LUẬN VĂN TIẾN SĨ ĐỀ TÀI: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát màng mỏng ôxit nhôm (Al2O3) bằng phương pháp quang phổ i MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1 PHẦN I: TỔNG QUAN 7 1. CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU Al 2 O 3 7 1.1. Khái quát về ôxit nhôm (Al 2 O 3 ) 7 1.2. Tính đa hình của ôxit nhôm 7 1.3. Các pha của Al 2 O 3 8 1.4. Màng mỏng Al 2 O 3 15 1.5. Các hoạt động IR và Raman của Al 2 O 3 16 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO MÀNG MỎNG 21 2.1. Phương pháp ngưng tụ từ dung dịch 21 2.2. Phương pháp phún xạ magnetron 22 2.3. Phương pháp điện hóa 25 2.4. Một số tính chất màng mỏng đã được ứng dụng 27 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG TRONG VẬT LÝ 30 3.1. Tổng quan 30 3.2. Cơ sở của mô phỏng 30 3.3. Hệ thống – mô hình – giải pháp 31 3.4. Ưu khuyết điểm của phương pháp mô phỏng 33 3.5. Một số phương pháp mô phỏng 34 3.6. Các kỹ thuật mô phỏng 35 3.7. Một số mô hình mô phỏng trong vật lý màng mỏng 35 3.8. Kết luận 42 PHẦN II: THỰC NGHIỆM 43 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG PHÚN XẠ MAGNETRON − MÔ PHỎNG PHỔ UVVIS VÀ TẠO MẪU MÀNG Al 2 O 3 43 4.1. Mô phỏng phún xạ 43 4.2. Một số thông tin ban đầu chuẩn bị cho mô phỏng 44 4.3. Thực hiện mô phỏng phún xạ 49 4.4. Mô phỏng phổ UVVIS 61 4.5. Tạo mẫu màng, đo phổ và xử lý phổ đo 72 5. CHƯƠNG 5: KHẢO SÁT MÀNG MỎNG Al 2 O 3 THỰC HIỆN BẰNG PHÚN XẠ RF 75 5.1. Tạo màng mỏng Al 2 O 3 bằng phún xạ RF 75 ii 5.2. Khảo sát sự chuyển pha 81 5.3. Kết luận chương 5 101 6. CHƯƠNG 6: KHẢO SÁT MÀNG MỎNG Al 2 O 3 THỰC HIỆN BẰNG SOL– GEL 103 6.1. Tạo màng bằng SOL–GEL 103 6.2. Khảo sát màng bằng quang phổ 105 6.3. Màng Al 2 O 3 Sol gel trên đế thạch anh 119 6.4. Kết luận chương 6 122 7. CHƯƠNG 7 : KHẢO SÁT MÀNG MỎNG Al 2 O 3 THỰC HIỆN BẰNG ĐIỆN HÓA 125 7.1. Tạo màng bằng điện hóa 125 7.2. Khảo sát màng điện hóa bằng phổ hồng ngoại 127 7.3. Khảo sát màng điện hóa bằng phổ XRD 129 7.4. Ứng dụng 130 7.5. Kết luận chương 7 133 PHẦN III: KẾT LUẬN 135 1. CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 135 2. CÁC GIÁ TRỊ KHOA HỌC 137 3. CÁC GIÁ TRỊ THỰC TIỄN 138 4. NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO 141 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 147 PHỤ LỤC 1: BẢNG PHỔ XRD THAM KHẢO 148 PHỤ LỤC 2: CÁC BẢNG PHỔ IR VÀ RAMAN 155 PHỤ LỤC 3: CÁC BẢNG WYCKOFF 160 PHỤ LỤC 4: CÁC PHẦN MỀM (Đính kèm đĩa CD) 164 Hình 1. Giao diện phần mềm 164 Hình 1. Giao diện phần mềm. 166 Hình 2. Kết quả mô phỏng hiển thị trực quan 166 Hình 1. Giao diện phần mềm 167 iii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sự chuyển pha của Al 2 O 3 theo nhiệt độ nung. 9 Hình 1.2 Cấu trúc của α−Al 2 O 3 [24] 11 Hình 1.3 Ô đơn vị hexagonal của α−Al 2 O 3 12 Hình 1.4 Cấu trúc spinel 12 Hình 1.5. Mô hình không gian γ – Al 2 O 3 13 Hình 1.6 Mô hình không gian θ – Al2O3 14 Hình 