CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Vật liệu silic 1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu silic Silic (Si) là nguyên t thuc nhóm IV trong bng h thng tun hoàn Medeleev c phát hi ). là nguyên nguyên t ph bin th hai sau oxy, có giá thành sn xut r, công ngh ch to nh vi sn phu ra có s tinh khit cao.
T các lý do trên, Si là bán d n hình có nhng ng dng thit thi sng và khoa h to pin mt tri, các thit b bán dnsis Hình 1.1a Si Vt liu tinh th Si có cu trúc tinh th mc nhóm không gian Fd3m hình 1. Trong cu trúc này, m có hai nguyên t Si: mt nguyên t nm nút mng (0, 0, 0) và nguyên t th hai nm v trí (, trong ng s m dài bng 5,43 Å. Mi nguyên t Si liên kt vi bn nguyên t gn nht và bn nguyên t này to thành mt t diu vi mt nguyên t nm tâm ca t din. Si có bán kính nguyên t bng 5 1,18 Å, m nguyên t bng 5,02.10 22 cm-2 và khong cách gia hai nguyên t gn nht bng 2,43 Å.
Cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu silic khối Nguyên t n t vi cu hình v n t là 1s2 2s22p 63s23p2. Vì vy, Si có 2 l y hoàn toàn và lp ngoài cùng y gm 2 electron trng thái 3s và 2 electron trng thái 3p. Si có cu trúc tinh th Brillouin th nht ng vi mng tinh th này có dng hình 1.2 mt hình có 14 mt: 6 mt hình vuông vi , , và 8 mt hình lu. Nhìn trên hình 1.2, ta ca tâm các m c chiu dài c p hình lp a mng tinh th.2: Vùng Brilloui [ C ng ca Si trong khong các giá tr ng cao nhn t gc phép cách nhau bng mt vùng cm gi c phép phía trên vùng cm gi là vùng dn, c phép i vùng cm gi là vùng hóa tr.
Vi mt tinh th Si có N nguyên t nhi 0 tuyi (0 K), vùng dn cha 4n t ng 6 trng hoàn toàn và vùng hóa tr gm 4n t y hoàn toàn. Vùng hóa tr ca Si có cha các vùng con gng và vùng dn ca Si gm nhiu ng chng lên nhau (hình 1.3: a Si trong không gian k Da vào s kt hp gia tính toán lý thuyt và thc nghim v các tính cht ca tinh th c s ph thuc c ng vào vect sóng E(k) i vi vùng hóa tr và vùng dn. Nhn thy rng = 0 vùng dn suy bin, nhánh ca vùng dc tiu thp c tiu khác ca vùng. V trí cc ti a vùng dn trong tinh th Si.
S có tt c 6 cc tih do tính chi xng ca tinh th, nu m ng lng cc tiu mt ít thì mn cc tiu vùng 7 dn ca Si là nhiu elip xoáy n hình 1. S ph thuc cng vào k lân cn cc tic biu di - m* 1 = m*2. - m* 1: là khng hiu dng ngang. - m* 3: là khng hiu dng dc.
T c ng c ã cho thy rng ci vùng hóa tr nm tâm vùng Brillouin trong khi cc tiu vùng dn nm ng ca vùng Brilouinh vùng hóa tr không cùng nm trên mt Si có vùng cm xiên. B rng vùng cm ph thuc vào nhi và c biu din gc: - (1.2) Thc nghic b rng vùng cm ca Si 300 K là: Eg = 1,12 eV. Vật liệu gecmani 1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu gecmani Gecmani (Ge) là nguyên t thuc nhóm IV trong bng tun hoàn Mendeleev.
Nhng tính cht lý hóa c 1771, r c c Vineder phát hi m khong 0,7 % khi ng ca v t, c t Zn, Pb. t liu bán dn quan trng c s dng nhiu trong ngành công nghin t. Cu trúc tinh th ca Ge m hai mng lt lng vào nhau, phân mng này nm 1/4 ng chéo chính ca phân mng kia. Trong m có 8 nguyên t Ge, mi nguyên t Ge là tâm ca mt hình t di u, cu to t bn nguyên t lân cn gn nht xung 8 quanh.
