23

Luận văn thạc sĩ Vật lý

GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON DC
VÀ MỘT SỐ PHÉP ĐO XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CỦA
MÀNG

Có nhiều phương pháp tạo màng mỏng, mỗi một phương pháp đều có
đặc thù riêng và màng được tạo ra có tính chất rất khác nhau. Tuy nhiên, người
ta chú ý nhiều đến phương pháp ngưng tụ hoá học CVD (chemical vapour
deposition) và phương pháp ngưng tụ vật lý PVD (physical vapour deposition).
Trong phương pháp ngưng tụ vật lý PVD thì phương pháp phún xạ magnetron
DC và RF là hai phương pháp được các nhà khoa học sử dụng khá phổ biến
trong các phòng thí nghiệm trên thế giới cũng như ở nước ta hiện nay. Phương
pháp phún xạ magnetron có những ưu điểm như: nhiệt độ đế thấp, có thể tạo
màng ở nhiệt độ phòng, độ bám dính của màng trên đế tốt, vận tốc phủ màng
cao, đồng nhất cao về độ dày màng, mật độ màng gần với mật độ khối, dễ dàng
điều khiển và độ lặp lại cao trong quá trình chế tạo màng, phương pháp có chi
phí không cao; có khả năng phủ màng trên diện tích rộng [17]. Ngoài ra, bằng
phún xạ phản ứng trong hỗn hợp khí, nhiều hợp chất có thể được phủ từ vật
liệu đơn chất [14, 16].
Với những ưu điểm trên, trong luận văn này chúng tôi chọn phương
pháp đồng phún xạ magnetron DC để chế tạo màng ZnO:V. Tất cả các mẫu đều
được làm từ hệ chân không ở phòng thí nghiệm Quang – Quang phổ thuộc Bộ
môn Vật lý ứng dụng – Khoa Vật lý & Vật lý Kỹ thuật, Trường đại học khoa
học tự nhiên Tp. Hồ Chí Minh.
2.1. Phương pháp phún xạ magnetron DC.
2.1.1. Hệ magnetron phẳng.

Bộ phận chính của hệ phún xạ magnetron phẳng là một hệ nam châm
được bố trí khép kín để tạo bẫy từ. Bẫy từ có tác dụng nhốt electron và bắt
chúng chuyển động theo một “trường đua” nhằm tăng quãng đường chuyển
động của chúng lên gấp nhiều lần so với khoảng cách giữa hai điện cực, qua đó
Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng


24

Luận văn thạc sĩ Vật lý

GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

làm tăng khả năng ion hóa chất khí.
* Mô tả hệ phún xạ.

Hình 2.1. Hệ magnetron phẳng.
+ Hệ phún xạ magnetron phẳng như một diode phẳng, trong đó từ
trường phối hợp với bề mặt catốt để tạo thành bẫy điện tử. Bẫy này cần phải có
dạng thích hợp để dòng cuốn điện tử có thể tự khép mình.
+ Vật liệu cần phủ dùng để phún xạ là một tấm kim loại. Toàn bộ bia,
bản giải nhiệt tạo thành một tổ hợp catốt.
+ Từ trường được thành lập do một vòng nam châm bên ngoài bao
quanh và đối cực với một nam châm ở giữa. Chúng được nối từ với nhau bằng
một tấm sắt.
Bằng cách bố trí thích hợp ta có thể thu được các giá trị khác nhau của
cường độ từ trường trên mặt bia [5, 17].
* Nguyên lý hoạt động.
Khi thế âm được áp vào hệ giữa bia (catốt) và đế vật liệu được phủ
®


(anốt) sẽ sinh ra một điện trường E làm định hướng và truyền năng lượng cho
các hạt mang điện có trong hệ. Những điện tử và ion tạo thành thác lũ điện tử,
những ion đập vào catốt (bia) và giải phóng các điện tử thứ cấp, các điện tử này
®