1.7 Ô đơn vị θ−ôxit nhôm dạng đơn tà 14 Hình 1.8 a Cảm biến dấu vân tay có phủ màng bảo vệ Al 2 O 3 16 Hình 1.8 b Dấu vân tay trên bề mặt cảm biến: không phủ (a) và có phủ màng Al 2 O 3 (b) 16 Hình 2.1 Hệ phún xạ magnetron 23 Hình 2.2 Sự oanh tạc của ion Ar + và phún xạ hạt vật liệu ở bề mặt bia 23 Hình 2.3 Sự lắng đọng vật liệu lên đế 24 Hình 2.4 Quan hệ giữa nhiệt độ đế, động năng của ion và tốc độ lắng đọng 24 Hinh 2.5 Sơ đồ nguyên lý tạo màng điện hóa 25 Hinh 2.6 Sự tạo thành lớp oxit xốp trên đế kim loại 25 Hình 2.7 Mô hình của ôxit nhôm xốp lý tưởng 26 Hình 2.8 Đường cong phản xạ màng hai lớp (trái) và ba lớp (ph ải) 29 Hình 3.1 Sơ đồ chung của một quá trình mô phỏng 31 Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống các phương pháp nghiên cứu 31 Hình 3.3 Sơ đồ chung của một quá trinh mô phỏng 32 Hình 3.4 Mô hình toán học cho mô phỏng sự va chạm. 37 Hình 3.5 Mô hình hình học của miền không gian phún xạ 38 Hình 3.6 (a) phân bố số hạt Ti phún xạ đến đế theo năng lượng 39 Hình 3.6 (b) phân bố số hạt Ti phún xạ theo góc tới khi đến đế 39 Hình 3.7 (a) phân bố số hạ t Al phún xạ đến đế theo năng lượng 39 Hình 3.7 (b) phân bố số hạt Al phún xạ theo góc tới khi đến đế. 39 Hình 4.1 Hình minh họa quá trình phún xạ vật liệu ở bia 45 Hình 4.2 Tương quan năng lượng ion oanh tạc và công suất phún xạ RF 49 Hình 4.3 Sơ đồ mô phỏng sự phún xạ vật liệu bia 50 Hình 4.4 (a) Phân bố số hạt phún xạ theo động năng ban đầu của Al và Ti 52 Hình 4.4 (b) Phân bố số hạt phún xạ theo động năng ban đầu của Ti theo [49] 52 Hình 4.5 (a) Phân bố số hạt phún xạ theo động năng ban đầu của Al,và Cu 52 Hình 4.5 (b) Phân bố số hạt phún xạ theo động năng ban đầu của Cu và Y theo [50] 52 Hình 4.6 (a) Phân bố mô phỏng số hạt phún xạ theo góc của 1 000 000 hạt Ti phún xạ, Ar + , 350 eV 53 Hình 4.6 (b) Phân bố mô phỏng số hạt phún xạ theo góc của các hạt phún xạ Ti (Ar + ,441eV, hướng va chạm vuông góc) theo [49] 53 Hình 4.7 Phổ phân bố số hạt phún xạ theo góc của 1 000 000 hạt Al phún xạ, Ar + , 350 eV. Số lần lặp 05 có tính đến yếu tố thớ bề mặt (surface texture) 53 Hình 4.8 Sơ đồ quá trình mô phỏng sự truyền các hạt phún xạ đến bia 54 Hình 4.9 Mô phỏng quỹ đạo hạt phún xạ Al (a) và Al 2 O 3 (b) 55 Hình 4.9 Mô phỏng quỹ đạo hạt phún xạ Al (c) và Al 2 O 3 (d) 55 Hình 4.9 Mô phỏng quỹ đạo hạt phún xạ Al (e) và Al 2 O 3 (f) 55 Hình 4.10 Phân bố số hạt theo quãng đường tự do của Al và Al 2 O 3 56 Hình 4.11 Mô phỏng phân bố số hạt theo góc tới đế tính trên 5000 hạt 56 Hình 4.12 Mô phỏng phân bố số hạt theo năng lượng còn khi tới được đế của 50000 hạt. 56 iv Hình 4.13 Mô phỏng số hạt đến đế theo áp suất và điện áp phún xạ 57 Hình 4.14 Sơ đồ quá trình mô phỏng sự lắng đọng màng trên đế 58 Hình 4.15 Kết quả mô phỏng bề mặt màng lắng đọng ma trận 100 x 100 x 20, lắng đọng ngẫu nhiên (trái) và lắng đọng có khuếch tán (phải) 59 Hình 4.16 Kết quả mô phỏng lớp cắt thứ 5 của màng gồm 20 lớp vật liệu lắng đọng ma trận 100 x 100 x 20, lắng đọng ngẫu nhiên (trái) và lắng đọng có khuếch tán (phải) 59 Hình 4.17 Kết quả mô phỏng năng lượng dư trên lớp thứ 5 của màng gồm 11 lớp . 