Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất màng mỏng ZnO

Luận án tiến sĩ phân tích hus nghiên cứu chế tạo và khảo sát một số tính chất của màng mỏng trên cơ sở zno và khả năng ứng, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng

• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát một số tính chất của màng mỏng trên cơ sở ZnO và khả năng ứng dụng của chúng
• Loại tài liệu: Luận án
• Năm xuất bản: 2001 - 2005
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN ZnO
• 1.1. CẤU TRÚC TINH THỂ ZnO
• 1.2. CẤU TRÚC MẠNG LẬP PHẲNG ĐƠN GIẢN KIỂU NaCl
• 1.3. CẤU TRÚC MẠNG LẬP PHẲNG GIỮA KIỂU SPHALERITE
• 1.4. CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG CỦA ZnO
• 2. CHƯƠNG 2: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG VÀ CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
• 3. CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ ĐẾN TÍNH CHẤT CẤU TRÚC CỦA MÀNG ZnO TINH KHIẾT VÀ ZnO PHA TẠP
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH CHẤT ĐIỆN, TỪ, QUANG VÀ HUỲNH QUANG CỦA MÀNG ZnO TINH KHIẾT VÀ ZnO PHA TẠP
• 5. CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CẢM BIẾN NHẠY KHÍ HYDRO TRÊN CƠ SỞ MÀNG ZnO Ở NHIỆT ĐỘ PHÒNG
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo màng mỏng ZnO

Màng mỏng ZnO (Oxit kẽm) là một trong những vật liệu bán dẫn quan trọng trong công nghệ nano và quang học. Với tính chất quang điện tốt, màng mỏng ZnO đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu. Nghiên cứu này sẽ trình bày tổng quan về cấu trúc, tính chất và ứng dụng của màng mỏng ZnO trong các lĩnh vực khác nhau.

1.1. Cấu trúc và tính chất của màng mỏng ZnO

Màng mỏng ZnO có cấu trúc tinh thể dạng wurtzite và lục phương, với các tính chất quang điện nổi bật. Tính chất quang học của ZnO bao gồm khả năng hấp thụ ánh sáng và phát quang, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong quang học và điện tử.

1.2. Lịch sử nghiên cứu màng mỏng ZnO

Nghiên cứu về màng mỏng ZnO bắt đầu từ những năm 1930, nhưng chỉ thực sự phát triển mạnh mẽ trong những thập kỷ gần đây. Các phương pháp chế tạo như sol-gel, sputtering và MBE đã được áp dụng để tạo ra màng mỏng ZnO với chất lượng cao.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu màng mỏng ZnO

Mặc dù màng mỏng ZnO có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong quá trình chế tạo và ứng dụng. Các vấn đề như độ tinh khiết, độ dày đồng nhất và tính ổn định của màng mỏng cần được giải quyết để nâng cao hiệu suất của vật liệu này.

2.1. Độ tinh khiết và tạp chất trong màng mỏng ZnO

Độ tinh khiết của màng mỏng ZnO ảnh hưởng lớn đến tính chất quang điện của nó. Sự hiện diện của tạp chất có thể làm giảm hiệu suất quang học và điện tử, do đó cần có các phương pháp kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt trong quá trình chế tạo.

2.2. Độ dày và đồng nhất của màng mỏng

Độ dày của màng mỏng ZnO cần được kiểm soát chính xác để đảm bảo tính đồng nhất và hiệu suất quang học. Các phương pháp chế tạo khác nhau có thể dẫn đến sự khác biệt về độ dày và tính chất của màng mỏng.

III. Phương pháp chế tạo màng mỏng ZnO hiệu quả

Có nhiều phương pháp chế tạo màng mỏng ZnO, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và tính chất của màng mỏng.

3.1. Phương pháp sol gel trong chế tạo màng mỏng ZnO

Phương pháp sol-gel là một trong những phương pháp phổ biến để chế tạo màng mỏng ZnO. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt về độ dày và tính chất quang học của màng mỏng thông qua các điều kiện phản ứng.

3.2. Phương pháp sputtering trong chế tạo màng mỏng ZnO

Phương pháp sputtering cũng được sử dụng rộng rãi để chế tạo màng mỏng ZnO. Phương pháp này có khả năng tạo ra màng mỏng với độ dày đồng nhất và tính chất quang học tốt, nhưng yêu cầu thiết bị phức tạp hơn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của màng mỏng ZnO

Màng mỏng ZnO có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như điện tử, quang học và cảm biến. Tính chất quang điện của ZnO làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các thiết bị quang học và điện tử.

4.1. Ứng dụng trong cảm biến quang học

Màng mỏng ZnO được sử dụng trong các cảm biến quang học nhờ vào khả năng phát quang và hấp thụ ánh sáng. Các cảm biến này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y tế, môi trường và công nghiệp.

4.2. Ứng dụng trong thiết bị điện tử

Màng mỏng ZnO cũng được sử dụng trong các thiết bị điện tử như transistor và diode. Tính chất bán dẫn của ZnO cho phép nó hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng điện tử.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu màng mỏng ZnO

Nghiên cứu về màng mỏng ZnO đang ngày càng phát triển với nhiều ứng dụng tiềm năng. Tương lai của vật liệu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong công nghệ quang học và điện tử.

5.1. Triển vọng nghiên cứu màng mỏng ZnO

Với những tính chất vượt trội, màng mỏng ZnO có tiềm năng lớn trong nghiên cứu và phát triển công nghệ mới. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện chất lượng và hiệu suất của màng mỏng.

5.2. Hướng đi mới trong ứng dụng màng mỏng ZnO

Các ứng dụng mới của màng mỏng ZnO trong lĩnh vực năng lượng và cảm biến đang được nghiên cứu. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm công nghệ cao trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Sự bùng nổ của công nghệ thông tin và truyền thông quang học trong kỷ nguyên số đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nâng cao tốc độ xử lý và dung lượng lưu trữ của các hệ thống máy tính. Ngành vi điện tử truyền thống dựa trên sự chuyển động thuần túy của điện tử đã dần tiếp cận các giới hạn vật lý và lý thuyết về tốc độ truyền tải cũng như mật độ tích hợp [11]. Để vượt qua rào cản này, hướng đi mang tính bước ngoặt là khai thác sự tương tác mật thiết giữa quá trình chuyển động của điện tử và photon trong chất bán dẫn thông qua các hiện tượng quang điện tử [5, 13], đặt nền móng cho kỹ thuật quang tích hợp (integrated photonics) trên chip tương tự như mạch vi điện tử (IC). Nền tảng cốt lõi của bước đột phá công nghệ này bắt nguồn từ việc làm chủ các vật liệu quang điện tử tiên tiến, đặc biệt là các hợp chất bán dẫn nhóm $A^{II}B^{VI}$.

Trong số các vật liệu bán dẫn $A^{II}B^{VI}$, kẽm oxit ($\text{ZnO}$) nổi lên như một đối tượng nghiên cứu chiến lược nhờ sở hữu độ rộng vùng cấm thẳng lớn ($E_g \approx 3,3\text{ eV}$ ở nhiệt độ phòng), năng lượng liên kết exciton tự do đặc biệt cao ($60\text{ meV}$), độ bền cơ học - nhiệt vượt trội (nhiệt độ nóng chảy đạt xấp xỉ $1973^\circ\text{C}$), cùng hiệu suất lượng tử phát quang có khả năng đạt xấp xỉ $100%$ [1, 12]. Tuy nhiên, màng mỏng $\text{ZnO}$ chế tạo trong thực tế thường có độ dẫn không ổn định do tồn tại các sai hỏng tự nhiên (nút khuyết oxy $V_O$, nguyên tử kẽm điền kẽ $\text{Zn}_i$), khó kiểm soát độ hợp thức, cơ chế phát quang vùng nhìn thấy còn nhiều tranh cãi, và việc pha tạp định hướng chức năng (như pha tạp kim loại nhóm III để tạo màng dẫn điện trong suốt hoặc pha tạp kim loại chuyển tiếp 3d để tạo bán dẫn từ pha loãng) đòi hỏi quy trình công nghệ chế tạo cực kỳ nghiêm ngặt.

Luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu chế tạo và khảo sát một số tính chất của màng mỏng trên cơ sở $\text{ZnO}$ và khả năng ứng dụng của chúng" của nghiên cứu sinh được thực hiện trong giai đoạn 5 năm (2001 - 2005) tại hệ thống phòng thí nghiệm liên kết hiện đại thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội, Viện Khoa học Vật liệu (VAST), Viện Khoa học Hình sự (Bộ Công An) và Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (JAIST). Nghiên cứu tập trung giải quyết toàn diện mối quan hệ biện chứng giữa công nghệ chế tạo màng, cấu trúc vi mô, các quá trình kích thích - tái hợp quang học, tính chất điện, từ và khả năng ứng dụng thực tiễn của màng mỏng $\text{ZnO}$.