được gia tốc trong trong điện trường E đồng thời bị tác động của từ trường
ngang

®

B,

từ trường này sẽ giữ điện tử ở gần catốt theo quỹ đạo xoắn trôn ốc,

do đó chiều dài quãng đường đi của điện tử được tăng lên nhiều lần trước khi

Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng


Luận văn thạc sĩ Vật lý

25

GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

đến anốt (đế).
Trong quá trình chuyển động, điện tử sẽ va chạm với các nguyên tử
hay phân tử khí và tạo ra những ion (sự ion hóa), các ion này được gia tốc đến
bia và làm phát xạ những điện tử thứ cấp dẫn làm cho nồng độ điện tử được

tăng lên. Khi số điện tử sản sinh bằng số điện tử mất đi do quá trình tái hợp lúc
đó sự phóng điện là tự duy trì. Lúc này, khí phát sáng trên bề mặt bia, thế
phóng điện giảm và dòng tăng nhanh. Những điện tử năng lượng cao sinh ra
nhiều ion và những ion năng lượng cao này đập vào bia làm phún xạ vật liệu
bia và bức xạ các điện tử thứ cấp để tiếp tục duy trì phóng điện. Lúc này khi
tăng thế rất nhỏ dòng sẽ tăng đáng kể.
Chuyển động của điện tử trong trường hợp trên được mô tả bằng bài
toán tìm quỹ đạo chuyển động của điện tử trong điện từ trường vuông góc [5,
17].
* Đặc trưng riêng của phún xạ.

Hình 2.2. Sự phân bố thế trong phóng điện khí.
Theo lý thuyết phóng điện khí, sự phân bố thế trong magnetron phẳng
được chia làm 3 vùng:
· Vùng sụt thế catốt (vùng I) có điện trường lớn. Trong vùng này
điện tử thứ cấp sinh ra từ catốt sẽ được điện trường gia tốc để đi vào vùng ion
hóa theo hướng trực giao với nó.
· Vùng ion hóa (vùng II) có điện trường rất bé. Trong vùng này,
điện tử va chạm với các phân tử khí, ion hóa chất khí, và mất năng lượng. Các
ion sinh ra do quá trình ion hóa sẽ được gia tốc trong vùng sụt thế catốt và thực
Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng


Luận văn thạc sĩ Vật lý

26

GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

hiện chức năng phún xạ.

· Vùng plasma (vùng III): điện trường trong vùng này cũng rất
bé.
2.1.2. Hệ magnetron không cân bằng.
Nam châm ở giữa có cường độ không đủ mạnh để có thể kéo vào tất cả
các đường sức phát ra từ các nam châm vòng ngoài bao quanh nó. Chính vì thế,
một vài
đường sức không kéo vào, nó lượn uốn cong ra ngoài hướng vào đế. Các điện
tử dịch chuyển trên những đường sức này không bị tác động của từ trường
ngang nên sẽ di chuyển hướng về đế. Khi di chuyển nó sẽ kéo theo các ion
được gọi là hiện tượng khuếch tán lưỡng cực, hiện tượng này làm tăng mật độ
dòng ion đến đế. Năng lượng bắn phá đế có thể tăng lên tuỳ vào thế phân cực
âm ở đế, và đế sẽ được đốt nóng. Như vậy, đế được cấp nhiệt một cách liên tục,
bởi sự bắn phá của ion, do đó thích hợp cho việc tổng hợp các màng ở nhiệt độ
cao.

Hình 2.3. Hệ magnetron không cân bằng.