60 Hình 4.18 Phổ UVVIS của màng Al 2 O 3 có độ dày vào cỡ 200 nm, chỉ có 2 cực đại và 1 cực tiểu, không tính được bắng giải tích số 62 Hình 4.19 Các dạng gồ ghề tiêu biểu, a nghiêng, b tam giác, c gợn chữ nhật, d gợn sóng 63 Hình 4.20 Phổ truyền qua lý thuyết của màng mỏng trên đế thủy tinh bị điều chế. 63 Hình 4.21 Phổ truyền qua lý thuyết của màng mỏng bị điều chế bởi đế thủy tinh. 63 Hình 4.22 Lưu đồ chương trình mô phỏng phổ UVVIS 66 Hình 4.23 Giao diện chương trình mô phỏng phổ UVVIS 66 Hình 4.24 Đồ thị mô phỏng phổ truyền qua UVVIS 68 Hình 4.25 Đồ thị đo độ dày bằng máy đo stylus Dektak 6M. 69 Hình 4.26 Phổ UVVis mô phỏng của màng ôxit nhôm vô định hình trên đế thủy tinh 70 Hình 4.27 Sự trùng khít mô phỏng của phổ UVVVis với các hệ số tắt khác nhau 70 Hình 4.28 Sự trùng khít tốt nhất của phổ mô phỏng với phổ thực 71 Hình 4.29 Phổ XRD được xử lý loại nhiễu và làm trơn bằng phần mềm Jasco32 74 Hình 4.30 Phổ XRD sau xử lý được tách đỉnh bằng Match1.9d 74 Hình 5.1 Hệ phún xạ Univex 450 76 Hình 5.2 Phổ UV−VIS của màng Al 2 O 3 trên đế thủy tinh 77 Hình 5.3 Đồ thị thực nghiệm tốc độ tạo màng 79 Hình 5.4 (a) ảnh AFM 2D của màng Al 2 O 3 trên đế Si 79 Hình 5.4 (b) ảnh AFM 3D: Độ gồ ghề cỡ 283.4 nm/μm 79 Hình 5.5 Phổ UVVis của màng Al 2 O 3 trên đế thạch anh qua các nhiệt độ ủ: 80 Hình 5.6 Phổ UVVis của màng Al 2 O 3 trên đế thạch anh theo năng lượng bức xạ. 80 Hình 5.7 Phổ XRD của Al 2 O 3 dạng bột rắn 81 Hình 5.8 Phổ XRD của màng Al 2 O 3 phủ trên đế thủy tinh 81 Hình 5.9 Phổ IR của Al 2 O 3 bột rắn trong viên nén KBr 82 Hình 5.10 Phổ IR của màng Al 2 O 3 trên đế thủy tinh. 82 Hình 5.11 Phổ XRD của màng Al 2 O 3 phủ trên đế Si (111) chưa ủ nhiệt 83 Hình 5.12 Phổ IR của màng trên đế Si và của màng trên đế thủy tinh chưa ủ nhiệt 84 Hình 5.13 Ảnh phổ XRD của màng Al 2 O 3 trên đế Si sau khi ủ nhiệt ở 600 0 C 85 Hình 5.14 Phổ IR của màng trên đế Si 111 ủ nhiệt 600 0 C 86 Hình 5.15 Ảnh phổ XRD của màng Al 2 O 3 trên đế Si sau khi ủ nhiệt ở 700 0 C 87 Hình 5.16 Phổ IR của màng trên đế Si 111 ủ nhiệt đến 700 o C 87 Hình 5.17 Phổ XRD của màng Al 2 O 3 phủ trên đế Si ủ nhiệt đến 800 0 C. 88 Hình 5.18 Phổ IR của màng trên đế Si 111 ủ nhiệt đến 800 o C 89 Hình 5.19 Phổ IR của màng Al 2 O 3 trên đế Silic qua các nhiệt độ ủ 800 – 900 0 C. 90 Hình 5.20 Phổ XRD của màng Al 2 O 3 phủ trên đế Si ủ nhiệt đến 900 0 C. 91 Hình 5.21 Phổ XRD của màng Al 2 O 3 phủ trên đế Si ủ nhiệt đến 1000 0 C 92 Hình 5.22 Phổ IR của màng trên đế Si ủ nhiệt 1000 0 C, các pha α hỗn hợpvới γ, κ và η 93 Hình 5.23 Phổ XRD của màng Al 2 O 3 phủ trên đế Si ủ nhiệt 1100 0 C 95 Hình 5.24 Phổ IR của màng trên đế Si ủ nhiệt 1100 0 C, pha α chiếm ưu thế