Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu nano từ silicon và germanium

• Tác giả: Lê Thành Công
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Nguyễn Đức Dũng
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu nano
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật liệu nano từ silicon và germanium
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• MỞ ĐẦU. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng nghiên cứu
• 1.5. Ý nghĩa khoa học của đề tài. Những đóng góp của luận án
• 1.6. Bố cục của luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO Si, Ge
• 1.1. Giới thiệu về vật liệu nano Si
• 1.2. Cấu trúc vùng năng lượng của Si
• 1.3. Vật liệu nano Si
• 1.4. Tính chất quang của Si-NCs
• 1.5. Giới thiệu chung về vật liệu nano Ge
• 1.6. Cấu trúc vùng năng lượng của Ge
• 1.7. Vật liệu nano Ge
• 1.8. Những yếu tố ảnh hưởng tới tính chất quang, điện tử của Si, Ge
• 1.9. Một số phương pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu nano trên cơ sở Si, Ge
• 1.9.1. Phương pháp bốc bay nhiệt theo cơ chế VLS (CVD)
• 1.9.2. Phương pháp bốc bay bằng nguồn laze (Laser Ablation)
• 1.9.3. Phương pháp ăn mòn hóa học có hỗ trợ xúc tác kim loại
• 1.9.4. Phương pháp epitaxy chùm phân tử
• 1.9.5. Phương pháp phún xạ
• 1.10. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU
• 2.1. Phương pháp chế tạo vật liệu quang tử nano trên cơ sở Si, Ge
• 2.2. Phương pháp bốc bay nhiệt theo cơ chế VLS
• 2.3. Phương pháp đồng phún xạ ca tốt
• 2.4. Phương pháp ăn mòn hóa học có hỗ trợ kim loại (MACE)
• 2.5. Phương pháp khảo sát tính chất vật liệu
• 2.6. Phương pháp phân tích phổ tán xạ Raman
• 2.7. Phương pháp phân tích giản đồ nhiễu xạ XRD
• 2.8. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM)
• 2.9. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.10. Phương pháp phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS)
• 2.11. Phương pháp phân tích phổ huỳnh quang (PL)
• 2.12. Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)
• 2.13. Phương pháp phân tích phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (Uv-Vis)
• 2.14. Phương pháp phân tích phổ hấp thụ cảm ứng (TIA)
• 2.15. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU NANO TINH THỂ Si CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY NHIỆT
• 3.1. Sự phụ thuộc hình thái, cấu trúc dây Si-NWs vào độ dày lớp Au
• 3.2. Sự phụ thuộc hình thái, cấu trúc dây Si-NWs vào thời gian bốc bay và tốc độ khí mang Ar
• 3.3. Phổ phát xạ huỳnh quang của các mẫu chế tạo
• 3.4. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU NANO TINH THỂ Si CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN ĐIỆN HÓA (MACE)
• 4.1. Sự phụ thuộc thông số chế tạo lên quá trình hình thành Si-NWs
• 4.2. Sự phụ thuộc nồng độ AgNO3
• 4.3. Sự phụ thuộc thời gian ăn mòn
• 4.4. Sự phụ thuộc loại bán dẫn Si
• 4.5. Nghiên cứu tính chất vật lý của Si-NWs
• 4.6. Phân tích phổ tán xạ Raman của Si-NWs
• 4.7. Tính chất huỳnh quang của Si-NWs loại n
• 4.8. Tính chất huỳnh quang của Si-NWs loại p
• 4.9. Kết luận chương 4
• 5. CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU NANO TINH THỂ Ge TRONG NỀN VẬT LIỆU SiO2 CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ CA TỐT
• 5.1. Nghiên cứu chế tạo Ge-NCs
• 5.2. Nghiên cứu cấu trúc tinh thể của Ge-NCs
• 5.3. Nghiên cứu tính chất quang của Ge-NCs
• 5.4. Kết luận chương 5
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về vật liệu nano từ silicon và germanium

Vật liệu nano từ silicon (Si) và germanium (Ge) đã trở thành tâm điểm nghiên cứu trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Vật liệu nano có kích thước từ 1 đến 100 nm, cho thấy những tính chất độc đáo mà không thể đạt được ở kích thước lớn hơn. Si và Ge là hai loại bán dẫn phổ biến, có vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp vi điện tử. Chúng có tính chất quang học và điện tử đặc biệt, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong công nghệ nano. Việc nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu nano từ Si và Ge không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các tính chất vật lý mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực như năng lượng mặt trời, cảm biến và linh kiện điện tử.

1.1. Tính chất vật liệu nano

Tính chất của vật liệu nano từ Si và Ge phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và cấu trúc của chúng. Các nghiên cứu cho thấy rằng khi kích thước giảm xuống cấp độ nano, các tính chất như tính chất quang, tính chất điện và tính chất hóa học có sự thay đổi đáng kể. Ví dụ, vật liệu nano silicon có khả năng phát quang mạnh mẽ ở nhiệt độ phòng, mặc dù Si là một bán dẫn vùng cấm xiên. Điều này mở ra khả năng ứng dụng trong chế tạo các loại pin mặt trời hiệu suất cao. Hơn nữa, vật liệu nano germanium cũng cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát triển các linh kiện điện tử mới, nhờ vào tính chất điện tử vượt trội của nó.

II. Phương pháp chế tạo vật liệu nano

Việc chế tạo vật liệu nano từ Si và Ge có thể thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau. Các phương pháp phổ biến bao gồm bốc bay nhiệt theo cơ chế VLS (Vapor-Liquid-Solid), ăn mòn hóa học có hỗ trợ kim loại (MACE) và phún xạ. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến hình thái và tính chất của sản phẩm cuối cùng. Phương pháp bốc bay nhiệt cho phép tạo ra các dây nano silicon với độ tinh khiết cao, trong khi phương pháp MACE có thể tạo ra các hạt nano germanium với kích thước đồng đều. Việc lựa chọn phương pháp chế tạo phù hợp là rất quan trọng để đạt được các tính chất mong muốn của vật liệu nano.

2.1. Phương pháp bốc bay nhiệt

Phương pháp bốc bay nhiệt theo cơ chế VLS là một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất để chế tạo vật liệu nano silicon. Kỹ thuật này sử dụng sự bay hơi của vật liệu trong môi trường khí mang, sau đó ngưng tụ lại để hình thành các cấu trúc nano. Nghiên cứu cho thấy rằng các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và thời gian bốc bay có ảnh hưởng lớn đến hình thái và kích thước của dây nano. Kết quả từ các thí nghiệm cho thấy rằng việc điều chỉnh các tham số này có thể tạo ra các dây nano silicon với các tính chất quang học và điện tử khác nhau, mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong công nghệ nano.

III. Tính chất quang và điện của vật liệu nano

Tính chất quang và điện của vật liệu nano từ Si và Ge là một trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu nano silicon có khả năng phát quang mạnh mẽ, đặc biệt là trong các ứng dụng năng lượng mặt trời. Vùng cấm của Si (1.12 eV) và Ge (0.67 eV) nằm trong vùng quang phổ chính của mặt trời, cho phép chúng được sử dụng trong chế tạo các loại pin mặt trời hiệu suất cao. Hơn nữa, vật liệu nano germanium cũng cho thấy khả năng dẫn điện tốt, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các linh kiện điện tử. Việc hiểu rõ các tính chất này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình chế tạo và ứng dụng của vật liệu nano trong thực tiễn.

3.1. Tính chất quang

Tính chất quang của vật liệu nano từ Si và Ge được nghiên cứu sâu rộng. Các mẫu hạt nano silicon cho thấy khả năng phát quang mạnh mẽ, với phổ phát xạ huỳnh quang rõ ràng. Điều này có thể được giải thích bởi sự giam cầm lượng tử, nơi mà các electron bị giới hạn trong không gian nhỏ, dẫn đến sự thay đổi trong các mức năng lượng. Nghiên cứu cho thấy rằng kích thước và hình dạng của hạt nano ảnh hưởng đến cường độ phát quang, mở ra khả năng ứng dụng trong các thiết bị quang học và cảm biến. Hơn nữa, việc nghiên cứu tính chất quang của vật liệu nano germanium cũng cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát triển các ứng dụng quang học mới.