp xúc Schottky và cáclớp tiếp xúc dị thể với ZnO đang là những chủ đề nghiên cứu hết sức cụ thể và sôi nổibởi lẽ chúng là thành phần cơ bản của bất kì một cấu trúc linh kiện điện tử, quang-điện tử nào. Ngoài ra, các xu hướng thẩm mĩ cũng đang đặt ra những hướng nghiêncứu phát triển các thiết bị điện tử trong suốt và ZnO cũng lại là một vật liệu tiềmnăng cho mục đích này. 2 Hiện nay, một trong những vấn đề quan trọng cản trở sự hội nhập của ZnOvào thế giới linh kiện đó là những khó khăn trong việc biến đổi tính chất dẫn của loạivật liệu này từ loại n sang loại p. Với rất nhiều nỗ lực, mặc dù các màng bán dẫn ZnOloại p đã được công bố bằng cách sử dụng các phi kim thuộc nhóm V, chẳng hạn nhưN, P, As, Sb và C, có tính ổn định, độ tin cậy và độ lặp của các mẫu p-ZnO lại thườngkhông cao. Liên quan đến việc giải quyết vấn đề này, hiện nay người ta cho rằng rấtnhiều thuộc tính cơ bản của ZnO, chẳng hạn như bản chất dẫn loại n của các màngZnO không pha tạp, các sai hỏng nội tại bên trong cấu trúc cần phải được nghiên cứukĩ lưỡng lại mặc dù chúng đã được khảo sát trong nhiều thập kỉ trước đó (từ năm1935 hoặc thậm chí trước đó). Phổ huỳnh quang của ZnO thông thường có hai vùng phát xạ chính đó là phátxạ trong vùng UV xung quanh bước sóng 380 nm và phát xạ vùng nhìn thấy ở bướcsóng cực đại từ 500 nm đến 550 nm. Để ứng dụng vật liệu ZnO trong các linh kiệnphát quang vùng tử ngoại cần phải chế tạo loại vật liệu này có cấu trúc tinh thể tốt,khi đó nó chỉ cho phát xạ trong vùng UV. Điều này đã được các nhóm nghiên cứucông bố rộng rãi, tuy nhiên tính ổn định và độ lặp lại thường chưa cao. Bên cạnh đó,các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng ZnO còn cho phát xạ vùng đỏ quanh bước sóng700 nm và nguồn gốc của nó đang được lý giải bằng nhiều ý kiến trái ngư ...