Các câu hỏi nghiên cứu cốt lõi được xác lập bao gồm:

• RQ1: Làm thế nào để kiểm soát độ hợp thức hóa học, hình thái vi cấu trúc và hướng ưu tiên phát triển mạng tinh thể của màng mỏng $\text{ZnO}$ khi sử dụng các phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý và hóa học khác nhau?
• RQ2: Cơ chế vật lý nào chi phối sự dịch chuyển bờ hấp thụ quang học (hiệu ứng Burstein-Moss) và sự suy giảm điện trở suất khi pha tạp kim loại nhóm III ($\text{Al}$) với nồng độ cao vào mạng nền $\text{ZnO}$?
• RQ3: Bản chất vi mô của tính chất sắt từ ở nhiệt độ phòng trong màng $\text{ZnO}$ pha tạp kim loại chuyển tiếp 3d ($\text{Co}$) là do tương tác trao đổi spin nội tại hay sự phân pha hạt nano kim loại?
• RQ4: Cấu trúc chuyển tiếp dị thể trên cơ sở màng $\text{ZnO}$ xúc tác kim loại quý ($\text{Pd}$) hoạt động theo cơ chế động học nào để phát hiện khí hydro ($\text{H}_2$) tại nhiệt độ phòng?

Hệ thống giả thuyết khoa học được kiểm chứng trong luận án:

• H1: Tinh chỉnh công nghệ phún xạ r.f magnetron với bia gốm tự chế tạo sẽ cho phép thu được màng $\text{ZnO}$ đơn pha có định hướng phát triển mạnh theo trục $c$ [0001], giảm thiểu triệt để mật độ sai hỏng sâu.
• H2: Pha tạp $\text{Al}$ vượt ngưỡng $10^{20}\text{ cm}^{-3}$ sẽ làm suy biến bán dẫn, đẩy mức Fermi sâu vào vùng dẫn và mở rộng độ rộng vùng cấm quang học lên xấp xỉ $3,5\text{ eV}$, tạo ra màng dẫn điện trong suốt (TCO) có điện trở suất đạt cấp $10^{-4}\ \Omega\cdot\text{cm}$ và độ truyền qua $T > 80%$.
• H3: Sự thay thế đồng hình của ion $\text{Co}^{2+}$ ($r = 0,72\text{ \AA}$) vào vị trí nút mạng $\text{Zn}^{2+}$ ($r = 0,74\text{ \AA}$) trong cấu trúc wurtzite sẽ thiết lập trật tự sắt từ ổn định ở nhiệt độ phòng dưới từ trường cực đại $13,5\text{ kOe}$.
• H4: Chuyển tiếp dị thể $\text{Pd}/\text{ZnO}/p\text{-Si}$ sẽ thể hiện độ nhạy biến thiên điện trở mạnh mẽ dưới tác động của khí $\text{H}_2$ ở nồng độ thấp hơn nhiều so với giới hạn cháy nổ ($4%$ thể tích) ngay tại điều kiện nhiệt độ phòng.

Về quy mô và tác động định lượng, nghiên cứu đã tối ưu hóa 4 phương pháp chế tạo màng mỏng, khảo sát phổ quang huỳnh quang trong dải nhiệt độ siêu rộng từ $11\text{ K}$ đến $300\text{ K}$, chế tạo thành công màng $\text{ZnO:Al}$ có điện trở suất thấp đạt $4\times 10^{-3} - 5\times 10^{-4}\ \Omega\cdot\text{cm}$ với mật độ hạt tải đạt trên $2,6\times 10^{20}\text{ cm}^{-3}$ và độ linh động Hall từ $5,78 - 13,11\text{ cm}^2\text{V}^{-1}\text{s}^{-1}$, cung cấp giải pháp vật liệu thay thế màng ITO truyền thống với chi phí sản xuất dự toán giảm hơn $40%$.

---

Literature Review và Positioning

Khảo sát tổng quan y văn quốc tế cho thấy vật liệu bán dẫn $\text{ZnO}$ đã thu hút sự quan tâm sâu sắc qua nhiều giai đoạn phát triển của vật lý chất rắn. Các nghiên cứu kinh điển về cấu trúc dải năng lượng của Birman [12] và Thomas [12] đã chỉ ra rằng $\text{ZnO}$ sở hữu cấu trúc đối xứng lục giác wurtzite nhóm không gian $C_{6v}^4 - P6_3mc$, trong đó tương tác trường tinh thể và tương tác spin-quỹ đạo làm tách vùng hóa trị thành ba phân vùng đối xứng $\Gamma_9(A)$, $\Gamma_7(B)$ và $\Gamma_7(C)$ với các mức năng lượng cách đáy vùng dẫn lần lượt là $3,370\text{ eV}$, $3,378\text{ eV}$ và $3,471\text{ eV}$ tại nhiệt độ $T = 77\text{ K}$.

Lý thuyết về chuẩn hạt exciton và các phức hợp exciton liên kết được phát triển từ các mô hình nền tảng của Lampert [154], Hopfield [81] và Haynes [77]. Các tác giả đã chứng minh rằng khi tỷ số khối lượng hiệu dụng của lỗ trống và điện tử $m_h^/m_e^ \ge 1,4$, phức hợp exciton liên kết với ion donor trung hòa ($D^0X$) hoặc ion donor tích điện ($D^+X$) có trạng thái liên kết cực kỳ bền vững, tuân theo quy tắc thực nghiệm Haynes với năng lượng liên kết $E[D^0X] \approx 0,2 E_D$. Đối với $\text{ZnO}$, do năng lượng liên kết exciton tự do đạt tới $60\text{ meV}$—lớn hơn nhiều so với năng lượng nhiệt tại nhiệt độ phòng ($k_B T \approx 25,9\text{ meV}$) và bán kính Bohr exciton đạt $a_b = 21,0\text{ \AA}$ [178]—vật liệu này cho phép duy trì các quá trình phát xạ exciton hiệu suất cao mà không bị phân ly do dao động nhiệt.

                  +----------------------------------------------+
                  |  Cấu trúc dải năng lượng ZnO (Wurtzite)      |
                  |  CB (Vùng dẫn): Đối xứng Gamma_7             |
                  +----------------------------------------------+
                                         |
                       Bờ hấp thụ Eg ≈ 3.3 eV (Direct Gap)
                                         |
                  +----------------------------------------------+
                  |  VB (Vùng hóa trị): Bị tách bởi trường tinh  |
                  |  thể và tương tác Spin - Quỹ đạo:            |
                  |  - Phân vùng Gamma_9 (A): 3.370 eV           |
                  |  - Phân vùng Gamma_7 (B): 3.378 eV           |
                  |  - Phân vùng Gamma_7 (C): 3.471 eV           |
                  +----------------------------------------------+
                                         |
            +----------------------------+----------------------------+
            |                                                         |
+-----------------------+                                 +-----------------------+
|  Phát quang Exciton   |                                 |  Phát xạ mức sâu      |
|  UV (λ ≈ 380 nm)      |                                 |  (Deep-Level Emission)|
|  - Tự do: FX          |                                 |  - Xanh: 500-510 nm   |
|  - Liên kết: D^0X, A^0X|                                |    (Vo, Zni)          |
|  - Lặp phonon LO      |                                 |  - Da cam: 620 nm     |
|    (ℏω_LO ≈ 72 meV)   |                                 |  - Đỏ: 650-663 nm     |
+-----------------------+                                 +-----------------------+

Mặc dù có nhiều công bố quốc tế, y văn vẫn tồn tại các cuộc tranh luận học thuật sâu sắc:

1. Bản chất của dải phát quang màu xanh (Green Emission, $500 - 510\text{ nm}$): Trường phái của S. Cho, Bagnall [28, 45] và Reynolds [145] cho rằng dải xanh rộng và tù bắt nguồn từ sự tái hợp của hạt tải tại các nút khuyết oxy ($V_O$), trong khi nhóm nghiên cứu của Klingshirn [99] và Lin [108] lại lập luận rằng các nguyên tử kẽm điền kẽ ($\text{Zn}_i$) hoặc phức hợp sai hỏng bề mặt mới là tâm bẫy chính.
2. Nguồn gốc tính sắt từ trong bán dẫn từ pha loãng (DMS): Dự đoán lý thuyết của Dietl và cộng sự về tính sắt từ nhiệt độ phòng trong $\text{ZnO}$ pha tạp $3d$ (như $\text{Mn}, \text{Co}, \text{Fe}$) đã dẫn đến hai luồng quan điểm đối lập: một bên khẳng định trật tự sắt từ xuất phát từ tương tác trao đổi $s-d, p-d$ gián tiếp qua hạt tải tự do (cơ chế RKKY cải biên), bên khác cho rằng từ tính đo được là do sự kết tụ vi mô của các cụm cluster kim loại chuyển tiếp hoặc pha tạp chất thứ cấp.
3. Đặc trưng chuyển pha cấu trúc dưới áp suất: Nghiên cứu cân bằng pha tinh thể giữa pha bền wurtzite ($B4$) và pha giả bền rocksalt ($B1$, nhóm không gian $Fm\bar{3}m$, $a = 4,27\text{ \AA}$) cho thấy sự chuyển pha diễn ra ở áp suất ngưỡng xấp xỉ $6\text{ GPa}$ kèm theo sự co rút thể tích khoảng $17%$ [24, 87, 99].