rõ rệt. 95 v Hình 5.25 Phổ XRD của màng Al 2 O 3 phủ trên đế Si ủ nhiệt 1200 0 C 96 Hình 5.26 Phổ IR của màng trên đế Si ủ nhiệt 1200 0 C 97 Hình 5.27 Phổ Raman của màng phún xạ trên đế Silic 100 Hình 5.28 Phổ XRD của màng Al 2 O 3 phủ trên đế Si ủ nhiệt qua dãy 600– 1200 0 C 101 Hình 5.29 Phổ XRD của các pha trung gian và corundum 102 Hình 6.1 Sơ đồ quá trình tạo Sol 103 Hình 6.2(a) Phổ UVVIS của màng phủ 1 lớp ở 500 o C 105 Hình 6.2(b) Phổ UVVIS của màng phủ 6 lớp ở 300 o C và 500 o C 105 Hình 6.3 Ảnh AFM của màng trên đế Si (1 lớp) ở 500 o C. 105 Hình 6.4 (a) Phổ hồng ngoại của màng trên đế thủy tinh ở nhiệt độ phòng (xanh) và sau khi nhiệt phân ở 500 o C (đỏ), miền số sóng 1000 – 6000cm −1 . 106 Hình 6.4 (b) Phổ hồng ngoại của màng trên đế thủy tinh ở nhiệt độ phòng (xanh) và sau khi nhiệt phân ở 500 o C (đỏ), miền số sóng 400 – 1000 cm –1 . 106 Hình 6.5 Ảnh phổ XRD của màng sol gel trên đế Si ủ nhiệt đến 500 o C 107 Hình 6.6 Phổ IR của màng trên đế Si với nhiều hợp thức ABS:H 2 O 107 Hình 6.7 Phổ IR của màng trên đế Si ủ nhiệt 600 0 C 109 Hình 6.8 Phổ IR của màng trên đế Si ủ nhiệt 700 0 C 110 Hình 6.9 Phổ IR của màng trên đế Si ủ nhiệt 800 0 C 110 Hình 6.10 Ảnh phổ XRD của màng sol gel trên đế Si ủ nhiệt đến 900 o C 112 Hình 6.11 Phổ IR của màng trên đế Si ủ nhiệt 900 0 C 112 Hình 6.12 Phổ IR của màng trên đế Si ủ nhiệt qua các nhiệt độ 700 – 900 0 C 113 Hình 6.13 Ảnh phổ XRD của màng sol gel trên đế Si ủ nhiệt đến 1000 o C 113 Hình 6.14 Ảnh phổ XRD của màng sol gel trên đế Si ủ nhiệt đến 1100 o C 115 Hình 6.15 Ảnh phổ XRD của màng sol gel trên đế Si ủ nhiệt đến 1200 o C 115 Hình 6.16 Phổ IR của màng trên đế Si ủ nhiệt qua các nhiệt độ 900 – 1200 0 C 117 Hình 6.17 Phổ Raman của màng solgel trên đế Si qua ủ nhiệt với các nhiệt độ 900, 1100 và 1200 0 C trong miền số sóng thấp. 118 Hình 6.18 Phổ Raman của màng solgel trên đế Si qua ủ nhiệt với các nhiệt độ 900, 1100 và 1200 0 C trong miền số sóng cao. 118 Hình 6.19 Phổ XRD của màng Sol gel trên đế thạch anh ở nhiệt độ ủ 600 0 C 119 Hình 6.20 Phổ XRD của màng Sol gel trên đế thạch anh ở nhiệt độ ủ 800 0 C 120 Hình 6.21 Phổ XRD của màng Sol gel trên đế thạch anh ở nhiệt độ ủ 1000 0 C 120 Hình 6.22 Phổ XRD của màng Sol gel trên đế thạch anh ở nhiệt độ ủ 1200 0 C 121 Hình 6.23 Phổ XRD của màng Al 2 O 3 đế thạch anh ở 600 o C, 800 o C, 1000 o C và 1200 o C 122 Hình 6.24 Phổ XRD của màng sol gel trên đế Si 123 Hình 7.1 Mô tả màng Al 2 O 3 điện hóa 126 Hình 7.2 Sơ đồ nguyên lý tạo màng điện hóa 126 Hình 7.3 Màng Al 2 O 3 xốp trên nhôm kim loại 127 Hình 7.4 Phổ IR của màng điện hóa chưa xử lý nhiệt [43] 128 Hình 7.5 Phổ IR của màng điện hóa đế nhôm kim loại chưa xử lý nhiệt 128 Hình 7.6 Phổ IR của màng trên đế nhôm kim loại đã xử lý ủ nhiệt ở 500 0 C trong 30 phút128 Hình 7.7 Phổ IR của màng trên đế thủy tinh đã xử lý ủ nhiệt ở 500 0 C trong 30 phút 129 Hình 7.8 Ảnh AFM của