BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU CHẾ TẠO PHOTODIODE NiO/AZO ỨNG DỤNG TRONG VÙNG TỬ NGOẠI GVHD: THS. PHẠM THỊ KIM HẰNG SVTH: TRẦN BẢO QUÂN PHẠM MINH TÂM TP. Hồ Chí Minh, tháng 9/2024 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHẾ TẠO PHOTODIODE NiO/AZO ỨNG DỤNG TRONG VÙNG TỬ NGOẠI GVHD: TS. PHẠM THỊ KIM HẰNG SVTH: TRẦN BẢO QUÂN MSSV: 20130003 SVTH: PHẠM MINH TÂM MSSV: 20130061 Khóa: 2020 Tp.
Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2024 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHẾ TẠO PHOTODIODE NiO/AZO ỨNG DỤNG TRONG VÙNG TỬ NGOẠI GVHD: TS. PHẠM THỊ KIM HẰNG SVTH: TRẦN BẢO QUÂN MSSV: 20130003 SVTH: PHẠM MINH TÂM MSSV: 20130061 Khóa: 2020 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2024 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG Độc lập - Tự do – Hạnh phúc BM CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Tp.
Hồ Chí Minh, ngày. năm 2024 NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Thị Kim Hằng Cơ quan công tác của giảng viên hướng dẫn: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Sinh viên thực hiện: Trần Bảo Quân MSSV: 20130003 Phạm Minh Tâm MSSV: 20130061 1.
Tên đề tài: Chế tạo photodiode NiO/AZO ứng dụng trong vùng tử ngoại. Nội dung chính của khóa luận: - Chế tạo và khảo sát màng mỏng ZnO pha tạp Al và màng mỏng NiO. - Khảo sát cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt, tính chất quang, và tính chất điện của màng ZnO pha tạp Al và màng mỏng NiO. - Chế tạo chuyển tiếp NiO/AZO.
- Đo đạc UV photodiode. Các sản phẩm dự kiến Thiết bị UV photodiode dựa trên chuyển tiếp NiO/AZO. Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh Tiếng Việt Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh Tiếng Việt TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Quý Thầy/Cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là các Thầy/Cô Khoa Khoa học Ứng dụng nói chung và Thầy/Cô bộ môn Công nghệ vật liệu nói riêng đã tạo môi trường học tập năng động, sáng tạo, truyền đạt những kiến thức bổ ích, những kỹ năng cần thiết trong suốt bốn năm học vừa qua. Đặc biệt, chúng em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Cô Phạm Thị Kim Hằng, giảng viên bộ môn Công Nghệ Vật Liệu, trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh và Thầy Phạm Hoài Phương, giảng viên và chuyên viên nghiên cứu Viện Ứng dụng công nghệ và Phát triển bền vững, Trường Đại học Nguyễn Tất Thành đã hỗ trợ trực tiếp hướng dẫn em trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp.
Thầy/Cô đã luôn đồng hành và giúp đỡ tận tình em về nhiều vấn đề trong thực nghiệm, lý thuyết chuyên sâu trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp. Bên cạnh đó, chúng em xin cảm ơn Cô Nguyễn Thuỵ Ngọc Thuỷ, trưởng bộ môn Công nghệ Vật liệu và Thầy Huỳnh Hoàng Trung, phó trưởng bộ môn Công nghệ Vật liệu đã luôn đồng hành, theo dõi và hỗ trợ kịp thời chúng em xuyên suốt bốn năm học qua. Ngoài ra, Chúng em xin cảm ơn đến quý Thầy/Cô, Anh/Chị và các bạn, những người đã hỗ trợ nhiệt tình cho em trong suốt thời gian em học tập và làm việc tại Viện Ứng dụng công nghệ và Phát triển bền vững, Trường Đại học Nguyễn Tất Thành. Cuối cùng, chúng em xin cảm ơn gia đình đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất từ vật chất đến tinh thần cho chúng em trong quá trình học tập và nghiên cứu suốt thời gian vừa qua.
Cảm ơn tất cả thành viên lớp 20130SEMI, 20130POLY và các Anh/Chị và các em của bộ môn Công nghệ vật liệu đã quan tâm, động viên giúp đỡ chúng em trong lúc chúng em thực hiện khóa luận tốt nghiệp. Chúng em xin chân thành cảm ơn. i LỜI CAM ĐOAN Dưới sự hướng dẫn chuyên môn từ TS. Phạm Thị Kim Hằng và TS.
Phạm Hoài Phương, chúng tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng chúng em và Thầy/Cô hướng dẫn, số liệu và kết quả nghiên cứu trong khóa luận tốt nghiệp là rõ ràng, trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2024 Tác giả luận văn Trần Bảo Quân Phạm Minh Tâm ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. v DANH SÁCH CÁC BẢNG .vi DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH.
TỔNG QUAN. Vật liệu oxit dẫn điện trong suốt. Vật liệu ZnO. Vật liệu NiO.
Chuyển tiếp p – n dị thể trên nền vật liệu AZO/NiO. Nguyên lý hoạt động. Cơ chế tái tổ hợp bên trong linh kiện photodiode. Chuyển tiếp p – n trên nền vật liệu NiO/ZnO.
Phương pháp phún xạ phản ứng chế tạo diode dị thể NiO/AZO. Phương pháp phún xạ phản ứng. Phương pháp phún xạ RF – magnetron. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phún xạ.
Một số phương pháp phân tích và đánh giá màng mỏng và photodiode. Phương pháp nhiễu xạ tia X. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường. Quang phổ UV-Vis.
Phép đo hiệu ứng Hall. 25 iii Chương 2. Hóa chất và thiết bị. Thiết bị sử dụng.