So sánh với các công bố quốc tế điển hình:

• Nghiên cứu của Bagnall và cộng sự [28] sử dụng phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE) trên đế sapphire đạt ngưỡng phát xạ laser kích thích tại nhiệt độ phòng là $240\text{ kW/cm}^2$, trong khi Cho và cộng sự [48] chế tạo màng bằng phương pháp oxy hóa màng kẽm ở $1000^\circ\text{C}$ có ngưỡng phát xạ laser lên tới $9\text{ MW/cm}^2$.
• Công trình của Sayago và cộng sự [70, 144] chế tạo linh kiện sóng âm bề mặt (SAW) với 72 cặp điện cực cài răng lược trên cấu trúc $\text{ZnO}/2\mu\text{m}/\text{SiO}_2\text{-Si}$ đạt tổn hao đầu vào $21\text{ dB}$ ở tần số cộng hưởng $207\text{ MHz}$ và vận tốc âm $4160\text{ m/s}$.

Vị thế học thuật của luận án được xác lập thông qua việc so sánh đối chuẩn trực tiếp 4 công nghệ chế tạo (phún xạ r.f magnetron, bốc bay nhiệt chân không axetat kẽm, phun tĩnh điện dung dịch và oxy hóa màng kim loại $\text{Zn}$), giải quyết triệt để vấn đề đồng nhất công nghệ và kiểm soát sai hỏng cấu trúc để tối ưu hóa đồng thời tính chất quang - điện - từ trên cùng một hệ vật liệu.

---

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đã mở rộng và hoàn thiện các mô hình lý thuyết vật lý chất rắn áp dụng cho hệ màng mỏng bán dẫn oxit có độ rộng vùng cấm lớn:

1. Mở rộng lý thuyết tương tác Exciton - Tạp chất: Luận án vận dụng xuất sắc phương trình năng lượng exciton dạng nguyên tử hydro của Wannier-Mott: $$E_{exc}^{(n)} = -\frac{\Delta E_H}{\varepsilon_r^2} \frac{m_{exc}^}{m_0} \frac{1}{n^2} = -13,6 \times \frac{m_{exc}^}{\varepsilon_r^2 m_0 n^2} \quad (\text{eV})$$ với khối lượng hiệu dụng exciton rút gọn $m_{exc}^* = (m_e^* m_h^)/(m_e^ + m_h^*)$. Kết hợp với việc tính toán bước sóng dịch chuyển phonon quang học dọc (LO phonon replica, năng lượng $\hbar\omega_{LO} \approx 72\text{ meV}$) theo mô hình tọa độ cấu hình: $$h\nu = E_g - E_{exc} - m E_p$$ (với $m$ là số phonon quang học phát ra), nghiên cứu đã làm sáng tỏ bản chất của các vạch phổ huỳnh quang phát xạ exciton tự do ($FX$) và exciton liên kết ($D^0X$) ở dải nhiệt độ $11 - 300\text{ K}$.
2. Kiểm chứng quy luật dịch chuyển Burstein-Moss: Đối với màng $\text{ZnO}$ pha tạp $\text{Al}$ nồng độ cao ($> 10^{20}\text{ cm}^{-3}$), bán dẫn trở nên suy biến với mức Fermi $E_F^$ nằm sâu trong vùng dẫn. Chuyển dịch quang học trực tiếp từ vùng hóa trị lên vùng dẫn đòi hỏi năng lượng photon: $$h\nu_0 = E_g + (E_F^ - E_c)$$ Luận án đã mô hình hóa định lượng sự mở rộng vùng cấm quang học từ $3,24\text{ eV}$ lên tới gần $3,50\text{ eV}$ tỷ lệ thuận với căn bậc hai phần ba của nồng độ hạt tải ($n_e^{2/3}$).
3. Cơ chế tái hợp bức xạ chi tiết Van Roosbroeck - Shockley: Vận dụng nguyên lý cân bằng chi tiết để mô hình hóa tốc độ tái hợp bức xạ $R$ và dạng phổ quang huỳnh quang không suy biến: $$I(h\nu) \sim I_0 \exp\left(-\frac{h\nu - E_g}{k_B T}\right)$$ giải thích định lượng hiện tượng mở rộng phổ về phía năng lượng cao khi nhiệt độ đo tăng từ $11\text{ K}$ lên $300\text{ K}$.

Hệ thống mệnh đề lý thuyết (Theoretical Propositions) được xác lập:

• Proposition 1: Tỷ số cường độ tích phân giữa vạch bức xạ UV cận bờ hấp thụ ($I_{UV}$) và dải bức xạ mức sâu ($I_{Deep}$) là hàm đơn điệu phản ánh nghịch đảo mật độ sai hỏng mạng $V_O$ và $\text{Zn}_i$.
• Proposition 2: Sự suy giảm điện trở suất trong màng $\text{ZnO}$ pha tạp $\text{Al}$ bị giới hạn bởi cơ chế tán xạ biên hạt khi kích thước hạt tinh thể $D < 50\text{ nm}$ và chuyển sang tán xạ ion tạp chất ion hóa khi nồng độ hạt tải $n > 10^{20}\text{ cm}^{-3}$.
• Proposition 3: Tính chất sắt từ trong màng $\text{ZnO:Co}$ hình thành từ sự phân bố ngẫu nhiên của các ion $\text{Co}^{2+}$ thay thế tại các nút mạng kẽm tạo ra tương tác siêu trao đổi gián tiếp thông qua các orbital lai hóa $p-d$ của mạng nền.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp đa chiều 4 lý thuyết vật lý nền tảng:

1. Lý thuyết dải năng lượng và nhiễu loạn trường tinh thể (Birman - Thomas Model).
2. Lý thuyết tương tác Coulomb exciton - tâm tạp chất (Haynes - Lampert Rules).
3. Động học tái hợp không cân bằng nhiệt động (Van Roosbroeck - Shockley Theory).
4. Lý thuyết truyền dẫn hạt tải trong màng mỏng đa tinh thể (Seto's Grain Boundary Scattering Model).

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                           KHUNG PHÂN TÍCH ĐA CHIỀU CỦA LUẬN ÁN                    |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|  [Quy trình công nghệ]                                                            |
|  - Phún xạ r.f magnetron (13.56 MHz, Univex-450)                                  |
|  - Bốc bay nhiệt axetat kẽm (B30) / Oxy hóa Zn / Phun tĩnh điện (18 kV)          |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
                                         |
                                         v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|  [Đặc trưng cấu trúc vi mô & Thành phần]                                          |
|  - XRD (Siemens D5005): Định luật Bragg 2d sinθ = nλ, pha Wurtzite c-axis [0001] |
|  - SEM (JSM 5410LV) & AFM: Hình thái hạt, độ gồ ghề bề mặt (0.1 nm / 0.01 nm)     |
|  - EDS (ISIS 300) & micro-Raman (LABRAM-1B): Dao động mạng E2, A1(LO), E1(TO)    |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
                                         |
                                         v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|  [Cơ chế vật lý & Tương tác vi mô]                                                |
|  - Quang học (UV-3101PC, PL 11-300K): Exciton tự do, Exciton liên kết D^0X, LO-rep|
|  - Điện học (Hiệu ứng Hall): Dẫn điện n-type, Burstein-Moss shift (Eg -> 3.5 eV)  |
|  - Từ học (VSM DMS 880): Sắt từ nhiệt độ phòng, đường từ trễ đến 13.5 kOe        |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
                                         |
                                         v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|  [Định hướng ứng dụng đột phá]                                                    |
|  - Màng dẫn điện trong suốt (TCO): Pin mặt trời CuInSe2/ZnO (η ≈ 19%), Display    |
|  - Bán dẫn từ pha loãng (DMS): Thiết bị Spintronics tương lai                     |
|  - Cảm biến khí: Cấu trúc dị thể Pd/ZnO/p-Si phát hiện H2 ở nhiệt độ phòng        |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Điều kiện biên phân tích: Áp suất môi trường khí quyển, pha cấu trúc lục giác wurtzite ổn định, dải nhiệt độ khảo sát quang học $11\text{ K} - 300\text{ K}$, cường độ từ trường đo từ tính cực đại đạt $13,5\text{ kOe}$.

---

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án tuân thủ nghiêm ngặt quan điểm nhận thức luận thực chứng thực nghiệm (Positivist Experimental Paradigm), kết hợp phương pháp đối chuẩn công nghệ đa nhánh (Multi-method comparative design). Thiết kế nghiên cứu kết hợp giữa kiểm soát điều kiện biên công nghệ và phân tích vật lý lượng tử thực nghiệm trên các thiết bị phân tích tiêu chuẩn quốc tế.

Các phương pháp chế tạo màng được triển khai song song:

1. Phún xạ r.f magnetron: Sử dụng hệ Univex-450 (Leybold, Đức) hoạt động ở tần số vô tuyến tiêu chuẩn $f = 13,56\text{ MHz}$. Nguồn r.f kết hợp hộp phối hợp trở kháng và tụ điện $C$ tạo hiệu ứng tự thiên áp âm bẫy ion $\text{Ar}^+$. Bia phún xạ là gốm $\text{ZnO}$ sạch và gốm tổ hợp pha tạp $\text{Al}_2\text{O}_3$ hoặc $\text{CoO}$ do tác giả tự chế tạo theo công thức tính toán diện tích bề mặt phân đoạn hình dẻ quạt đối xứng tâm: $$\frac{n_R}{n_T} = \frac{S_R \cdot \eta_R}{S_T \cdot \eta_T}$$
2. Bốc bay nhiệt trong chân không: Hệ Univex-300 và B30 (Đức) với độ chân không cao $10^{-5}\text{ Torr}$, nhiệt độ đế $350 - 500^\circ\text{C}$, sử dụng phản ứng nhiệt phân axetat kẽm: $$\text{Zn}(\text{CH}_3\text{COO})_2 \xrightarrow{t^\circ} \text{ZnO} + \text{CO}_2 \uparrow + \text{CH}_3\text{COCH}_3 \uparrow$$
3. Phun tĩnh điện (Electrostatic Spray Deposition): Thiết lập điện trường cao áp một chiều $18\text{ kV}$ giữa đầu kim phun vonfram và đế nung nhiệt để phân tán chùm hạt sương mù tích điện siêu mịn, phản ứng tạo màng thông qua hợp chất trung gian $\text{Zn}_4\text{O}(\text{CH}_3\text{COO})_6$.
4. Oxy hóa nhiệt màng kim loại $\text{Zn}$: Lắng đọng màng $\text{Zn}$ nguyên chất sau đó ủ nhiệt trong môi trường dòng khí $\text{O}_2$ tinh khiết ở nhiệt độ cao.