màng trên đế nhôm kim loại 129 Hình 7.9 Phổ XRD của màng trên đế nhôm đã xử lý ủ nhiệt ở 500 0 C trong 30 phút 129 Hình 7.10 Cảm biến độ ẩm do nhóm chế tạo từ màng điện hóa. 131 Hình 7.11 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của điện dung của cảm biến theo độ ẩm 131 vi Hình 7.12 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của điện dung của cảm biến theo nhiệt độ 131 Hình 7.13 Kết nối cảm biến với máy đo điện dung Wellink Model HL – 1230 131 Hình 7.14 Sơ đồ kết nối cảm biến với vi mạch LM555 132 Hình 7.15 Phổ XRD của màng điện hóa [43] 133 vii DANH MỤC BIỂU BẢNG Bảng 1.1. Các đặc trưng vật lý của ôxit nhôm dạng α và θ [33] 7 Bảng 1.2. Các đặc tính tinh thể của ôxit nhôm. [33] 8 Bảng 1.3 Những đặc điểm tinh thể của α−Al 2 O 3 [24]. 12 Bảng 1.4 Bảng đặc biểu của nhóm D 3h 17 Bảng 1.5 Bảng tương quan của nhóm D 3d 18 Bảng 1.6 Sự tương quan dao động của các nguyên tử Al trong α − Al 2 O 3 18 Bảng 1.7 Sự tương quan dao động của các nguyên tử O trong α − Al 2 O 3 19 Bảng 2.1 Thứ tự và độ dày của một màng chống phản xạ đa lớp được thiết kế [46] 28 Bảng 4.1 So sánh các kết quả đo độ dày theo các phương pháp khác nhau 67 Bảng 4.2 Độ dày mô phỏng được ứng với các miền bước sóng của mẫu X 12 69 Bảng 5.1 các điều kiện mô phỏng và thực nghiệm tạo màng 76 Bảng 5.2 Chiết suất màng Al 2 O 3 với các phương pháp tạo màng khác nhau 77 Bảng 5.3 So sánh kết quả đo độ dày theo phương pháp giải tích, mô phỏng và tiếp xúc 78 Bảng 5.4 So sánh các đỉnh phổ XRD của Al 2 O 3 dạng bột rắn cho thấy pha thuần α. 81 Bảng 5.5 So sánh các phổ IR thu được (hình 5.10) với các phổ tư liệu (phụ lục 2) 82 Bảng 5.6 Bảng đỉnh phổ XRD của màng Al 2 O 3 phủ trên đế Si (111) chưa ủ nhiệt. 83 Bảng 5.7 Bảng danh sách đỉnh phổ XRD sau ủ nhiệt 600 0 C. 85 Bảng 5.8 So sánh phổ IR màng ủ nhiệt 600 0 C. 86 Bảng 5.9 Bảng danh sách đỉnh phổ XRD sau ủ nhiệt 700 0 C. 87 Bảng 5.10 So sánh phổ IR của màng ủ nhiệt 700 0 C 88 Bảng 5.11 Phổ XRD của màng Al 2 O 3 trên đế Si (111) ủ nhiệt 800 0 C 89 Bảng 5.12 Phổ XRD của màng Al 2 O 3 trên đế Si (111) ủ nhiệt 900 0 C 91 Bảng 5.13 So sánh phổ IR màng ủ nhiệt 900 0 C 92 Bảng 5.14 Phổ XRD của màng Al 2 O 3 trên đế Si (111) ủ nhiệt 1000 0 C 93 Bảng 5.15 So sánh phổ IR màng ủ nhiệt 1000 0 C 94 Bảng 5.16 Danh sách các đỉnh phổ XRD của màng Al 2 O 3 trên đế Si 111 ủ nhiệt 1100 0 C 94 Bảng 5.17 So sánh phổ IR màng ủ nhiệt 1100 0 C 96 Bảng 5.18 Phổ XRD của màng Al 2 O 3 trên đế Si (111) ủ nhiệt 1200 0 C 97 Bảng 5.19 So sánh phổ IR màng ủ nhiệt 1200 0 C 98 Bảng 5.20 Tổng kết dãy chuyển pha màng Al 2 O 3 phún xạ trên đế Si qua các nhiệt độ ủ 102 Bảng 6.1 Phổ XRD của màng sol gel trên đế Si ủ nhiệt đến 500 o C 107 Bảng 6.2 Bảng phổ tham khảo ứng với các pha của màng sol gel nhiều hợp thức 108 Bảng 6.3 Bảng phổ tham khảo ứng với các pha của màng sol gel ủ nhiệt 600 0 C 109 Bảng 6.4 Bảng phổ tham khảo ứng với các pha của