Quy trình chế tạo màng NiO, màng AZO và photodiode NiO/AZO. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt, tính chất quang và tính chất điện của màng NiO. Khảo sát cấu trúc tinh thể.
Khảo sát hình thái bề mặt. Khảo sát tính chất quang. Khảo sát tính chất điện. Khảo sát ảnh hưởng của lượng nhỏ khí oxy đến cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt, tính chất quang và tính chất điện của màng ZnO pha tạp Al.
Khảo sát cấu trúc tinh thể. Khảo sát hình thái bề mặt. Khảo sát tính chất quang. Khảo sát tính chất điện.
Chế tạo photodiode dị thể AZO/NiO. 43 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 48 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt RF Radio frequency Tần số vô tuyến DC Direct current Dòng điện một chiều VB Valence band Dải hóa trị CB Conduction band Dải dẫn Metal-Organic chemical vapor Lắng đọng hơi hóa học kim loại MOCVD deposition hữu cơ ALD Atom layer deposition Lắng đọng lớp nguyên tử TCO Transparent conducting oxide Oxit dẫn điện trong suốt XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X UV Ultraviolet Tia cực tím Vis Visible Ánh sáng khả kiến PSC Perovskite solar cell Pin mặt trời perovskite Field Emission Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét phát xạ FE-SEM Microscopes trường v DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.
Tổng hợp các thông số vật lý của vật liệu ZnO. Tổng hợp các đại lượng vật lý đặc trưng của vật liệu NiO. Hóa chất sử dụng trong quá trình chế tạo màng NiO, AZO và photodiode NiO/AZO………………………………………………………………………………26 Bảng 2. Thiết bị sử dụng trong quá trình chế tạo chuyển tiếp NiO/AZO.
Các thông số lắng đọng chế tạo màng NiO. Các thông số lắng đọng chế tạo màng AZO. Thông tin về cấu trúc tinh thể của màng NiO theo mặt mạng (111)………. Tổng hợp các thông số đặc trưng về tính chất quang và điện của các màng NiO ủ với các nhiệt độ khác nhau.
Thông tin về cấu trúc tinh thể của màng AZO theo mặt mạng (002). Tổng hợp các thông số đặc trưng về tính chất quang và điện của các màng AZO với lưu lượng khí oxy khác nhau. Tổng hợp các thông số đặc trưng của chuyển tiếp dị thể NiO/AZO. 45 vi DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.
Các cấu trúc tinh thể của ZnO (a) lập phương tâm mặt, (b) zinc-blende, (c) lục giác Wurtzite. Mô hình mức năng lượng của các khuyết tật nội tại và độ phát quang liên quan đến mức năng lượng khuyết tật trong ZnO. Ô đơn vị của NiO theo cấu trúc lập phương. Sơ đồ thể hiện các lỗ trống của cation được tạo ra do NiO không cân bằng hóa học.
(a) Mô hình vùng trung hòa điện tích của chuyển tiếp p – n, (b) Mô hình cấu trúc vùng năng lượng của chuyển tiếp p – n ở điều kiện cân bằng nhiệt. Chuyển tiếp p – n (a) và cấu trúc vùng năng lượng (b) ở chế độ phân cực thuận. Chuyển tiếp p – n (a) và cấu trúc vùng năng lượng (b) ở chế độ phân cực nghịch. Minh hoạ về ba cơ chế tái tổ hợp: (a) Tái hợp bức xạ, (b) tái hợp Auger, và (c) tái hợp không bức xạ.
Mô hình cấu trúc vùng năng lượng của chuyển tiếp NiO/ZnO. Sơ đồ biểu diễn quá trình phún xạ. Tác động của năng lượng tới đến hiệu suất phún xạ. Ảnh hưởng của ion khí trơ và vật liệu mục tiêu đến hiệu suất phún xạ.
Ảnh hưởng góc tới ion bắn phá tới hiệu suất phún xạ. Ảnh hưởng hướng tinh thể của vật liệu mục tiêu Cu đến hiệu suất phún xạ. Mô hình nhiễu xạ Bragg bởi các mặt phẳng tinh thể. Mô hình cấu tạo cơ bản của hệ UV-Vis.
Giản đồ XRD của màng NiO ở các nhiệt độ ủ khác nhau……………………30 Hình 3. Ảnh SEM của màng NiO ủ ở các nhiệt độ khác nhau: (a) 300 oC, (b) 350 oC, (c) 400 oC, (d) 450 oC và 600 oC. Quang phổ truyền qua UV-Vis và đường biểu diễn (𝛼ℎ𝑣)2 theo ℎ𝑣 của màng NiO ở các nhiệt độ ủ khác nhau. Biểu đồ thể hiện các giá trị đặc trưng về tính chất điện của màng NiO ủ ở các nhiệt độ khác nhau.
Giản đồ nhiễu xạ tia X (a), Đỉnh nhiễu xạ (002) trong phạm vi góc hẹp (b), biểu đồ về sự thay đổi kích thước tinh thể và mật độ khuyết tật (c), mật độ lệch mạng và biến dạng vi mô (d) của màng AZO ở các lưu lượng khí oxygen khác nhau. Ảnh SEM của màng AZO với lưu lượng khí oxy khác nhau. Ảnh SEM mặt cắt ngang của màng AZO với lưu lượng khí oxy khác nhau. Quang phổ truyền qua UV-Vis (a) và biểu đồ Tauc (b) của màng AZO với lưu lượng khí oxy khác nhau.
Biểu đồ thể hiện các giá trị đặc trưng về tính chất điện của màng của màng AZO với lưu lượng khí oxy khác nhau.