+------------------------------------------------------------------------------------+
|                MA TRẬN HỆ THỐNG THIẾT BỊ VÀ THÔNG SỐ KHẢO SÁT                       |
+--------------------------+------------------------------+--------------------------+
| Thiết bị / Kỹ thuật      | Hãng sản xuất / Quốc gia     | Thông số kỹ thuật chính  |
+--------------------------+------------------------------+--------------------------+
| Nhiễu xạ tia X (XRD)     | Siemens D5005, Bruker (Đức)  | Quét góc tới nhỏ (< 5°), |
|                          |                              | cấu hình Bragg-Brentano  |
| Kính hiển vi SEM         | JSM 5410LV, JEOL (Nhật Bản)  | Điện áp gia tốc cao,     |
|                          |                              | độ phân giải micro-nano  |
| Hiển vi lực nguyên tử AFM| Thiết bị tiêu chuẩn (Nhật)   | Phân giải ngang 0.1 nm,  |
|                          |                              | phân giải đứng 0.01 nm   |
| Phổ tán sắc năng lượng   | ISIS 300, Oxford (Anh)       | Định lượng tỷ lệ O/Zn,   |
| EDS                      |                              | nồng độ tạp Al, Co       |
| Phổ vi Raman (micro-Raman| LABRAM-1B, Jobin Yvon (Mỹ) / | Laser He-Ne 632.8 nm,    |
|                          | Olympus BX40                 | vết hội tụ D ≈ 0.86 µm   |
| Phân tích nhiệt đồng thời| SDT 2960, TA Instruments (Mỹ)| Khảo sát chuyển pha,     |
| TG/DTA                   |                              | hiệu ứng nhiệt vi sai    |
| Quang phổ hấp thụ UV-Vis | UV-3101PC, Shimadzu (Nhật)   | Dải phổ 190 - 3200 nm,   |
|                          |                              | độ truyền qua T(%)       |
| Phổ huỳnh quang (PL)     | FL3-22, Jobin Yvon Spex (Mỹ) | Nhiệt độ cryogenic       |
|                          |                              | 11 K - 300 K             |
| Từ kế mẫu rung (VSM)     | DMS 880, Digital Measurement | Từ trường ngoài tới      |
|                          | Systems (Mỹ)                 | 13.5 kOe                 |
| Đo bề dày màng mỏng      | Dao động tinh thể thạch anh  | Giám sát in-situ tốc độ  |
|                          | tích hợp trong buồng chân    | lắng đọng pha hơi        |
|                          | không                        |                          |
+--------------------------+------------------------------+--------------------------+

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thực nghiệm được chuẩn hóa nhằm triệt tiêu các sai số hệ thống:

• Chuẩn bị đế và làm sạch bề mặt: Đế thủy tinh thường, thạch anh và phiến silic phủ $\text{SiO}_2$ được tẩy rửa siêu âm tuần tự qua dung môi hữu cơ (trichloroethylene, acetone, ethanol) và nước khử ion điện trở kháng $18\text{ M}\Omega\cdot\text{cm}$, sau đó sấy khô bằng dòng khí $\text{N}_2$ siêu sạch.
• Kỹ thuật đo nhiễu xạ tia X góc tới nhỏ (GIXRD): Nhằm khắc phục hạn chế về thể tích tương tác nhỏ của màng mỏng, chùm tia X đơn sắc được chiếu xiên góc lướt $\alpha < 5^\circ$ cố định, đầu thu detector quay trên giác kế vòng tròn $2\theta$. Khi giảm góc tới $\alpha$ xuống dưới $1^\circ$, quãng đường tia X truyền trong màng tăng gấp 100 lần so với phép đo đối xứng thông thường, nâng cao đột biến tỷ số tín hiệu trên nhiễu ($S/N$).
• Phép đo quang huỳnh quang dải nhiệt độ thấp ($11 - 300\text{ K}$): Mẫu được đặt trong buồng lạnh heli tuần hoàn khép kín, sử dụng nguồn kích thích laser tử ngoại bước sóng ngắn, thu tín hiệu qua cách xạ đơn sắc kép và detector quang điện nhân tử có độ nhạy cực cao. Phương pháp này cho phép nhận biết các mức tạp nông có năng lượng ion hóa chỉ vài $\text{meV}$ mà không cần tạo tiếp xúc điện cực phá hủy mẫu.
• Xác định hệ số phẩm chất màng dẫn điện trong suốt ($F$): $$F = \frac{1}{\rho \cdot \ln(1/T)} = -\frac{1}{\rho \cdot \ln T}$$ trong đó $\rho$ là điện trở suất khối ($\Omega\cdot\text{cm}$) và $T$ là độ truyền qua trung bình trong vùng ánh sáng nhìn thấy.

Data và phân tích

Số liệu thực nghiệm được xử lý bằng các mô hình toán lý chuyên sâu:

• Xác định độ hợp thức hóa học thông qua phổ quang điện tử tia X (XPS) theo tỷ số cường độ tích phân diện tích đỉnh: $$R_{\text{O/Zn}} = \frac{(I_{\text{O1s}} / I_{\text{Zn3s}}){\text{mẫu}}}{(I{\text{O1s}} / I_{\text{Zn3s}})_{\text{đơn tinh thể ZnO}}}$$ Kết quả cho thấy tỷ số $\text{O/Zn}$ biến thiên từ $0,83$ đến $0,99$ phụ thuộc tuyến tính vào áp suất riêng phần khí $\text{O}2$ trong buồng phún xạ (đạt độ hợp thức gần lý tưởng $0,99$ khi $P{\text{O}_2} > 7,5\times 10^{-4}\text{ Torr}$).
• Tính toán kích thước tinh thể trung bình $D$ theo công thức Scherrer từ độ mở rộng bán cực đại (FWHM) của đỉnh nhiễu xạ (0002): $$D = \frac{0,9 \lambda}{\beta \cos\theta}$$
• Phân tích phổ micro-Raman với độ phân giải không gian giới hạn bởi khẩu độ số của vật kính hiển vi ($NA = 0,9$): $$D_{\text{laser}} = 1,22 \frac{\lambda_0}{NA} = 1,22 \times \frac{632,8\text{ nm}}{0,9} \approx 0,86\ \mu\text{m}$$ cho phép định vị chính xác các mode dao động quang học tích cực Raman của mạng wurtzite: mode không phân cực $E_2$ (gồm $E_2^{\text{low}} \approx 101\text{ cm}^{-1}$ và $E_2^{\text{high}} \approx 437\text{ cm}^{-1}$ đặc trưng cho cấu trúc tinh thể hoàn hảo) cùng các mode phân cực $A_1(\text{TO}), A_1(\text{LO}), E_1(\text{TO}), E_1(\text{LO})$.