màng sol gel ủ nhiệt 700 0 C 110 Bảng 6.5 Bảng phổ IR tham khảo ứng với các pha của màng sol gel ủ nhiệt 800 0 C 111 Bảng 6.6 Phổ XRD của màng sol gel trên đế Si ủ nhiệt đến 900 o C 111 Bảng 6.7 Bảng phổ tham khảo ứng với các pha của màng sol gel ủ nhiệt 900 0 C 112 Bảng 6.8 Phổ XRD của màng sol gel trên đế Si ủ nhiệt đến 1000 o C 114 Bảng 6.9 Phổ XRD của màng sol gel trên đế Si ủ nhiệt đến 1100 o C 114 Bảng 6.10 Phổ XRD của màng sol gel trên đế Si ủ nhiệt đến 1200 o C 115 Bảng 6.11 Các đỉnh phổ IR ứng với các các pha của màng sol gel qua các nhiệt độ ủ. 116 Bảng 6.12 Phổ XRD của màng sol gel trên đế thạch anh ở nhiệt độ ủ 600 0 C 119 Bảng 6.13 Phổ XRD của màng sol gel trên đế thạch anh ở nhiệt độ ủ 800 0 C 120 Bảng 6.14 Phổ XRD của màng sol gel trên đế thạch anh ở nhiệt độ ủ 1000 0 C 121 Bảng 6.15 Phổ XRD của màng sol gel trên đế thạch anh ở nhiệt độ ủ 1200 0 C 121 Bảng 7.1 Phổ XRD của màng Al 2 O 3 trên đế nhôm kim loại đã xử lý ủ nhiệt ở 500 0 C 130 viii Bảng 7.2 Bảng tra độ ẩm theo điện dung 132 Bảng 7.3 Các pha ủ nhiệt của màng điện hóa [43] 133 Bảng 8.1 So sánh chung màng phún xạ và màng solgel 135 Bảng 8.2 Sơ đồ chuyển pha màng ôxit nhôm 136 CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AFM ASB CVD fu ITO MD NMR PLD RF TEOS UV-Vis XRD Atomic force microscope Aluminum Sec–Butoxide Chemical vapor deposition Formula unit Indium tin oxide Molecular Dynamic Nuclear magnetic resonance Pulse laser deposition Radio frequency Alkoxit tetraethyle orthosilicate Ultra violet- Visible X ray difraction Kính hiển vi lực nguyên tử Muối cơ kim nhôm nhóm butane Lắng đọng từ pha hơi hóa học Đơn vị công thức hóa học Oxit thiếc - indium Động lực học phân tử Cộng hưởng từ hạt nhân Lắng đọng từ phún xạ bằng xung laser Tần số vô tuyến Các muối c ơ kim Si nhóm alkane Vùng tử ngoại - khả kiến Nhiễu xạ tia X 1 PHẦN MỞ ĐẦU Màng mỏng đồng thời vừa là ngành công nghệ rất cũ, từ trước công nguyên, lại vừa rất mới mẽ như đang hiện diện ngày nay. Màng mỏng là lớp vật liệu rắn có độ dày cỡ từ nm đến cỡ μ m phủ lên một tấm đế cứng bằng thủy tinh, kim loại, gốm sứ, polyme,… với chiều dày giới hạn khi mà các hiệu ứng vật lý và tính chất của nó thể hiện không giống như trong vật liệu khối. Do đó, với sự giảm lớn về lượng đến như vậy, các tính chất riêng biệt bắt đầu xuất hiện như một sự thay đổi về chất, nh ất là ở thang kích cỡ nano. Nhìn chung, chiều dày của màng mỏng được đề cập trong các công nghệ vật liệu và linh kiện điện tử, quang điện tử,… nằm trong khoảng 10 ÷1000nm. Ngày nay, công nghệ chế tạo màng mỏng là vô cùng đa dạng và phong phú, bao gồm nhiều phương pháp khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp. Hiện nay, màng mỏng được áp dụng nhiều trong các ngành kỹ thuật cao nhờ vào các tính chất đặc biệt ch ỉ có ở vật liệu màng với kích thước mỏng, tiêu biểu như màng điện môi, màng bán phản quang, màng chống phản xạ, màng