Ge có bán kính nguyên t bng 1,23 Å dài ca mi ô c s 300 K là a = 5,658 . Cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu gecmani khối Nguyên t n t, vi cu hình v n t là 1s 22s 22p 63s 23p63d 10 4s 24p2, y ly. Ma Ge là 8 na hình xoay khi elip dc theo các trc [111], biên ca vùng Brillouin ti tâm các hình xoay khi elip và các m ng không i. Ti mm trên vùng Brillouin, nu dùng mt mng lc tiu mt ít thì ch có mt na elip nm trong vùng Brillouin th nht.
y vi 8 cc tii xng ch có 8 na elip nm trong vùng Brillouin (hình 1.4: ng c n ging vng c c biu din trong hình 1. Vùng hóa tr ca Ge có cu trúc ph thuc gi sóng ca ba nhánh. Cu trúc vùng dn ca Ge khác vùng dn ca Si nhii vùng hóa tr ca chúng. S n nht là cc tiu vùng dn ca Ge nm trên b ng [111] ca tinh th, nói cách khác là m L, tâm ca các mt 6 cnh ca vùng Brilouin.a Ge trong vùng không g Cu ng c c loi vùng cm xiên, s ph thuc ca b rng vùng cm vào nhi biu din gng công thc: - (1.3) B rng vùng cm Ge 0 K là 0,69 eV và 300 K là 0,66 eV.
Vật liệu hợp kim SiGe Vt liu hp kim Si1-x Ge x c to thành nh kh i trn cao gia Si và Ge vi thành phn x cng t n 1 (0 100%). Gi Ge, hp kim Si1-x Gex có cu trúc mng tinh th ng s mc c Vegard: - (1.4) 10 : x là thành phn ca Ge, a là hng s mng. Hng s mng ca Si là , hng s mng ca Ge là lch ca mng tinh th là 4,2% [20]. Vm có hng s mng ln và s bin dng mng tinh th n Ge nên hp kim Si1-x Gex ng vùng cm nh i ng vùng cm ca Si, t ng vùng cm có th u chnh t ng ca Ge n ng ca Si i thành phn x.6 cho thy s ng vùng cm ca SiGe theo thành phn x.
ng thi, s thay ng vùng cm E g theo thành phn Ge ca hp kim SiGe có th c mô t bc nghim sau [20]: (1.5) Ti x = 0,85 là quá trình chuyi t cc tiu vùng dn cng [100] liên kt vi cc tiu vùng dn cng vùng cm Eg cc mô t b (1. S hình thành SiGe nhi th c thc hin [8]. C to ra các SiGe - nc mà còn Si nc và Ge nc [47]. Các tính cht phát quang ca tinh th c mt s nhóm nghiên ci ta thy rng các SiGe nc hin th mnh phát quang rng gia vùng 1,2 eV và 1,5 eV tùy thuc vào n Ge.
Trong các thí nghim v vt liu SiGe ca Fuji, Ge vào mng tinh th Si s gây ra s ri lon trong mng tinh th [15]. làm gim s phát quang và thi gian sng exciton n tinh th nano [35, 39]. Phn ln tính cht quang hc cc quan tâm nghiên cu bt ngun t mong mun ch to ra các thit b n t da trên Si, mang lc tin mi cho ngành công nghin t. Vì th, s hình thành cng t SiGe trong các thit b Si ha hn th hi i thin tính cht quang không my ng ca Si do chuyn mc nng gián tip ca nó mang li.
Vật liệu silic đioxit hay silica S silica (SiO2 ) là khoáng cht di dào nht trong lp v trái t, tn ti dng t hoc kt hp vi các oxit khác dng mui silicat. c tìm thy ph bin trong t nhiên dng cát hay thch anh. Silica có hai dng cu trúc là dng tinh th nh hình. Trong t nhiên, SiO2 tn ti ch yu dng tinh th hoc vi tinh th.
Ba dng tinh th ca SiO 2 áp sung là thch alit. Mi dng thù hình này li có hai dng cu trúc th c n nhi thp và dn nhi cao. Tt c nhng dng tinh th u bao gm nhng nhóm t din SiO4 ni vi nhau qua nhng nguyên t O chung. Trong t din SiO 4, nguyên t Si nm tâm ca t din liên kt cng hóa tr vi bn nguyên t O nm nh ca t din (hình 1.7) vy, mi 12 nguyên t O liên kt vi hai nguyên t Si hai t din khác nhau và tính trung bình c trên mt nguyên t Si có hai nguyên t O.7: Cu trúc mô phng ca t din SiO 4 (a) (b) (c) Hình 1.8: Cu trúc tinh th ca: (a) Thch anh , (c) Cristob Ba dng thù hình ca SiO2 có các cách sp xp khác nhau ca các nhóm t din SiO4 trong tinh th.
Trong thch anh, nhng nhóm t dic sp xp sao cho các nguyên t Si nm trên mng xon c. Nu chiu cu trúc tinh th ca th t ph ng xon c hình 1. Tùy theo chiu c ng xon ch anh quay trái và quay phi.8b), các nguyên t Si chim v trí ca các nguyên t và S và Zn trong mi vuazit. Trong cristobalit (hình 1.8c), các nguyên t Si chim v trí ca các nguyên t S và Zn trong mi sphalerit.
Liên kt gia các nguyên t Si vc thc hin qua nguyên t O [3]. 13 Trong lu 2 c la chn làm vt liu nn phân tán các nano tinh th Si, Ge và ion Er 3+.