---

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Khống chế thành công hướng phát triển tinh thể ưu tiên dọc trục $c$ [0001] bằng phún xạ r.f magnetron: Phổ XRD xác nhận các màng $\text{ZnO}$ lắng đọng ở điều kiện tối ưu thể hiện duy nhất đỉnh phản xạ sắc nét (0002) tại góc $2\theta \approx 34,4^\circ$, minh chứng màng có cấu trúc đa tinh thể với trục quang học vuông góc tuyệt đối với bề mặt đế. Bề mặt màng quan sát qua AFM có độ nhẵn cao, độ gồ ghề trung bình bình phương (RMS) dưới $2\text{ nm}$.
2. Làm chủ công nghệ chế tạo màng TCO $\text{ZnO:Al}$ hiệu năng vượt bậc: Khi pha tạp $\text{Al}$ từ bia gốm tự chế tạo, điện trở suất của màng giảm mạnh từ mức điện môi thuần xuống $4\times 10^{-3} - 5\times 10^{-4}\ \Omega\cdot\text{cm}$, mật độ hạt tải tự do đạt ngưỡng suy biến $2,6\times 10^{20}\text{ cm}^{-3}$, độ linh động Hall đạt $13,11\text{ cm}^2\text{V}^{-1}\text{s}^{-1}$, độ truyền qua quang học trong vùng nhìn thấy ($400 - 800\text{ nm}$) duy trì trên $80%$. Bờ hấp thụ dịch chuyển xanh mạnh mẽ (dịch Burstein-Moss) mở rộng vùng cấm quang học từ $3,24\text{ eV}$ lên xấp xỉ $3,50\text{ eV}$.
3. Phát hiện và khẳng định trật tự sắt từ nhiệt độ phòng trên màng $\text{ZnO:Co}$: Phép đo từ kế mẫu rung (VSM) trên hệ DMS 880 xác lập đường cong từ trễ rõ nét ở nhiệt độ phòng với từ trường ngoài bão hòa lên tới $13,5\text{ kOe}$. Phổ micro-Raman và EDS khẳng định ion $\text{Co}^{2+}$ thay thế đồng hình vị trí của ion $\text{Zn}^{2+}$ mà không hình thành các pha kết tụ kim loại cobalt ($\text{Co}$) hay pha oxit thứ cấp ($\text{Co}_3\text{O}_4$, $\text{CoO}$), mở ra tiềm năng ứng dụng đột phá trong lĩnh vực spintronics.
4. Giải mã động học phổ quang huỳnh quang (PL) từ $11\text{ K}$ đến nhiệt độ phòng: Tại $11\text{ K}$, phổ PL màng $\text{ZnO}$ chất lượng cao bị chi phối bởi đỉnh phát xạ exciton liên kết với donor trung hòa ($D^0X$) tại bước sóng $\sim 369\text{ nm}$ với độ rộng bán cực đại FWHM cực hẹp ($\approx 23\text{ meV}$), kèm theo các đỉnh lặp phonon quang học LO rõ rệt. Dải bức xạ mức sâu vùng xanh ($500 - 510\text{ nm}$) bị triệt tiêu hoàn toàn ở các màng có độ hợp thức cao, chứng minh trực tiếp rằng bức xạ vùng xanh có nguồn gốc từ sai hỏng nút khuyết oxy ($V_O$).
5. Chế tạo thành công cảm biến khí hydro hoạt động tại nhiệt độ phòng: Cấu trúc chuyển tiếp dị thể $\text{Pd}/\text{ZnO}/p\text{-Si}$ và $\text{Pd}/\text{ZnO}/\text{Zn}$ cho thấy sự biến đổi thế tiếp xúc và độ dẫn điện tức thời khi tiếp xúc với dòng khí $\text{H}_2$ nồng độ thấp ($< 4%$) ngay tại nhiệt độ phòng ($300\text{ K}$), giải quyết triệt để nhược điểm phải gia nhiệt lên $300 - 400^\circ\text{C}$ của các loại cảm biến oxit bán dẫn truyền thống như $\text{SnO}_2$.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               BẢNG TỔNG HỢP CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ĐỘT PHÁ CỦA MÀNG ZnO           |
+--------------------------+-----------------------+--------------------------------+
| Tính chất vật lý         | Màng ZnO sạch         | Màng ZnO pha tạp Al (AZO)      |
+--------------------------+-----------------------+--------------------------------+
| Cấu trúc mạng tinh thể   | Lục giác Wurtzite     | Lục giác Wurtzite              |
| Hướng ưu tiên phát triển | Trục c [0001] (0002)  | Trục c [0001] (0002)           |
| Độ rộng vùng cấm quang   | 3.24 - 3.36 eV        | Mở rộng lên ~3.50 eV           |
| học (Eg)                 |                       | (Burstein-Moss shift)          |
| Điện trở suất khối (ρ)   | > 10^2 Ω·cm (Điện môi)| 4×10^-3 - 5×10^-4 Ω·cm         |
| Nồng độ hạt tải (n)      | < 10^17 cm^-3         | > 2.6×10^20 cm^-3 (Suy biến)   |
| Độ linh động Hall (µH)   | 1 - 5 cm^2V^-1s^-1    | 5.78 - 13.11 cm^2V^-1s^-1      |
| Độ truyền qua quang học  | 70 - 95%              | > 80% trong vùng nhìn thấy     |
| Đặc trưng phát quang (PL)| Đỉnh UV 380 nm sắc nét| Dịch đỉnh hấp thụ về phía      |
|                          | FWHM ≈ 23 meV         | sóng ngắn                      |
| Tính chất từ / Cảm biến  | Nghịch từ thuần       | Thể hiện tính sắt từ khi pha Co|
|                          |                       | Nhạy khí H2 ở nhiệt độ phòng   |
+--------------------------+-----------------------+--------------------------------+

Implications đa chiều

• Về mặt lý thuyết: Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm toàn diện xác thực lý thuyết tái hợp exciton ở nhiệt độ cao trên bán dẫn vùng cấm rộng và củng cố cơ chế từ tính nội tại trong vật liệu oxit pha tạp bán dẫn từ pha loãng.
• Về mặt phương pháp luận: Chuẩn hóa quy trình công nghệ chế tạo bia gốm phân đoạn cho hệ phún xạ r.f magnetron, cho phép chế tạo màng hợp chất đa nguyên tố với tỷ lệ stechiometry chính xác tuyệt đối mà không cần sử dụng các nguồn khí tiền chất hữu cơ độc hại đắt tiền.
• Về mặt ứng dụng công nghiệp: Cung cấp quy trình công nghệ chế tạo lớp phát xạ UV cho diode phát quang (LEDs), lớp điện cực trong suốt cho pin mặt trời màng mỏng $\text{CuInSe}_2/\text{ZnO}$ (CIS) đạt hiệu suất gần $19%$, và lớp phủ phản xạ nhiệt hồng ngoại tiết kiệm năng lượng cho kính xây dựng cao cấp.
• Về mặt chính sách và môi trường: Đề xuất lộ trình công nghệ thay thế nguyên tố Indium đắt đỏ và độc hại trong màng ITO bằng vật liệu kẽm oxit dồi dào, thân thiện với môi trường, góp phần phát triển bền vững ngành công nghiệp bán dẫn tại Việt Nam.

---

Limitations và Future Research

Mặc dù đạt được những kết quả đột phá, luận án thẳng thắn thừa nhận các giới hạn kỹ thuật và phạm vi nghiên cứu:

1. Thách thức pha tạp bán dẫn loại $p$ bền vững: Do cơ chế tự bù trừ sai hỏng tự nhiên (nút khuyết oxy và kẽm điền kẽ luôn đóng vai trò donor tự nhiên), nồng độ lỗ trống trong vùng hóa trị thường rất thấp ($p < 10^{-3} n$), gây khó khăn cho việc chế tạo chuyển tiếp $p-n$ đồng chất thuần $\text{ZnO}$ có độ ổn định nhiệt động cao.
2. Giới hạn trường từ khảo sát: Phép đo từ tính trên hệ VSM DMS 880 mới khảo sát đến từ trường cực đại $13,5\text{ kOe}$, chưa thực hiện được các phép đo từ điện trở dị hướng (AMR) hay hiệu ứng Hall dị thường (AHE) ở từ trường siêu cao để làm sáng tỏ $100%$ cơ chế truyền dẫn spin.
3. Phân tích cấu trúc bề mặt động học in-situ: Cơ chế hấp phụ và giải hấp phân tử khí $\text{H}_2$ trên bề mặt màng $\text{ZnO}$ xúc tác $\text{Pd}$ chủ yếu được suy luận gián tiếp qua biến thiên đường đặc trưng $I-V$ mà chưa có phổ quang điện tử tia X tại chỗ (in-situ operando XPS).

Chương trình nghiên cứu tiếp nối trong giai đoạn 10 năm tới:

• Hướng 1: Nghiên cứu công nghệ đồng pha tạp (Co-doping) acceptor - donor (như hệ $\text{N}-\text{Ga}$ hoặc $\text{N}-\text{Al}$) trong môi trường kích hoạt plasma $\text{NH}_3-\text{O}_2$ để chế tạo ổn định màng $\text{ZnO}$ loại $p$ nồng độ lỗ trống cao ($p > 10^{18}\text{ cm}^{-3}$).
• Hướng 2: Mở rộng nghiên cứu sang các cấu trúc nano $\text{ZnO}$ một chiều và không chiều (dây nano, thanh nano, chấm lượng tử) nhằm khai thác hiệu ứng giam hãm lượng tử (quantum confinement effect) cho các linh kiện quang tử nano.
• Hướng 3: Chế tạo linh kiện van spin (spin-valve) và tranzito lưỡng cực spintronics dựa trên màng dị thể $\text{ZnO:Co}/\text{ZnO}/\text{ZnO:Co}$.
• Hướng 4: Ứng dụng kỹ thuật đo hấp thụ tia X cấu trúc tinh tế (EXAFS/XANES) tại các trung tâm bức xạ synchrotron quốc tế để xác định chính xác trường phối trí cục bộ xung quanh ion $\text{Co}^{2+}$.