2.1.3. Phún xạ phản ứng.
Phún xạ phản ứng là sự phún xạ bia kim loại trong môi trường có khí
hoạt tính như O2, N2, N2O… Màng tạo được là hợp chất giữa hạt phún xạ và
khí hoạt tính.
Quá trình phún xạ trong plasma, các nguyên tử khí trung hòa va chạm

Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng


27

Luận văn thạc sĩ Vật lý


GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

với điện tử biến thành các chất khí có hoạt tính rất cao (khả năng tương tác hóa
học lớn), các khí hoạt tính này phản ứng với hạt phún xạ trong 3 trường hợp:
trên bia, trên đế, và trong môi trường plasma. Trong đó, phản ứng tạo thành
hợp chất chủ yếu xảy ra trên bia và trên đế, còn trong môi trường plasma xảy ra
ít hơn do có sự giới hạn của các định luật bảo toàn xung lượng.
Hạn chế của quá trình phún xạ phản ứng là tốc độ hình thành màng
thấp và hồ quang. Tốc độ hình thành màng thấp được giải thích là do năng
lượng liên kết của các hợp chất cao hơn nên hiệu suất phún xạ hợp chất thấp.
Còn hồ quang có thể được kiểm soát bởi phún xạ RF, vì trong phún xạ RF ion
bắn phá bề mặt bia trong suốt một chu kì và trong chu kì kế, nên điện tử trung
hòa với điện tích vừa thành lập [14, 16].
2.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phún xạ.
Khi năng lượng ion nhỏ, quá trình phún xạ chỉ xảy ra do sự va chạm
giữa ion với nguyên tử nằm trên lớp đầu tiên của bề mặt bia. Vì xác suất va
chạm với những nguyên tử gần bề mặt tỉ lệ nghịch với quãng đường tự do trung
bình λ(E) của ion trong kim loại, còn năng lượng mà ion trao cho nguyên tử ở
va chạm đầu tiên sẽ tỉ lệ với Emax, với
Emax =

4mM
E
( m + M )2

(2.1)

Nên ta có thể viết:
N=


K
mM
E
l ( E ) (m + M ) 2

(2.2)

Trong đó:
N: hệ số phún xạ.
K: là hằng số phụ thuộc vào đặc trưng kim loại
λ(E): quãng đường tự do trung bình của ion trong kim loại, và xác
định:

l =

1

pR 2 n0

n0: là số nguyên tử có trong một đơn vị thể tích

Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng

(2.3)


28

Luận văn thạc sĩ Vật lý


GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

R: khoảng cách gần nhất giữa hai hạt trong quá trình va chạm (bán
kính va chạm)
M, m: là khối lượng nguyên tử va chạm và ion
Bán kính R có thể được xác định từ biểu thức:

M
Z1Z2e2
R
E' =
E=
exp( )
m+ M
R
a

(2.4)

E’: là năng lượng ion trao cho nguyên tử trong quá trình va chạm.
Z1, Z2: là số điện tích của ion và nguyên tử kim loại.
a*: là bán kính màn chắn hạt nhân ( bán kính Bohr)
Từ đó, ta nhận thấy rằng:
- Hệ số phún xạ tỷ lệ với đại lượng m.M(m+M)2, lớn nhất khi m =
M.
- Với mỗi cặp ion – kim loại cho trước, N tăng khi năng lượng ion
tăng, rồi tiến dần đến giá trị bão hòa. Giá trị năng lượng tương ứng với giá trị
bão hòa càng nhỏ thì ion có khối lượng càng nhỏ.
- Biết được giá trị tới hạn của các cặp ion – kim loại loại cho phép
ta lựa chọn khí trơ sao cho tương ứng với kim loại dùng làm bia để có được

hiệu suất phún xạ lớn nhất [5].
2.2. Các phương pháp đo.
2.2.1. Xác định độ truyền qua của màng bằng thiết bị V – 530 UVvis spectrophotometer.

Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng


29

Luận văn thạc sĩ Vật lý

GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
Đầu thu

Mẫu

Đèn

Bộ khuếch
đại

Máy đo phổ

Máy
tính

Thấu kính

Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ đo truyền qua.
Phương pháp đo phổ truyền qua được sử dụng để xác định tính trong

suốt của màng mỏng. Nếu màng mỏng có độ truyền qua trong vùng ánh sáng
khả kiến trên 80% thì được xem là trong suốt trong vùng đó. Ngoài ra từ phổ
truyền qua chúng ta có thể tính được độ rộng vùng cấm quang, chiết suất, hệ số
hấp thu của màng. Sơ đồ khối của hệ đo truyền qua được mô tả như hình 2.5.
Hệ số hấp thu a có thể được tính theo phương trình sau:
æ1ö
ln ç ÷
T
a= è ø
d

(2.5)

Trong đó: T là độ truyền qua và d là bề dày màng.
Đối với bán dẫn chuyển mức thẳng thì độ rộng vùng cấm quang phụ
thuộc vào hệ số hấp thu theo phương trình:

(a hn )

2

= A ( hn - Eg )

(2.6)

Trong đó A, Eg, hn lần lượt là hằng số, độ rộng vùng cấm quang và
năng lượng photon tương ứng. Giá trị Eg được xác định bằng cách vẽ đường
cong (ahn)2 theo năng lượng photon hn và ngoại suy tuyến tính từ đường cong
theo trục hn.
Độ truyền qua phụ thuộc vào bề dày và hệ số hấp thu màng có thể

được tính theo công thức:
T = (1 - R)2 exp(-a d )

Trong đó: T là độ truyền qua.

Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng

a là hệ số hấp thu.

(2.7)


30

Luận văn thạc sĩ Vật lý

R là độ phản xạ.

GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

d là độ dày màng.

Chiết suất cũng là một thông số quan trọng của vật liệu quang và các
ứng dụng của nó. Do đó việc xác định các hằng số quang và chiết suất của
màng là rất quan trọng. Chiết suất của màng có thể được xác định theo công
thức (2.8).
n=

Trong đó:


1+ R
+
1- R

k = al/4p

4R

(1 - R )

2

- k2

(2.8)

là hệ số tắt.

Hằng số điện môi được định nghĩa là e (w ) = e1 (w ) + ie 2 (w ) , các phần
thực và phần ảo của hằng số điện môi liên quan tới giá trị của chiết suất n và hệ
số tắt k. Các giá trị e1, e2 được tính từ các công thức (2.9):
e 1 (w ) = n 2 (w ) - k 2 (w ) ; e 2 (w ) = 2n(w )k (w ) .

(2.9)

2.2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X.
Phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng để xác định cấu trúc của vật
liệu. Sự nhiễu xạ tia X cung cấp thông tin về mạng tinh thể 3 chiều khi góc tới
θ ≥ góc giới hạn θc, do đó có thể xác định được tinh thể, phân biệt các dạng kết
tinh khác nhau của cùng một chất, các biến thể. Với phương pháp này mẫu

không bị phân huỷ, chỉ cần một lượng nhỏ có thể phân tích được, nên phương
pháp này có thể dùng khảo sát cấu trúc của màng mỏng.
Phương pháp nhiễu xạ tia X dùng để khảo sát màng mỏng là phương
pháp Bragg. Theo công thức nhiễu xạ Bragg, khi chiếu chùm tia X có bước
sóng λ lên một tinh thể, mỗi nút mạng trở thành một tâm nhiễu xạ. Sự nhiễu xạ
xảy ra theo mọi phương nhưng mạnh hơn cả là theo phương phản xạ gương. Ta
xét một họ mặt nguyên tử song song cách đều nhau một khoảng dhkl.

Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng


31

Luận văn thạc sĩ Vật lý

GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

Định luật Bragg

Điều kiện giao thoa:

Công thức định luật Bragg

Hình 2.5. Sự nhiễu xạ tia X trên các mặt nguyên tử.
Giả sử chùm tới nằm trong mặt phẳng của hình 2.5. Hiệu quang lộ giữa
các tia phản xạ từ các mặt lân cận bằng: 2dhklsinθ.
Sóng phản xạ từ các mặt kế tiếp nhau sẽ được tăng cường khi hiệu
quang lộ bằng một số nguyên lần bước sóng:

2d hkl sin q = ml


(2.10)

Công thức này gọi là công thức nhiễu xạ Bragg hay điều kiện nhiễu xạ
Bragg. Từ lập luận đơn giản như trên ta thấy công thức Bragg là hệ quả của
tính chất cơ bản của tinh thể tính tuần hoàn không liên quan gì đến thành phần
hoá học của tinh thể cũng như cách sắp xếp của các nguyên tử trong những mặt
phản xạ. Các yếu tố đó ảnh hưởng đến cường độ của chùm nhiễu xạ, đây là một
thông số quan trọng khi phân tích định lượng.
* Xác định kích thước hạt.
Chọn màng có độ dày tương đối để tìm kích thước hạt của màng. Áp
dụng công thức Scherrer [92] để tính kích thước hạt thông qua phổ nhiễu xạ tia
X:

d=

Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng

0 .9 l
B2q cos(q max )

(2.11)


32

Luận văn thạc sĩ Vật lý

GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng


Trong đó:
d là kích thước hạt (nm).
B2q là độ bán rộng của đỉnh tại nữa cường độ vạch phổ (rad).

θmax là góc nhiễu xạ của đỉnh phổ (rad).
l là bước sóng đặc trưng của tia X sử dụng ( l = 1.5406 A o ).

2.2.3. Phương pháp Stylus.
Phương pháp Stylus là phương pháp đo bề dày màng bằng cách di
chuyển một cách chính xác và đầu dò ghi theo chương trình làm sẵn về quét
chiều dài, tốc độ và lực đầu dò. Máy Stylus là một thiết bị có hệ cơ nốt kết với
hệ LVDT (Linear Variable Differential Transformer).
Khi bàn soi di chuyển mẫu, đầu dò sẽ lướt trên bề mặt mẫu. Biến thiên
của bề mặt làm đầu dò dịch chuyển theo chiều thẳng đứng. Tín hiệu đầu dò ghi
nhận được sẽ được chuyển đến vị trí lõi của LVTD. Thang đo LVTD sẽ chuyển
thành tín hiệu điện với độ chính xác cao tương ứng với sự thay đổi vị trí của
đầu dò, tín hiệu analog chuyển thành tín hiệu số.
Tín hiệu số trong quá trình quét sẽ được lưu lại trong bộ nhớ máy tính
cho việc biễu diễn, tính toán, đo đạc và in. Chương trình bộ nhớ máy đo Stylus
(Dektal 6M) có thể dễ dàng thay đổi để phù hợp với mục đích sử dụng và thí
nghiệm.
LVTD

Điều kiện tín hiệu

Mẫu

Chuyển đổi A/D

Bàn soi


Bộ nhớ máy tính
Hình 2.6. Sơ đồ khối của máy đo Stylus.

2.2.4. Phương pháp bốn mũi dò.

Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng


33

Luận văn thạc sĩ Vật lý

A

R
V

1mm

GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

Dòng
thay
đổi
Đầu
dò

Mẫu


Hình 2.7: Sơ đồ phương pháp bốn mũi dò.
Điện trở suất ρ của mẫu là thông số quan trọng, nó có liên hệ với độ
dẫn của mẫu như là hiệu ứng một chiều trên đặc tính thiết bị. Một phương pháp
đơn giản để xác định ρ mà không phá hủy mẫu thường người ta dùng phương
pháp bốn mũi dò.
Có bốn đầu nhọn bằng kim loại tungsten (W) có khoảng cách bằng
nhau được dùng để tiếp xúc với bề mặt bán dẫn. Dòng điện đi qua giữa hai kim
bên ngoài, trong khi đó hiệu điện thế được đặt giữa hai mũi kim bên trong. Vì
không có dòng điện (rất nhỏ) đi xuyên qua nên không có sự sai biệt hiệu điện
thế đưa vào giữa các kim tiếp xúc. Tuy nhiên, có sự giảm thế ngang ở chổ tiếp
xúc của các kim bên ngoài nhưng chúng ta chỉ đo dòng trong phạm vi vòng
giữa chỗ tiếp xúc các kim.
Các đầu dò mang dòng (đầu dò bên ngoài) giống như nguồn lưỡng
cực, thiết lập trường phân bố bên trong mẫu khi đo. Chúng ta phải đo điện thế
khác nhau giữa hai đầu dò lân cận dưới sự biến đổi của điều kiện biên, từ đó
suy ra biểu thức liên hệ dòng cung cấp, hiệu điện thế khác nhau và điện trở suất
của mẫu thông qua các trường hợp sau:
Trường hợp mẫu bán vô hạn, điện trở suất được cho bởi công thức

