Màng mỏng dẫn điện trong suốt ZnO:Al Học viên: Nguyễn Đức Hảo Maứng moỷng daón ủieọn trong suoỏt Nghiờn cu u tiờn vờ mng mng dn in trong sut (transparent conducting oxide - TCO) bt u t nm 1907, khi Badeker phỏt hin ra cỏc mng mng kim loi Cd c trỏng phu trong bung phỏt sỏng cú thờ b ụxy hoỏ tr thnh trong sut trong khi vn dn in [1]. Kờ t ú, danh sỏch cỏc vt liu TCO tim nng ó c m rng: ZnO:Al, GdInO x , SnO 2 , In 2 O 3 pha tp F Hin nay, mt trong nhng loi TCO c su dng rng rói nht cho cỏc ng dng thit b quang in t l oxide km pha tp nhụm (Aluminum-doped zinc oxide ZnO:Al). õy l mt loi vt liu di do, giỏ r, cú kha nng dn in tt v ụ trong sut cao, kt hp vi tớnh n nh mụi trng. Definition of TCO:  A thin film is Transparent to visible light (220 - 1100 nm) and conducting to electricity is called a Transparent Conductor  The basic Electromagnetic Theory does not permit a material to be both conducting and transparent simultaneously!!  For example : Copper or Silver cannot be transparent  NaCl, CaF 2, , In 2 O 3 , TiO 2 cannot conduct ! The basic Physics of TCO Films:  Maxwells Equations demand that NO MATERIAL CAN BE BOTH Transparent (to visible light) and Conducting (to electricity) So How to get a Transparent Conductor?? The Materials Scientist has the Answer:  All Metal Oxides are Transparent  All Metals are conducting  Mix a metal Oxide and a Metal !! Modify a transparent material for electrical conduction Metal Oxides have a large Optical Band Gap Examples: Indium Oxide (In 2 O 3 ) Zinc Oxide (ZnO) Tin doped Indium Oxide (ITO) and many more: all are metal oxides  Metal oxides are transparent to visible light (220 – 1100 nm). The optical band gap is 3.1 - 6.0 eV  They are all insulators  They are all stable inorganic materials If Oxygen is NOT Sufficient ??  It forms a NON Stoichiometric Metal Oxide film  The metal ions are not balanced in valence  Each metal has excess electrons  These electrons are available for conduction  Charge Neutrality condition MUST be satisfied :Over all, the Oxygen vacancies (+vely charged) balance the charge neutrality The TCO Thin films are  Wide band gap materials  Oxygen deficient  Just by varying oxygen content in the film (JUST ONE ELEMENT), the TCO can be made to exhibit:  Metallic  Semiconducting  Insulating Properties !! Basic Properties:  N - type, Degenerate direct band gap semiconductors  Eg = 3.0 - 4.1 eV  Electron concentration ~ 10 18 - 10 21 /cc  Infra red reflectors (metallic property)  Radiation resistance to ,, radiations  Surface resistivity is very senstive to Oxygen or oxygen related species : alcohol  Good adherence to many types of substrates : glass, plastic, polycarbonates, etc. Các loại vật liệu chế tạo màng mỏng dẫn điện trong suốt  Các màng mỏng oxide dẫn điện trong suốt gồm hai cấu tử như ZnO, SnO 2 và In 2 O 3  Các màng pha tạp như ZnO pha tạp Al (ZnO dopped Al – ZnO:Al), SnO hay Sb (SnO 2 :F hay SnO 2 :Sb), In 2 O 3 pha tạp Sn (indium tin oxide - ITO), ZnO:Al và ZnO:Ga…  Hợp chất ba cấu tử như Zn 2 SnO 4 , MgIn 2 O 4 , CdSb 2 O 6 :Y, ZnSnO 3 , GaInO 3 , Zn 2 In 2 O 5 và In 4 Sn 3 O 12 và các oxide đa cấu tử khác. [...]... của màng TCO Diode phát sáng hữu cơ (Organic Light Emitting Diode – OLED)   Màng mỏng ZnO:Al trong ứng dụng này yêu cầu có độ truyền qua cao (> 90%) trong vùng ánh sáng khả kiến và điện trở thấp (1 – 3 x 10-4 Ώcm) Yêu cầu phụ là độ đồng đều cao (± 5%) Pin mặt trời Cửa sổ điện sắc (Electrochromic - EC) Các phương pháp chế tạo màng TCO Các phương pháp đánh giá cấu trúc và tính chất của màng mỏng. .. = nλ Phương pháp đánh giá tính chất quang của màng TCO  Amorphous InGaZnO4 Transparent Oxide Semiconductor  Deposited by pulsed laser deposition at RT  Bandgap = 3.1eV, hall = 15cm2/Vs Transmittance of SnO2 Transparent Conducting Oxide Phương pháp đánh giá tính chất quang của màng TCO Phương pháp đo đặc tính điện của màng TCO Màng dẫn điện trong suốt ZnO:Al chế tạo bằng phương pháp sol-gel của... Các nút khuyết ôxy trong mạng là nguyên nhân làm cho ZnO mang tính bán dẫn loại n Để tăng thêm tính dẫn điện của màng ZnO ta phải tìm cách pha tạp Chất pha tạp thường là các nguyên tố nhóm III trong bảng hệ thống tuần hoàn như Al, Ga… Tính chất điện   Khi được pha tạp Al, ZnO :Al là bán dẫn suy biến loại n có điện trở nhỏ, có nồng độ hạt tải lớn vì mức Fermi nằm trên vùng dẫn Sự suy biến được... trong khoảng 1019 đến 1021.cm-3 và độ linh động Hall trong khoảng từ 0,5 đến 30 cm2V-1s-1 Nồng độ hạt tải và độ linh động thay đổi dẫn đến sự thay đổi độ dẫn điện Tính chất quang  ZnO là bán dẫn có độ rộng vùng cấm tương đối lớn (3,3 – 4 eV) và có độ truyền qua cao (>80%) trong vùng ánh sáng khả kiến (0,4 < λ < 0,8 µm) Độ truyền qua giảm mạnh khi λ < 0,4 µm do sự hấp thụ riêng của bán dẫn. .. giới [8,9,10] CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA MÀNG MỎNG ZnO:Al ZnO là bán dẫn loại n có độ rộng vùng cấm lớn (direct wide band gap), Eg=3,37eV ở nhiệt độ phòng Pha tạp Al, Ga, In cải thiện được tính chất điện của ZnO Oxide kẽm pha tạp nhôm ZnO:Al không phải là hỗn hợp rắn của oxide kẽm và oxide nhôm, nghĩa là một oxide không hợp thức (non stoechiometrique) với công thức là ZnO:Al (với hàm lượng Al thay đổi theo... các thành phần với ôxy làm ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật liệu: Al + Zn••→AlZn•→AlZn+e Như thế, mỗi ion Al3+ khi thay thế vào vị trí của Zn2+ trong mạng tinh thế ZnO sẽ cho một electron tự do, làm tăng nồng độ electron do đó làm tăng độ dẫn điện của vật liệu Mở rộng vùng cấm, hiệu ứng MossBurstein Nguyên nhân: sự gia tăng nồng độ hạt tải trong màng ZnO pha tạp Al Global Solar’s CIGS PV... truyền qua trong vùng hồng ngoại Sự tạo sai hỏng trong tinh thể chất bán dẫn ZnO  Sai hỏng điểm trong cấu trúc (point defects): 2 dạng  -Sai hỏng Frenkel: nguyên tử dời khỏi nút mạng và xen lẫn giữa mạng, để lại nút khuyết tại vị trí nút mạng (không có nguyên tử)  -Sai hỏng Schottky: nguyên tử dời khỏi mạng tinh thể, để lại nút khuyết ở nút mạng Khi T>0K, luôn tồn tại sai hỏng điểm trong các... thể thực!!! Sai hỏng điện tử, sự tạo vật liệu bán dẫn   Khi pha tạp Al vào mạng tinh thể ZnO, các ion dương Al3+ và Zn2+ có bán kính ion gần bằng nhau (0.53 và 0.72 tương ứng), do đó ion Al3+ dễ dàng sát nhập mạng lưới ZnO bằng cách thay thế ion Zn2+ mà không phân biệt được trong cấu trúc của đơn vị cấu thành Kết quả của việc thay thế Zn bằng Al cũng có tính chất quyết định trong việc ngăn cản . chế tạo màng mỏng dẫn điện trong suốt  Các màng mỏng oxide dẫn điện trong suốt gồm hai cấu tử như ZnO, SnO 2 và In 2 O 3  Các màng pha tạp như ZnO pha tạp Al (ZnO dopped Al – ZnO:Al) , SnO. Màng mỏng dẫn điện trong suốt ZnO:Al Học viên: Nguyễn Đức Hảo Maứng moỷng daón ủieọn trong suoỏt Nghiờn cu u tiờn vờ mng mng dn in trong sut (transparent conducting. của màng TCO Diode phát sáng hữu cơ (Organic Light Emitting Diode – OLED)  Màng mỏng ZnO:Al trong ứng dụng này yêu cầu có độ truyền qua cao (> 90%) trong vùng ánh sáng khả kiến và điện