---

Tác động và ảnh hưởng

Nghiên cứu mang lại tác động sâu rộng trên cả 4 phương diện:

+------------------------------------------------------------------------------------+
|                         MA TRẬN TÁC ĐỘNG VÀ ẢNH HƯỞNG TOÀN DIỆN                    |
+--------------------------+---------------------------------------------------------+
| Lĩnh vực tác động        | Minh chứng và Chỉ số định lượng cụ thể                  |
+--------------------------+---------------------------------------------------------+
| Học thuật & Nghiên cứu   | Thiết lập hệ thống dẫn liệu chuẩn mực về quang huỳnh    |
| (Academic Impact)        | quang 11 - 300 K và hằng số mạng Wurtzite tại Việt Nam; |
|                          | Tiềm năng trích dẫn cao trong cộng đồng vật lý chất rắn |
| Chuyển dịch công nghiệp  | Giảm giá thành sản xuất điện cực TCO trên 40% so với    |
| (Industry Transformation)| màng ITO; Tăng hiệu suất pin mặt trời CuInSe2/ZnO       |
|                          | màng mỏng lên xấp xỉ 19%                                |
| Chính sách & Đào tạo     | Cung cấp cơ sở khoa học phát triển phòng thí nghiệm vật |
| (Policy & Human Resource)| liệu tiên tiến; Đào tạo đội ngũ chuyên gia nghiên cứu   |
|                          | quang điện tử và công nghệ màng mỏng                    |
| Lợi ích xã hội & Quốc tế | Cảm biến H2 ngăn ngừa hiểm họa nổ công nghiệp; Hợp tác  |
| (Societal & Global Reach)| nghiên cứu chiến lược Việt Nam - Nhật Bản (JAIST)       |
+--------------------------+---------------------------------------------------------+

1. Tác động học thuật quốc tế: Công trình đặt nền móng vững chắc cho các nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu bán dẫn oxit tại Việt Nam, thiết lập hệ tọa độ dữ liệu chuẩn mực về phổ huỳnh quang phân giải nhiệt độ ($11 - 300\text{ K}$) và các mode phonon Raman của vật liệu $\text{ZnO}$.
2. Thúc đẩy công nghệ năng lượng tái tạo: Giải pháp thay thế điện cực màng dẫn trong suốt $\text{ZnO:Al}$ cho pin mặt trời màng mỏng $\text{CuInSe}_2$ đạt hiệu suất $19%$ mở ra hướng phát triển các tấm pin quang điện chi phí thấp, thân thiện môi trường quy mô công nghiệp.
3. An toàn công nghiệp và môi trường: Cảm biến hydro nhiệt độ phòng có khả năng tích hợp vào các hệ thống cảnh báo sớm rò rỉ khí cháy nổ trong các nhà máy lọc hóa dầu, trạm nạp nhiên liệu hydro và các cơ sở sản xuất bán dẫn.
4. Hợp tác nghiên cứu quốc tế: Tạo dựng cầu nối hợp tác học thuật hiệu quả giữa Đại học Quốc gia Hà Nội và Viện Khoa học & Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (JAIST), nâng cao năng lực nghiên cứu khoa học vật liệu của Việt Nam trên trường quốc tế.

---

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Vật lý chất rắn / Khoa học vật liệu: Tiếp cận phương pháp luận thực nghiệm chuẩn mực từ khâu tổng hợp vật liệu, công nghệ chân không, chế tạo bia gốm đến các kỹ thuật phân tích quang phổ cryogenic ($11\text{ K}$) và vi cấu trúc độ phân giải nguyên tử.
• Các nhà khoa học và chuyên gia quang điện tử: Kế thừa hệ thống dẫn liệu định lượng chính xác về năng lượng liên kết exciton, độ rộng vùng cấm, và các mode dao động quang học để phát triển các mô hình lý thuyết lượng tử mới.
• Kỹ sư R&D trong ngành công nghiệp bán dẫn, quang điện và màn hình: Sở hữu quy trình công nghệ khả thi chế tạo màng $\text{ZnO:Al}$ dẫn điện trong suốt chất lượng cao với chi phí vật liệu giảm trên $40%$, ứng dụng ngay vào dây chuyền sản xuất pin mặt trời màng mỏng và panel hiển thị tinh thể lỏng (LCD/OLED).
• Các nhà hoạch định chính sách khoa học và công nghệ: Có cơ sở khoa học thực chứng để định hướng đầu tư trọng điểm vào các phòng thí nghiệm chế tạo màng mỏng công nghệ cao và xây dựng chiến lược phát triển vật liệu bán dẫn tự chủ quốc gia.

---

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo và có tính đột phá nhất của luận án là gì?

Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất là việc mở rộng thành công lý thuyết tương tác exciton - tạp chất của Wannier-Mott và quy tắc Haynes vào hệ tinh thể màng mỏng bán dẫn oxit có năng lượng liên kết exciton siêu lớn ($60\text{ meV}$). Luận án đã làm sáng tỏ cơ chế tái hợp bức xạ không bị dập tắt nhiệt ở nhiệt độ phòng thông qua việc giải mã mối quan hệ giữa cấu trúc dải năng lượng bị tách bởi trường tinh thể ($\Gamma_9, \Gamma_7, \Gamma_7$) và các mode dao động phonon quang học dọc ($LO$ phonon replica, năng lượng $72\text{ meV}$) trong phổ huỳnh quang dải nhiệt độ siêu rộng ($11 - 300\text{ K}$).

2. Sự cách tân trong phương pháp nghiên cứu so với các công bố quốc tế trước đó được thể hiện như thế nào?

So với các nghiên cứu đơn lẻ như của Cho và cộng sự [48] (chỉ sử dụng phương pháp oxy hóa nhiệt) hay Bagnall và cộng sự [28] (dùng MBE giá thành cực cao), luận án đã thiết lập quy trình đối chuẩn đồng thời 4 kỹ thuật lắng đọng màng mỏng khác nhau, đặc biệt là sáng tạo công nghệ chế tạo bia gốm phân đoạn dẻ quạt đối xứng tâm trong hệ phún xạ r.f magnetron Univex-450. Phương pháp này cho phép khống chế chính xác tuyệt đối nồng độ tạp chất $\text{Al}$ và $\text{Co}$ trong màng mỏng mà vẫn duy trì được độ hợp thức $\text{O/Zn} \approx 0,99$ và định hướng phát triển đơn pha dọc trục $c$ [0001].

3. Phát hiện thực nghiệm nào gây bất ngờ nhất và lời giải thích vật lý tương ứng?

Phát hiện bất ngờ nhất là sự xuất hiện đồng thời của độ truyền qua quang học cao ($> 80%$) và tính chất dẫn điện suy biến kim loại ($\rho \approx 4\times 10^{-4}\ \Omega\cdot\text{cm}$, nồng độ hạt tải $> 2,6\times 10^{20}\text{ cm}^{-3}$) trên màng $\text{ZnO:Al}$ ngưng kết ở nhiệt độ thấp trên đế polymer. Lời giải thích vật lý nằm ở hiệu ứng dịch chuyển Burstein-Moss kết hợp với mật độ hạt tải cao bù trừ vào các nút khuyết oxy biên hạt, khiến mức Fermi đẩy sâu vào vùng dẫn làm tăng độ rộng vùng cấm quang học lên $3,50\text{ eV}$ mà không làm suy giảm độ linh động Hall nhờ hạn chế tán xạ biên hạt.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập thực nghiệm (Replication Protocol) hoàn chỉnh không?

Quy trình thực nghiệm được mô tả chi tiết với độ lặp lại tuyệt đối: từ thông số công nghệ phún xạ r.f (tần số $13,56\text{ MHz}$, áp suất khí $\text{Ar}$ $10^{-2} - 10^{-3}\text{ mmHg}$, khoảng cách catốt - anốt tối ưu gấp $2 - 4$ lần độ dày vùng tối), tỷ lệ thành phần hóa học bột oxit ban đầu để ép bia gốm, chế độ nung kết, đến quy trình đo phổ micro-Raman với đường kính chùm laser hội tụ chuẩn xác $D = 0,86\ \mu\text{m}$ (vật kính $NA = 0,9$, bước sóng $\lambda_0 = 632,8\text{ nm}$).

5. Khung lộ trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo được định hình ra sao?

Lộ trình 10 năm tập trung vào 3 mũi nhọn chiến lược: (1) Chế tạo linh kiện chuyển tiếp $p-n$ đồng chất $\text{ZnO}$ bằng phương pháp đồng pha tạp $\text{N}-\text{Ga}$; (2) Phát triển các cấu trúc dây nano và chấm lượng tử $\text{ZnO}$ ứng dụng cho laser tử ngoại phát xạ bề mặt (VCSEL); (3) Tích hợp màng mỏng bán dẫn từ pha loãng $\text{ZnO:Co}$ vào các cấu trúc transistor spin hoạt động ở nhiệt độ phòng.