r = ( 2ps)

V
I

(2.12)

Với s là khoảng cách giữa các đầu dò.
Trong trường hợp màng hai chiều mỏng. Ở đây dòng được xem như bị

Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng



34

Luận văn thạc sĩ Vật lý

GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

giam hãm hoàn toàn trong lớp bề dày t, với t << s. Điện trở này được định
nghĩa là “điện trở mặt”, Rs (Ohm/square) hay (Ω/*).
Điện trở suất của thanh vật liệu có chiều dài, rộng và bề dày t là

r = Rs .t (W.cm)

(2.13)

Và điện trở mặt cho hai hướng
Rs =

p V
V
. = 4.53 ( Ω/*)
ln 2 I
I

(2.14)

Mẫu tạo bởi quá trình khuếch tán có độ sâu lớp khuếch tán t thì

r = 4.53t


V
(Ω/*)
I

(2.15)

2.2.5. Xác định nồng độ hạt tải, độ linh động bằng phép đo Hall.
Phép đo hiệu ứng Hall là công nghệ được sử dụng rộng rãi để xác định
nồng độ hạt tải và độ linh động trong vật liệu bán dẫn. Hơn nữa, từ phép đo
Hall trong phạm vi nhiệt độ rộng có thể cung cấp cho ta những thông tin về loại
tạp chất, sai hỏng, tính đồng đều, và sự tán xạ…
* Nguyên tắc của phép đo hiệu ứng Hall:

Hình 2.8. Nguyên tắc phép đo hiệu ứng Hall.
Khi một từ trường

®

B

được áp vào (theo phương z) vuông góc với chiều

dòng điện (theo phương x), từ trường

®

B

gây ra một lực lên các hạt tải chuyển


động, được gọi là lực Lorentz và được cho bởi công thức:
uur
uur ur
FL = q.(VD ´ B)
uur

ur

với vD = m.E là vận tốc cuốn của hạt tải.

Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng

(2.16)


35

Luận văn thạc sĩ Vật lý

GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

và µ là độ linh động của hạt tải.
Theo hình 2.8 trên thì FL chỉ có thành phần theo phương y, nên (2.16)
có thể viết lại:
Fy = - q.vD.Bz = - q.µ.Ex.Bz

(2.17)

Dưới tác dụng của lực Lorentz, các hạt tải mang điện sẽ di chuyển theo

như mô tả trong hình 2.9.
Các hạt tải điện di chuyển đến bề mặt vuông góc với phương y và bị
“mắc kẹt”, nên bề mặt sẽ bị tích điện. Dấu của điện tích bề mặt phụ thuộc vào
loại hạt tải, bề mặt sẽ tích điện âm nếu hạt tải là electron và tích điện dương nếu
ur

hạt tải là lỗ trống. Chiều của F trong cả hai trường hợp là như nhau, vì có sự đổi

uur
dấu đồng thời giữa điện tích q và vận tốc dòng cuốn v D .