lọc hồng ngoại, lọc tử ngoại, … Đa số các ứng dụng màng ở thang kích thước micro, tuy nhiên, trong hai thập niên gần đây bùng nổ các nghiên cứu và khai thác vật liệu nói chung và màng mỏng nói riêng có cấu tạo ở thang kích thước nano, đang hứa hẹn nhiều tiềm năng. Hợp chấ t Al 2 O 3 được nghiên cứu nhiều vào các thập niên 50 − 60 và ít được quan tâm trong thời gian tiếp theo. Gần đây, kể từ năm 2000, hợp chất này bắt đầu được quan tâm nhiều và số lượng nghiên cứu ở phạm vi nano tăng cao, nhất là từ năm 2005. Xem các công bố về Al 2 O 3 , đa số các bài báo đều nghiên cứu Al 2 O 3 điều chế ở dạng khối rắn hoặc dạng hạt nano, rất ít công bố thông tin về dạng màng mỏng. Màng Al 2 O 3 được sử dụng rộng rãi để làm lớp cách điện và lớp phủ bảo vệ do điện trở rất cao, cứng và trơ hóa học. Các pha đã biết của ôxit nhôm gồm pha bền α−Al 2 O 3 và các pha trung gian (γ, δ, η, θ, β). Trong đó pha α được ứng dụng và được biết đến nhiều nhất. Pha γ được dùng là chất xúc tác trong hóa học và chuyển hóa hydrocarbon trong công nghệ hóa dầu. [...]... số quang theo phương pháp Swanepoel nhằm đối chứng với phương pháp tính và phương pháp đo tiếp xúc trên máy Dektak 3 Tạo màng mỏng Al2O3 trên đế thủy tinh, Si và thạch anh bằng các phương pháp phún xạ magnetron RF và sol gel 4 Tạo màng mỏng Al2O3 với các giếng xốp nano trên đế nhôm kim loại bằng phương pháp điện hóa và ứng dụng 5 Thực hiện nghiên cứu các màng đã tạo ra được bằng các phương pháp quang. .. ứng dụng và dạng màng của vật liệu này còn chưa được nghiên cứu chi tiết Chính vì thế, đề tài được chúng tôi chọn cho luận án này là Nghiên cứu chế tạo và khảo sát màng mỏng ôxit nhôm (Al2O3) bằng phương pháp quang phổ Theo đó, nội dung đề tài nhằm hướng đến việc hoàn thành các nhiệm vụ cụ thể bao gồm: 1 Mô phỏng quá trình phún xạ để hỗ trợ cho việc phún xạ màng Al2O3 6 2 Mô phỏng ảnh phổ tử ngoại khả... (2009) [59] điều chế ôxit nhôm bằng phương pháp oxit hóa nhôm trong không khí ở nhiệt độ 1300 − 1500 oC Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng nhôm còn lại phụ thuộc vào hỗn hợp Al – Al2O3 và nhiệt độ thiêu kết Nhóm tác giả A Aryasomayajula và các cộng sự (2007) [22] thực hiện tạo màng Al2O3 bằng phún xạ magnetron đảo cực từ bia nhôm kim loại lên đế thép không rỉ và Crôm oxit ở 3500C và được phân cực... 2.3.3 Tạo màng ôxit nhôm xốp trên đế nhôm bằng phương pháp điện hóa Theo đà phát triển của công nghệ vật liệu nano, ôxit nhôm xốp ngày càng được chú trọng bởi vì nó có thể dùng làm khuôn mẫu rất tốt cho cấu trúc vật liệu nano được chế tạo [38] Về mặt này, có thể đề cập đến nhóm tác giả Jaeyoung Lee và các đồng sự (2005) [32] đã công bố tạo ra sợi nano TiO2 trên nền ôxit nhôm xốp điện hóa và ứng dụng nghiên. .. phép phủ một màng mỏng oxit kim loại lên bề mặt kim loại như Al, Ta, Nb, Ti và Zn Đây là phương pháp thông dụng để bảo vệ kim loại, nhuộm màu cho kim loại Ví dụ phủ một lớp Al2O3 lên vật liệu bằng nhôm theo phương pháp điện hoá gọi là “anôt hoá nhôm Màng Al2O3 tạo ra đặc sít gắn chặt vào nền nhôm kim loại và không thay đổi trong suốt quá trình anod hoá Tiếp đó trên nền lớp oxit nhôm có cấu tạo gồm vô... tiêm vào bên trong màng bằng điện trường có chiều và điện áp thích hợp Tiến hành đo dòng, áp của bình điện phân song song với đo phổ truyền qua của màng V2O5 cho thấy khi tiêm ion vào, độ truyền quang của màng giảm dần và ngược lại 2.4.1.2 Hiệu ứng khí sắc và nhiệt sắc Tương tự như trên, các thay đổi độ truyền quang khi màng bị tác động của các chất khí hoặc sự thay đổi nhiệt độ cũng được nghiên cứu và. .. đã tạo ra được bằng các phương pháp quang phổ hồng ngoại, quang phổ nhiễu xạ tia X, quang phổ Raman và quang phổ tử ngoại khả kiến 6 Ghi nhận quá trình chuyển pha của các màng Al2O3 tạo ra từ các phương pháp đã nêu, qua đó, tổng kết hai qui trình chuyển pha của vật liệu này ở dạng màng trên đế Si 111 bổ sung thêm vào các qui trình chuyển pha của vật liệu ôxit nhôm dạng rắn đã được một số tác giả công... thái màng, nhiệt độ lắng đọng và áp suất phún xạ Mô hình đã được Messier, Giri, and Roy tinh chỉnh vào năm 1984 2.3 Phương pháp điện hóa 2.3.1 Giới thiệu Một số vật liệu có thể tạo màng bằng phương pháp điện hóa Điển hình là nhôm, thiếc và titan [31] Ngoài ra còn một số nguyên tố khác nhưng không nhiều Mặc dù một số màng điện hóa thực hiện trên đế ITO cũng có các tính chất quang như các phương pháp. .. nghiên cứu cho thấy, bằng phương pháp kết tủa, ta có thể thu được sản phẩm Al2O3 có diện tích bề mặt riêng lớn, gần như vô định hình, thích hợp sử dụng làm chất xúc tác hay chất mang xúc tác Các tác giả Dư Thị Xuân Thảo, Phạm Xuân Núi và Nguyễn Mạnh Hùng (2009) [20] đã công bố về các kết quả nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của vật liệu Al2O3:Eu3+ dạng bột được chế tạo bằng phương pháp sol−gel Kết... lãng mà đa số các nghiên cứu tập trung vào điều chế nhôm kim loại từ quặng bô xít, trong thời gian gần đây, hợp chất này mới được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu trở lại Tuy nhiên, các nghiên cứu trong nước đối với loại vật liệu này tương đối hạn chế và thường tập trung vào dạng rắn ở mức độ hạt micro và nano mà ít quan tâm đến dạng chuyển tiếp là dạng màng mỏng Chúng ta có . LUẬN VĂN TIẾN SĨ ĐỀ TÀI: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát màng mỏng ôxit nhôm (Al2O3) bằng phương pháp quang phổ i MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1 PHẦN. ii 5.2. Khảo sát sự chuyển pha 81 5.3. Kết luận chương 5 101 6. CHƯƠNG 6: KHẢO SÁT MÀNG MỎNG Al 2 O 3 THỰC HIỆN BẰNG SOL– GEL 103 6.1. Tạo màng bằng SOL–GEL 103 6.2. Khảo sát màng bằng quang phổ. và dạng màng của vật liệu này còn chưa được nghiên cứu chi tiết. Chính vì thế, đề tài được chúng tôi chọn cho luận án này là Nghiên cứu chế tạo và khảo sát màng mỏng ôxit nhôm (Al 2 O 3 ) bằng