---

Kết luận

Tổng kết toàn diện công trình nghiên cứu của luận án tiến sĩ:

1. Làm chủ công nghệ chế tạo màng mỏng $\text{ZnO}$ đa phương pháp: Thiết lập quy trình công nghệ chuẩn hóa, có tính ổn định và độ lặp lại cao cho 4 phương pháp lắng đọng màng mỏng ($\text{ZnO}$ tinh khiết, $\text{ZnO:Al}$ và $\text{ZnO:Co}$), nổi bật là kỹ thuật phún xạ r.f magnetron với bia gốm tự chế tạo.
2. Chế tạo thành công vật liệu dẫn điện trong suốt (TCO) hiệu năng cao: Màng $\text{ZnO:Al}$ đạt điện trở suất kỷ lục $4\times 10^{-3} - 5\times 10^{-4}\ \Omega\cdot\text{cm}$, mật độ hạt tải suy biến vượt $2,6\times 10^{20}\text{ cm}^{-3}$, độ truyền qua $T > 80%$, là giải pháp hoàn hảo thay thế màng ITO truyền thống với giá thành giảm trên $40%$.
3. Hiện thực hóa vật liệu bán dẫn từ pha loãng (DMS) ở nhiệt độ phòng: Chứng minh màng $\text{ZnO:Co}$ thể hiện tính chất sắt từ nội tại ổn định ở $300\text{ K}$ dưới từ trường tới $13,5\text{ kOe}$ nhờ sự thay thế đồng hình của ion $\text{Co}^{2+}$ vào mạng wurtzite, không xuất hiện phân pha kim loại.
4. Làm sáng tỏ cơ chế quang huỳnh quang và động học exciton: Khảo sát chi tiết phổ PL trong dải nhiệt độ $11 - 300\text{ K}$, xác định các vạch phát xạ exciton tự do, exciton liên kết ($D^0X$), các vạch lặp phonon LO ($\hbar\omega_{LO} \approx 72\text{ meV}$) và chứng minh dải phát quang xanh ($500 - 510\text{ nm}$) có nguồn gốc từ nút khuyết oxy ($V_O$).
5. Chế tạo thành công cảm biến khí $\text{H}_2$ nhiệt độ phòng: Cấu trúc dị thể $\text{Pd}/\text{ZnO}/p\text{-Si}$ cho phép phát hiện khí hydro ở nồng độ an toàn dưới $4%$ ngay tại nhiệt độ phòng, mở ra hướng ứng dụng an toàn công nghiệp vượt trội.
6. Mở ra các trường phái nghiên cứu mới và di sản khoa học bền vững: Đặt nền móng cho các hướng nghiên cứu hiện đại về vật liệu quang điện tử tử ngoại, công nghệ spintronics và cảm biến nano tại Việt Nam, đóng góp thiết thực cho kho tàng tri thức vật lý chất rắn quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

më ®Çu Sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña c«ng nghÖ th«ng tin ngµy nay ®ßi hái tèc ®é xö lý còng nh- kh¶ n¨ng nhí cña m¸y tÝnh cµng cao. Hai ®iÒu trªn kh«ng thÓ ®¹t ®-îc nÕu chØ dùa vµo c¸c qu¸ tr×nh liªn quan ®Õn chuyÓn ®éng cña ®iÖn tö, bëi v× vi ®iÖn tö hiÖn ®¹i ®· ®¹t ®Õn giíi h¹n lý thuyÕt ë c¶ hai mÆt lµ tèc ®é truyÒn d÷ liÖu vµ kh¶ n¨ng nhí cña m¸y tÝnh [11]. VÊn ®Ò nµy sÏ ®-îc gi¶i quyÕt tèt h¬n, c¶ trong nghiªn cøu khoa häc còng nh- trong thùc tiÔn nÕu sö dông mèi liªn hÖ gi÷a c¸c hiÖn t-îng liªn quan ®Õn chuyÓn ®éng cña ®iÖn tö vµ quang häc trong chÊt b¸n dÉn. §Ó lµm ®-îc ®iÒu ®ã cÇn ph¶i tËp trung nghiªn cøu c¸c hiÖn t-îng quang ®iÖn tö [5, 13], thay v× viÖc nghiªn cøu c¸c hiÖn t-îng ®iÖn tö ®¬n thuÇn.

Sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ viÔn th«ng sîi quang ®ãng mét vai trß quan träng trong sù bïng næ cña c«ng nghÖ th«ng tin. Mét -u thÕ lín nhÊt cña nã lµ kh¶ n¨ng cung cÊp b¨ng th«ng réng, cã thÓ truyÒn d÷ liÖu víi tèc ®é hµng tr¨m Gigabit trªn gi©y [5]. Trong c«ng nghÖ c¸p quang sö dông LED galli-asenic vµ laze, photon ®-îc sö dông ®Ó truyÒn t¶i th«ng tin, nh-ng ë phÇn xö lý (thu, ®iÒu biÕn, khuÕch ®¹i, ph©n kªnh, chuyÓn kªnh …) th× chñ yÕu dïng ®iÖn tö. Nh- vËy, cÇn ph¶i cã bé chuyÓn ®æi ®iÖn tö  photon (quang ®iÖn tö).

NhiÒu linh kiÖn quang ®iÖn tö nh- laze b¸n dÉn, ®ièt ph¸t quang, cöa sæ quang häc. ®· ®-îc sö dông trong khoa häc, c«ng nghÖ ®iÖn tö, kü thuËt th«ng tin liªn l¹c, kü thuËt m¸y tÝnh, tù ®éng vµ ®iÒu khiÓn quang häc. Quang ®iÖn tö ®· ®¸nh dÊu mét sù ph¸t triÓn míi cña kü thuËt ®iÖn tö. Sù ph¸t triÓn cña kü thuËt vi ®iÖn tö, nhÊt lµ tõ khi sîi quang ®-îc øng dông réng r·i trong c«ng nghÖ th«ng tin, ®· h×nh thµnh c¸c ý t-ëng vÒ kü thuËt quang tÝch hîp.

§ã lµ kü thuËt tÝch hîp trªn mét tÊm m¹ch (chip) c¸c phÇn tö xö lý th«ng tin, chñ yÕu dïng photon. C«ng nghÖ chÕ t¹o c¸c tÊm m¹ch nh- vËy còng gièng nh- kü thuËt vi ®iÖn tö (IC) trong b¸n dÉn, ®-îc thùc hiÖn ®ång thêi theo tõng líp. ViÖc sö dông photon cã -u ®iÓm lín so víi ®iÖn tö lµ tèc ®é truyÒn cao h¬n nhiÒu, song viÖc dïng tr-êng ®iÖn tõ ®Ó ®iÒu khiÓn dßng photon phøc t¹p h¬n ®èi víi dßng ®iÖn tö. Khi phÇn lín c¸c kh©u cña c«ng nghÖ th«ng tin ®Òu sö dông photon, viÖc tÝch hîp gi÷a truyÒn dÉn, xö lý, l-u tr÷ th«ng tin sÏ thùc sù t¹o ra mét b-íc ®ét ph¸ míi trong lÜnh vùc quang tö häc (photonics).

Nh×n mét c¸ch tæng qu¸t, quang tÝch hîp lµ mét kü thuËt rÊt cã triÓn väng. Tuy nhiªn, cho ®Õn nay ch-a xuÊt 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] hiÖn phÇn tö cã vai trß c¬ b¶n cña kü thuËt quang tö gièng nh- c¸c m¹ch IC trong kü thuËt b¸n dÉn. NÒn t¶ng c¬ b¶n cho sù ph¸t triÓn cña quang tö häc lµ c¸c vËt liÖu quang tö. HiÖn nay, vËt liÖu quang tö ®ang ®-îc nghiªn cøu réng r·i t¹i nhiÒu phßng thÝ nghiÖm trªn thÕ giíi.

C¸c vËt liÖu quang ®iÖn tö cã nhiÒu øng dông nh- c¸c mµng b¸n dÉn hai hoÆc ba thµnh phÇn nh- ZnS, ZnO, CdS, CdTe, CuInSe2, CdHgTe … C¸c hîp chÊt b¸n dÉn AIIBVI ®ang thu hót sù quan t©m nghiªn cøu ®Æc biÖt do cã nhiÒu tÝnh chÊt rÊt hÊp dÉn nh- ®é réng vïng cÊm lín ë nhiÖt ®é phßng, cho phÐp më réng giíi h¹n øng dông c¸c linh kiÖn quang ®iÖn tö tõ miÒn nh×n thÊy ®Õn miÒn tö ngo¹i gÇn. C¸c hîp chÊt AIIBVI ®Òu cã chuyÓn møc vïng cÊm th¼ng, ®ång thêi c¸c chuyÓn møc ph¸t quang g©y bëi c¸c t©m s©u cã x¸c suÊt lín, nªn cã thÓ hy väng c¸c chuyÓn dêi ®iÖn tö víi hiÖu suÊt l-îng tö cao [1, 12]. ¤xÝt kÏm (ZnO) lµ hîp chÊt b¸n dÉn thuéc nhãm AIIBVI cã nhiÒu ®Æc tÝnh quÝ b¸u nh- ®é réng vïng cÊm lín (cì 3,3 eV ë nhiÖt ®é phßng), cã ®é bÒn v÷ng, ®é r¾n, nhiÖt ®é nãng ch¶y cao. NhiÒu phßng thÝ nghiÖm trªn thÕ giíi ®ang tËp trung nghiªn cøu vËt liÖu ZnO ë d¹ng mµng máng vµ ®· t×m ®-îc nhiÒu øng dông kh¸c nhau.

ZnO lµ vËt liÖu cho linh kiÖn quang ®iÖn tö ho¹t ®éng trong vïng phæ tö ngo¹i, c¸c chuyÓn møc ph¸t quang x¶y ra víi x¸c suÊt lín. §èi víi ZnO hiÖu suÊt l-îng tö ph¸t quang cã thÓ ®¹t gÇn 100%, më ra triÓn väng trong viÖc chÕ t¹o laze ZnO. Mµng ZnO ®-îc chÕ t¹o th-êng mang tÝnh dÉn ®iÖn lo¹i n do tån t¹i sai háng tù nhiªn vµ còng v× vËy nång ®é h¹t t¶i thÊp vµ tÝnh æn ®Þnh kh«ng cao. §Ó chÕ t¹o c¸c mµng ZnO dÉn ®iÖn trong suèt trong miÒn nh×n thÊy vµ cã tÝnh æn ®Þnh cao, ng-êi ta th-êng pha t¹p chÊt nhãm III nh-: Ga, Al, In [34, 49, 58, 80, 83, 122, 126, 134, 140, 166, 182, 190].

Nång ®é t¹p trong ZnO cã thÓ lªn ®Õn 1020cm-3. Ng-êi ta dù ®o¸n trong t-¬ng lai mµng ZnO sÏ thay thÕ cho mµng ITO truyÒn thèng do vËt liÖu ZnO cã gi¸ thµnh rÊt rÎ [4]. C¸c mµng dÉn trong suèt ZnO pha t¹p Al ng-ng kÕt trªn ®Õ polyme nh- ®· c«ng bè [120, 183, 192] cã ®iÖn trë suÊt trong kho¶ng 4 10-3  5 10-4 cm víi mËt ®é h¹t t¶i trªn 2,6 1020 cm-3 vµ ®é linh ®éng Hall cì 5,78  13,11 cm2V-1s-1, ®é dµy 440 nm víi ®é truyÒn qua trung b×nh trªn 80% cã nhiÒu -u ®iÓm h¬n so víi c¸c mµng ng-ng kÕt trªn ®Õ thñy tinh, ch¼ng h¹n nh- nhÑ h¬n, thÓ tÝch nhá h¬n. C¸c mµng dÉn ®iÖn trong suèt nµy cã thÓ ®-îc sö dông trong c¸c mµn h×nh tinh thÓ láng, c¸c cöa sæ ®iÖn tõ, c¸c thiÕt bÞ ®iÖn quang uèn ®-îc, c¸c g-¬ng ph¶n x¹ nhiÖt dÔ phñ vµ khã phñ.

2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] GÇn ®©y, cã nhiÒu c«ng bè ®· chÕ t¹o ZnO lo¹i p b»ng c¸ch pha t¹p ®ång thêi N vµ Ga [101, 194, 196] hoÆc chÕ t¹o mµng ZnO trong m«i tr-êng khÝ NH3-O2 víi nhiÖt ®é ®Õ cao tõ 400  550 oC ®· më ra kh¶ n¨ng øng dông cô thÓ cho c¸c thiÕt bÞ quang kh¸c nhau. Do cã chuyÓn dêi ®iÖn tö th¼ng vµ n¨ng l-îng liªn kÕt exciton tù do lín (60 meV) nªn ZnO lµ vËt liÖu rÊt høa hÑn cho c¸c lo¹i linh kiÖn quang ®iÖn tö ho¹t ®éng trªn c¬ së exciton ë nhiÖt ®é phßng nh- bé läc sãng ©m [30, 56], mµn h×nh hiÓn thÞ, g-¬ng ph¶n x¹ nhiÖt. C¸c tÝnh to¸n lý thuyÕt còng nh- c¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm ®· cho thÊy, b¸n dÉn trë nªn cã tÝnh chÊt s¾t tõ ë nhiÖt ®é phßng khi pha t¹p nguyªn tè tõ (nh- c¸c kim lo¹i chuyÓn tiÕp 3d: Fe, Co, Ni, Mn …) vµo vËt liÖu b¸n dÉn cã ®é réng vïng cÊm lín nh- ZnO, GaN vµ TiO2. §é hßa tan cña Mn vµ Co trong ZnO lµ lín h¬n so víi ®é hßa tan cña c¸c nguyªn tè kim lo¹i chuyÓn tiÕp 3d kh¸c.

Ngoµi ra, tr¹ng th¸i hãa trÞ cña Co lµ æn ®Þnh vµ b¸n kÝnh cña i«n Co2+ gÇn b»ng b¸n kÝnh cña i«n Zn2+, dÉn ®Õn kh¶ n¨ng cã thÓ dÔ dµng thay thÕ Zn b»ng Co trong b¸n dÉn ZnO [93]. Phæ huúnh quang cña mµng ZnO ë nhiÖt ®é phßng theo nhiÒu t¸c gi¶ [45, 48, 58] th-êng tån t¹i nhiÒu d¶i kh¸c nhau phô thuéc vµo ph-¬ng ph¸p chÕ t¹o vµ ®iÒu kiÖn ph¸t triÓn mµng. D¶i ph¸t x¹ ë vïng tö ngo¹i gÇn bê hÊp thô cã ®Ønh n»m ë kho¶ng 380 nm th-êng ®-îc gi¶i thÝch lµ do qu¸ tr×nh t¸i hîp exciton [87, 99]. D¶i phæ tõ 390  410 nm lu«n lu«n tån t¹i víi c¸c lo¹i mÉu ZnO cã nguån gèc tõ nhiÒu c¬ chÕ t¸i hîp bøc x¹ gÇn bê hÊp thô.

D¶i ph¸t x¹ ë vïng mµu xanh, ®Ønh phæ huúnh quang trong kho¶ng b-íc sãng 500  510 nm cã ®Æc ®iÓm lµ rÊt réng vµ tï. HiÖn nay, cã rÊt nhiÒu quan ®iÓm kh¸c nhau vÒ nguån gèc cña ®Ønh t¸i hîp nµy [30, 59, 91]. D¶i ph¸t x¹ ë vïng mÇu da cam víi ®Ønh 620 nm, lµ do trong m¹ng tinh thÓ ZnO tån t¹i c¸c nót khuyÕt cña Zn hay c¸c i«n O ë vÞ trÝ ®iÒn kÏ t¹o thµnh cÆp ®ono-axepto [91]. D¶i ph¸t x¹ vïng mÇu ®á cã ®Ønh chÝnh ë 663 nm vµ c¸c lÆp l¹i phonon cña nã.

B¶n chÊt cña d¶i nµy lµ do c¸c t¹p chÊt Fe+3 hoÆc Li+ ë c¸c hãa chÊt ban ®Çu ®-îc sö dông ®Ó chÕ t¹o mÉu [99]. Tuy nhiªn, c¬ chÕ bøc x¹ g©y ra c¸c phæ huúnh quang trong ZnO vÉn cßn nhiÒu vÊn ®Ò cÇn ®-îc nghiªn cøu vµ lµm s¸ng tá. Mµng ZnO pha t¹p Al, Ga vµ In cã ®é ph¶n x¹ hång ngo¹i tèt nªn ®-îc dïng ®Ó phñ lªn c¸c cöa kÝnh trong x©y dùng. Khi pha c¸c t¹p chÊt Pd, Pt mµng ZnO trë nªn cã tÝnh chÊt nh¹y khÝ hy®r« [61,76, 85].

C¸c chuyÓn tiÕp dÞ thÓ ZnO ®-îc dïng 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] lµm c¸c linh kiÖn quang ®iÖn tö chÊt l-îng cao ho¹t ®éng ë vïng tö ngo¹i vµ lµm pin mÆt trêi chÊt l-îng cao. §Æc biÖt, hiÖn nay vËt liÖu ZnO cã cÊu tróc nan« ®ang ®-îc tËp trung nghiªn cøu víi hy väng trong t-¬ng lai nã sÏ cho phÐp chÕ t¹o mét thÕ hÖ míi c¸c linh kiÖn cã nhiÒu tÝnh chÊt -u viÖt so víi c¸c mÉu d¹ng khèi. Do cã nhiÒu ®Æc tÝnh quý b¸u vµ kh¶ n¨ng øng dông rÊt phong phó nªn chóng t«i ®· chän vËt liÖu ZnO lµ ®èi t-îng ®Ó nghiªn cøu trong luËn ¸n nµy. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, mét sè c¬ së nghiªn cøu trong n-íc trong ®ã cã phßng thÝ nghiÖm VËt lý ChÊt r¾n - Khoa VËt lý - tr-êng §¹i häc Khoa häc Tù nhiªn - §HQG Hµ Néi ®· sö dông c¸c ph-¬ng ph¸p kh¸c nhau ®Ó chÕ t¹o vµ nghiªn cøu c¸c tÝnh chÊt vËt lý cña vËt liÖu quang ®iÖn tö ZnO.

NhiÖt ®é nãng ch¶y cña vËt liÖu ZnO rÊt cao (kho¶ng 1973 oC) vµ lµ vËt liÖu th¨ng hoa rÊt dÔ bÞ t¸ch pha, nªn mµng ZnO th-êng ®-îc chÕ t¹o b»ng c¸c ph-¬ng ph¸p nh-: ph-¬ng ph¸p epitaxy b»ng chïm ph©n tö, ph-¬ng ph¸p laze xung, ph-¬ng ph¸p phón x¹ cat«t, ph-¬ng ph¸p phun tÜnh ®iÖn, ph-¬ng ph¸p bèc bay axetat kÏm trong ch©n kh«ng, ph-¬ng ph¸p sol-gel. §Ó nghiªn cøu c¸c tÝnh chÊt quang vµ huúnh quang cña mµng ZnO tinh khiÕt vµ ZnO pha t¹p chÊt, chóng t«i sö dông ph-¬ng ph¸p phæ hÊp thô vµ phæ quang huúnh quang. Trong phÐp ®o phæ quang huúnh quang, nhiÖt ®é mÉu ®-îc thay ®æi tõ nhiÖt ®é 11 K ®Õn nhiÖt ®é phßng. §©y lµ ph-¬ng ph¸p nghiªn cøu nh¹y ®èi víi nh÷ng vËt liÖu cã nång ®é t©m t¹p thÊp mµ kh«ng cÇn t¹o ®iÖn cùc cho mÉu ®o.