Hình 2.9. Chuyển động của hạt tải điện.
Bề mặt tích điện sinh ra một điện trường Ey theo phương y và ngược
chiều với lực Lorentz, làm cho các hạt tải điện có xu hướng di chuyển ngược
lại. Ở trạng thái cân bằng, Ey sẽ có giá trị bằng FL nhưng ngược dấu:
q Ey = - q µ Ex Bz

(2.18)

Ey = - µ Ex Bz

(2.19)

Từ đây ta có thể xác định được độ linh động µ của hạt tải.
Ngoài ra, ta có hệ số Hall đặc trưng cho mỗi loại vật liệu và được định
nghĩa theo công thức:

R H a ll =

Ey

B z . jx

(2.20)

Khi xác định được hệ số Hall, ta cũng có thể dễ dàng xác định được độ

Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng


36

Luận văn thạc sĩ Vật lý

GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

linh động và nồng độ hạt tải thông qua công thức:

RHall =

- m .Ex .Bz
m
-m
-1
=- =
=
s .Ex .Bz
s q.n.m q.n

(2.21)


Với: jx = σ Ex là mật độ dòng điện và n là nồng độ hạt tải.
2.2.6. Xác định độ mấp mô màng mỏng bằng phương pháp đo
AFM (Atomic force microscopy).
Sự tương tác cơ bản nhất giữa đầu dò và mẫu trong phương pháp đầu
dò quét là lực tương tác nguyên tử Vander Wall. Để đo lực này ở một độ phân
giải không gian nào đó thì thiết bị đầu dò quét cần phải được lắp đặt một sensor
lực thích hợp, mà nó có thể giúp cho thiết bị có thể xác định được cấu trúc hình
ảnh nguyên tử. Thiết bị đó thường được gọi là kính hiển vi lực nguyên tử
(AFM). Một kính hiển vi lực loại này có thể phân tích rất nhiều loại lực khác
nhau bao gồm cả sự tương tác ngắn cũng như dài. Do đó các ứng dụng của nó
rất rộng rãi để phân tích các lực tương tác nguyên tử.
Điện tử quét
Máy tính
Hiệu chỉnh

Sự tương tác

Điều khiển
Bật/Tắt
Sensor
Hình ảnh

Mẫu

Hình 2.10. Sơ đồ khối kính hiển vi lực nguyên tử.
Phương pháp đo AFM cho ta thấy được hình thái bề mặt của mẫu với
độ phân giải cao. Sơ đồ khối của phương pháp này được mô tả ở hình 2.11.

Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng



37

Lun vn thc s Vt lý

GVHD: TS. Lờ V Tun Hựng

Thc o
Photodiode
Thu kớnh

Giỏ

H quột

Hỡnh 2.11. S sp xp quang hc ca mt h AFM.
n gin ta xột mụ hỡnh g gh n nh sau:

Mu

Hỡnh 2.12. Mụ hỡnh g gh n.
Trong ú R l bỏn kớnh mi AFM, Ra l bỏn kớnh g gh, h l khong
cỏch tip xỳc.
Vi mụ hỡnh trờn thỡ lc tng tỏc ton phn vo mu cú dng:
2
ộ R
ổ hc ử ự
a
F = 2pw R ờ
+ỗ

ữ ỳ
ờở R + Ra ố hc + Ra ứ ỳỷ

(2.21)

2pwR l lc ngh i vi mt tip xỳc phng (Ra = 0), hc l khong
cỏch tip xỳc, gi s hc << R.
S hng Ra/(R+Ra) c trng cho s tng tỏc g gh vi mi AFM.
S hng [hc/(hc+Ra)]2 c trng cho g gh úng vai trũ chớnh trong
vic gi hai phn ú cỏch nhau.
Hc viờn: Phựng Nguyn Thỏi Hng


38

Luận văn thạc sĩ Vật lý

GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

Số hạng thứ nhất chiếm ưu thế nếu độ gồ ghề lớn, số hạng thứ hai
chiếm ưu thế nếu độ gồ ghề nhỏ nên F đạt giá trị nhỏ nhất với một giá trị R cho
trước khi:
min
a

R

@ (2h R )
2
c


1
3

(2.22)

2.2.7. Phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray
Spectroscopy - EDS).
Phổ tán sắc năng lượng tia X hay phổ tán sắc năng lượng (EDS –
Energy dispersive X-ray spectroscopy), là kỹ thuật phân tích thành phần hóa
học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác
với các bức xạ (chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển
vi điện tử).
* Nguyên lý của EDX.
Khi chùm điện tử có năng lượng cao được chiếu và đâm xuyên sâu vào
nguyên tử vật rắn, nó sẽ tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử
làm cho một số điện tử bị đẩy ra ngoài và để lại một số vị trí trống ở lớp này.
Lúc này một số điện tử khác ở các lớp bên ngoài sẽ nhảy về lấp vị trí trống đó
và tạo ra các tia X. Tia X có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của
nguyên tử theo định luật Mosley:
f =v=

(

)

me qe4 æ 3 ö
(Z - 1)2 = 2.48 *1015 Hz (Z - 1)2
3 2 ç ÷
8h e 0 è 4 ø


Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng

(2.23)


39

Luận văn thạc sĩ Vật lý

GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

Hạt nhân NT
e bị đẩy ra

Kích thích
bên ngoài

NL bức xạ

Hình 2.13. Nguyên lý của phép phân tích EDS.
Tần số tia X phát ra là đặc trưng cho nguyên tử của mỗi chất có mặt
trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về
các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần
các nguyên tố.
Có nhiều thiết bị phân tích EDS nhưng chủ yếu EDS được phát triển
trong các kính hiển vi điện tử, ở đó các phép phân tích được thực hiện nhờ các
chùm điện tử có năng lượng cao và được hội tụ nhờ hệ các thấu kính điện từ.
Phổ tia X phát ra sẽ có tần số (năng lượng photon tia X) trải trong một vùng
rộng và được phân tích nhờ phổ kế tán sắc năng lượng, từ đó ta có thể ghi nhận

được thông tin về các nguyên tố cũng như thành phần.

Điện tử

Mẫu
Hình 2.14. Sơ đồ nguyên lý của hệ ghi nhận tín hiệu phổ EDS trong TEM.

Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng


Luận văn thạc sĩ Vật lý

40

GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

* Kỹ thuật ghi nhận và độ chính xác của EDS.

Tia X phát ra từ vật rắn sẽ có năng lượng biến thiên trong dải rộng, sẽ
được đưa đến hệ tán sắc và ghi nhận (năng lượng) nhờ detector dịch chuyển
(thường là Si, Ge, Li...) được làm lạnh bằng nitơ lỏng, gồm một con chip nhỏ
tạo ra điện tử thứ cấp do tương tác với tia X. Cường độ tia X tỉ lệ với thành
phần nguyên tố có mặt trong mẫu. Độ phân giải của phép phân tích phụ thuộc
vào kích cỡ chùm điện tử và độ nhạy của detector (vùng hoạt động tích cực của
detector).
Độ chính xác của EDS ở cấp độ một vài phần trăm (thông thường ghi
nhận được sự có mặt của các nguyên tố có tỉ phần cỡ 3 - 5% trở lên). Tuy
nhiên, EDS tỏ ra không hiệu quả với các nguyên tố nhẹ (ví dụ B, C...) và
thường xuất hiện hiệu ứng chồng chập các đỉnh tia X của các nguyên tố khác
nhau (một nguyên tố thường phát ra nhiều đỉnh đặc trưng Kα, Kβ..., và các đỉnh

của các nguyên tố khác nhau có thể chồng chập lên nhau gây khó khăn cho
phân tích).

Hình 2.15. Phổ tán sắc năng lượng tia X mẫu màng mỏng, ghi
nhận trên kính hiển vi điện tử truyền qua FEI Tecnai TF20.

Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng