Nghiên cứu áp dụng phương pháp hạt nhân trong phân tích vật liệu TiO2/SiO2 sử dụng chùm ion

Nghiên cứu áp dụng phương pháp hạt nhân nguyên tử trong phân tích vật liệu TiO2-SiO2 bằng chùm ion từ máy gia tốc, mở ra hướng đi mới trong khoa học vật liệu.

• Tác giả: Trần Văn Phúc
• Người hướng dẫn: PTS. Lê Hồng Khiêm
• Trường học: Graduate University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Phương Pháp Hạt Nhân Trong Phân Tích Vật Liệu TiO2/SiO2 Bằng Chùm Ion
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGMENTS
• TABLE OF CONTENTS
• LIST OF ABBREVIATIONS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• 1. CHAPTER 1: THEORETICAL BACKGROUND
• 1.1. Concept of ion beam mixing
• 1.2. Atomic collisions in solids
• 1.3. Kinematic of elastic collisions
• 1.4. Differential cross-section
• 1.5. Energy loss process
• 1.6. Low-energy ion modification of solids and IBM process
• 2. CHAPTER 2: THE EXPERIMENTAL METHODS
• 2.1. Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) – an IBA method
• 2.2. Ellipsometry Spectroscopy (ES) method
• 2.3. Interaction of Light and Materials
• 2.4. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) method
• 3. CHAPTER 3: RESULTS AND DISCUSSION
• 3.1. Influence of ion energy and mass on mixing of TiO2/SiO2 structures with different thickness
• 3.2. Characterization of samples and the mixing process
• 3.3. Dependence of mixing degree on energy of incident ions
• 3.4. Dependence of mixing degree on mass of the incident ions
• 3.5. Study on mixing of TiO2/SiO2 systems with different thicknesses
• 3.6. Influence of the ion energy on chemical composition of TiO2 near surface layers, and its effect to mixing of TiO2/SiO2 systems
• 3.7. The optical property of the TiO2/SiO2 mixed layers obtained by Spectroscopy Ellipsometry
• 3.8. Calculation thickness and components of the TiO2/SiO2 mixed layers
• 3.9. Variation of refractive index (n) and extinction coefficient (k) with ion energy
• 3.10. Variation of optical energy gap (Eg) of TiO2/SiO2 mixed area with ion energy
• CONCLUSIONS AND FUTURE SCOPE

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng phương pháp hạt nhân

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp hạt nhân trong phân tích vật liệu TiO2/SiO2 bằng chùm ion đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu. Phương pháp này cho phép xác định cấu trúc và tính chất của các lớp vật liệu nano, từ đó mở ra nhiều ứng dụng trong công nghệ hiện đại. Việc sử dụng chùm ion giúp cải thiện độ chính xác trong việc phân tích và xác định các đặc tính hóa học của vật liệu.

1.1. Khái niệm về phương pháp hạt nhân trong phân tích vật liệu

Phương pháp hạt nhân sử dụng chùm ion để phân tích vật liệu, cho phép xác định thành phần và cấu trúc của các lớp vật liệu. Các kỹ thuật như phân tích hạt nhân giúp phát hiện các nguyên tố và xác định độ dày của các lớp vật liệu.

1.2. Tầm quan trọng của TiO2 SiO2 trong nghiên cứu vật liệu

TiO2 và SiO2 là hai vật liệu quan trọng trong ngành công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như cảm biến, chất xúc tác và vật liệu quang học. Việc nghiên cứu sự tương tác giữa chúng thông qua phân tích vật liệu giúp tối ưu hóa các tính chất của chúng.

II. Thách thức trong phân tích vật liệu TiO2 SiO2 bằng chùm ion

Mặc dù phân tích vật liệu bằng chùm ion mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức. Các vấn đề như độ chính xác trong việc xác định độ dày lớp, sự biến đổi tính chất quang và hóa học của vật liệu sau khi chiếu xạ cần được giải quyết. Những thách thức này đòi hỏi các phương pháp phân tích tiên tiến hơn để đạt được kết quả chính xác.

2.1. Độ chính xác trong việc xác định độ dày lớp

Một trong những thách thức lớn nhất là xác định chính xác độ dày của các lớp TiO2 và SiO2. Sự biến đổi trong cấu trúc do chiếu xạ có thể làm sai lệch kết quả phân tích, do đó cần có các phương pháp kiểm tra bổ sung.

2.2. Biến đổi tính chất quang và hóa học

Chiếu xạ bằng chùm ion có thể gây ra sự thay đổi đáng kể trong tính chất quang và hóa học của vật liệu. Việc hiểu rõ các biến đổi này là rất quan trọng để tối ưu hóa ứng dụng của TiO2/SiO2 trong công nghệ.

III. Phương pháp nghiên cứu hạt nhân trong phân tích TiO2 SiO2

Nghiên cứu sử dụng nhiều phương pháp hạt nhân khác nhau để phân tích vật liệu TiO2/SiO2. Các phương pháp như tán xạ ngược Rutherford (RBS) và quang phổ Elip đã được áp dụng để xác định cấu trúc và tính chất của các lớp vật liệu. Những phương pháp này cho phép phân tích sâu hơn về sự tương tác giữa các lớp vật liệu.

3.1. Tán xạ ngược Rutherford RBS trong phân tích

RBS là một phương pháp hiệu quả để xác định độ dày và thành phần của các lớp vật liệu. Phương pháp này cho phép đo lường sự phân bố của các nguyên tử trong lớp vật liệu, từ đó cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc của TiO2/SiO2.

3.2. Quang phổ Elip trong nghiên cứu tính chất quang

Quang phổ Elip là một kỹ thuật mạnh mẽ để nghiên cứu các tính chất quang của vật liệu. Phương pháp này giúp xác định chỉ số khúc xạ và hệ số tắt của các lớp trộn lẫn, từ đó đánh giá sự biến đổi tính chất quang sau khi chiếu xạ.

IV. Kết quả nghiên cứu ứng dụng chùm ion trong TiO2 SiO2

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc chiếu xạ bằng chùm ion có thể làm tăng đáng kể mức độ trộn lẫn giữa các lớp TiO2 và SiO2. Sự hình thành các lớp trộn lẫn được xác định thông qua các phương pháp phân tích hạt nhân, cho thấy sự thay đổi trong tính chất quang và hóa học của vật liệu.

4.1. Sự hình thành lớp trộn lẫn giữa TiO2 và SiO2

Nghiên cứu cho thấy rằng các ion có năng lượng cao tạo ra sự trộn lẫn mạnh mẽ giữa TiO2 và SiO2. Sự hình thành lớp trộn lẫn này có thể cải thiện tính chất quang của vật liệu, mở ra nhiều ứng dụng mới.

4.2. Biến đổi tính chất quang sau chiếu xạ

Các kết quả từ phương pháp quang phổ Elip cho thấy rằng chỉ số khúc xạ và hệ số tắt của các lớp trộn lẫn tăng lên khi năng lượng ion tăng. Điều này cho thấy sự thay đổi trong hàm lượng TiO2 có ảnh hưởng lớn đến tính chất quang của vật liệu.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp hạt nhân trong phân tích vật liệu TiO2/SiO2 bằng chùm ion đã mở ra nhiều hướng đi mới trong khoa học vật liệu. Những kết quả đạt được không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế trộn lẫn mà còn tạo điều kiện cho việc phát triển các ứng dụng mới trong công nghệ. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong lĩnh vực vật liệu nano.

5.1. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện chiếu xạ để đạt được mức độ trộn lẫn tối ưu giữa TiO2 và SiO2. Việc này sẽ giúp cải thiện tính chất quang và hóa học của vật liệu.

5.2. Ứng dụng trong công nghệ hiện đại

Nghiên cứu này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghệ cảm biến, chất xúc tác và vật liệu quang học. Việc phát triển các vật liệu mới từ TiO2/SiO2 sẽ mở ra nhiều cơ hội trong công nghệ hiện đại.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ của Trần Văn Phúc, bảo vệ tại Học viện Khoa học và Công nghệ — Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam năm 2023, thuộc chuyên ngành Vật lý Nguyên tử và Hạt nhân (mã số 9440106). Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS. Lê Hồng Khiêm và TS. Mirosław Kulik. Hướng tiếp cận là định lượng thực nghiệm, kết hợp đo đạc vật lý trực tiếp và mô phỏng số.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Công nghệ chùm ion đã trở thành công cụ quan trọng trong nghiên cứu vật liệu, được ứng dụng rộng rãi để biến đổi và phân tích tính chất màng mỏng, bề mặt và vùng tiếp giáp. Trong số các hệ vật liệu hai lớp, hệ oxide/oxide vẫn còn ít được nghiên cứu so với các hệ kim loại/kim loại, kim loại/silicon và kim loại/chất cách điện. Theo tổng quan của tác giả, trong dải năng lượng 100–250 keV chưa có công bố nào khảo sát ảnh hưởng đồng thời của năng lượng và khối lượng ion lên quá trình trộn lẫn nguyên tử cũng như sự thay đổi tính chất của vật liệu oxide/oxide. Cơ chế trộn lẫn oxide/oxide — đặc biệt là liệu quá trình ion mixing có tạo ra hỗn hợp oxide thủy tinh hay phân tách pha oxide hay không — vẫn chưa được làm rõ. Hệ TiO2/SiO2 được lựa chọn vì đây là hệ lớp phủ kháng phản xạ (ARC) hai lớp được sử dụng phổ biến nhất cho pin mặt trời silicon, với khả năng giảm phản xạ từ 36% xuống còn 7%.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định năm mục tiêu cụ thể:

1. Khảo sát biến đổi cấu trúc của hệ TiO2/SiO2/Si, bao gồm lớp chuyển tiếp giữa TiO2 và SiO2 do chiếu xạ ion khí hiếm trong dải năng lượng 100–250 keV bằng phương pháp tán xạ ngược Rutherford (RBS).
2. Nghiên cứu sự phụ thuộc của quá trình trộn lẫn tại mặt phân cách TiO2/SiO2 vào năng lượng và khối lượng ion tới, đối với các mẫu có độ dày lớp khác nhau.
3. Diễn giải cơ chế trộn lẫn theo vận chuyển động học nguyên tử bằng mô phỏng SRIM.
4. Khảo sát ảnh hưởng của thay đổi thành phần hóa học do chiếu xạ ion lên mức độ trộn lẫn theo năng lượng ion bằng phương pháp quang điện tử tia X (XPS).
5. Khảo sát biến đổi các thông số quang học của vùng TiO2/SiO2 chưa chiếu xạ và đã chiếu xạ theo năng lượng ion bằng phương pháp quang phổ Elip (ES).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là 40 mẫu cấu trúc TiO2/SiO2/Si chia thành hai nhóm theo độ dày lớp TiO2: nhóm 1 có lớp TiO2 dày 20 nm và nhóm 2 có lớp TiO2 dày 30 nm, cả hai nhóm đều trên lớp SiO2 dày 130 nm và đế Si. Các mẫu được chiếu bởi bốn loại ion khí hiếm (Ne+, Ar+, Kr+, Xe+) tại bốn mức năng lượng (100, 150, 200, 250 keV) với fluence cố định 3 × 10¹⁶ ions/cm². Thực nghiệm được thực hiện tại Đại học Maria Curie-Skłodowska (MCSU), Ba Lan (cấy ion) và Phòng thí nghiệm Neutron Frank — JINR, Dubna, Nga (RBS).

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu tác giả điểm lại

Tác giả điểm qua lịch sử và trạng thái hiện tại của nghiên cứu về trộn lẫn chùm ion (IBM) từ khi được phát hiện năm 1973 bởi Lee et al. (nghiên cứu hệ Pd/Si cấy P+) và Van der Weg et al. (phát hiện palladium silicide trong Pd/Si sau bắn phá Ar+).

Về phụ thuộc vào fluence: nghiên cứu của Bibic (2000) dùng RBS và XRD cho hệ Ta/Si với Ar nhiều điện tích, xác nhận quan hệ tuyến tính giữa ∆σ² và fluence ∅; nghiên cứu D. Datta (2003) trên hệ Au–Ni hai lớp với 300 keV Kr+; và nghiên cứu IBM trong Pt/Co bằng Pt+ 600 keV cũng xác nhận xu hướng này.

Về phụ thuộc vào năng lượng lắng đọng: mô hình Haff và Switkowski [48] thiết lập quan hệ tuyến tính giữa IBM và năng lượng lắng đọng F_D. Tsaur et al. [49] kiểm chứng thực nghiệm với Pt marker trong Si chiếu Xe 300 keV; Matteson et al. [50] nghiên cứu các marker Ni, Ge, Pd, Sn, Sb, Au trong Si với Ne, Ar, Kr, Xe — đều quan sát thấy tỷ lệ tuyến tính với F_D; D. Datta [51] xác nhận quan hệ này trong hệ Au–Ni.

Về phụ thuộc vào khối lượng ion: nghiên cứu R. [56] với hệ Pt/Si chiếu ion từ He (4 amu) đến Xe (131 amu) ở các nhiệt độ khác nhau; J. Conrad [54, 57] nghiên cứu IBM trong Pt/Ni với Ar, Kr, Xe, Pb ở 125–400 keV; nghiên cứu hệ Sb/Ni với He, Ne, Ar, Xe, Pb ở 40–900 keV của F.

Về hệ oxide/oxide: Galuska et al. [18] báo cáo ảnh hưởng cấy ion lên trộn lẫn Al2O3/SiO2 bằng Xe+ và Kr+ với fluence thay đổi, ghi nhận tăng cường trộn lẫn và bám dính do liên kết Si-O-Al tại bề mặt phân cách. Ogale et al. [19] nghiên cứu IBM trong Fe2O3/Al2O3 bằng Kr3+ 300 keV — RBS không phát hiện dấu hiệu trộn lẫn. Kraft et al. [20] khảo sát trộn lẫn trong ZnO/SiO2 với chiếu xạ ion nặng ở chế độ dừng hạt nhân: ở năng lượng thấp 300–900 keV có trộn lẫn nhỏ tỷ lệ tuyến tính với mật độ năng lượng lắng đọng.

Khoảng trống luận án giải quyết

Trong dải năng lượng 100–250 keV, chưa có nghiên cứu nào báo cáo ảnh hưởng đồng thời của năng lượng và khối lượng ion lên trộn lẫn nguyên tử cũng như sự biến đổi tính chất trong vật liệu oxide/oxide. Dữ liệu về hệ oxide/oxide nói chung còn thưa thớt, và sự phụ thuộc của mức trộn lẫn vào thành phần hóa học thay đổi theo năng lượng ion chưa từng được nghiên cứu một cách có hệ thống.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết và khung phân tích

Luận án dựa trên lý thuyết va chạm đàn hồi ion–chất rắn, bao gồm: động học va chạm đàn hồi, tiết diện vi phân tán xạ Rutherford, và quá trình mất năng lượng (dừng hạt nhân và dừng điện tử). Cơ chế trộn lẫn được diễn giải theo hai quá trình: (1) trộn lẫn dội ngược (recoil mixing) — vận chuyển nguyên tử đơn lẻ do va chạm trực tiếp giữa ion tới và nguyên tử đích; (2) trộn lẫn dòng thác (cascade mixing) — khuếch tán ngẫu nhiên do chuỗi dịch chuyển không tương quan ở năng lượng thấp, được mô tả bằng hệ số khuếch tán hiệu dụng D_cas của Andersen (1979). Lý thuyết của Sigmund và Gras-Marti (1981) [66] về trộn lẫn va chạm dựa trên lý thuyết vận chuyển tuyến tính cũng được trích dẫn, với hệ số khuếch tán hiệu dụng D_cast tỷ lệ với F_D và fluence ∅.

Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp chính:

• Cấy ion (Ion Implantation): Thực hiện bằng máy cấy UNIMAS tại MCSU, Ba Lan. Ion được tạo từ nguồn phóng điện hồ quang ARC, tăng tốc đến năng lượng cuối (độ chính xác năng lượng < 1%), quét hai chiều để đảm bảo đồng đều chiếu xạ tốt hơn 1%. Áp suất buồng chiếu: 10⁻⁶ mbar. Fluence được đo bằng tích phân điện tích với độ chính xác 1%.

• Tán xạ ngược Rutherford (RBS): Sử dụng chùm He+ 1.5 MeV từ máy gia tốc Van de Graaff tại EG-5 — Phòng thí nghiệm Neutron Frank, JINR, Dubna. Góc tới α = 60°, góc tán xạ θ = 170°. Phổ RBS được phân tích bằng phần mềm SIMNRA để xác định độ dày và biến đổi cấu trúc các lớp.

Phương pháp hỗ trợ:

• Quang phổ Elip (Ellipsometry Spectroscopy — ES): Sử dụng cấu hình Rotating Analyzer Ellipsometer (RAE). Dữ liệu được xử lý bằng mô hình EMA (Effective Medium Approximation) để tính độ dày và thành phần pha của lớp chuyển tiếp, từ đó xác định chỉ số khúc xạ n và hệ số tắt k.

• Quang điện tử tia X (XPS): Thực hiện tại hệ thống UHV tại Khoa Hóa học, MCSU, Lublin, Ba Lan. Phân tích phổ dải Ti 2p để xác định hàm lượng tương đối của Ti, TiO, TiO2, Ti2O3 trong lớp gần bề mặt TiO2.

Mô phỏng số

Mô phỏng SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter) được sử dụng để tính: tầm chiếu trung bình của ion, thiệt hại mạng tinh thể (DPA — Displacements Per Atom), mất mát năng lượng theo chiều sâu, và các thông số tương tác tại vùng TiO2/SiO2. Chế độ tính toán: Detailed calculation with full damage cascades, 99999 ion.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu gốc thu được từ thực nghiệm tại MCSU (Ba Lan) và JINR Dubna (Nga). Tổng cộng 40 mẫu TiO2/SiO2/Si được đo bằng ba phương pháp (RBS, ES, XPS) kết hợp với mô phỏng SRIM.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý thuyết (Theoretical Background)

Chương này trình bày tổng quan tài liệu về IBM và nền tảng lý thuyết. Phần tổng quan tài liệu tóm lược kết quả thực nghiệm chủ yếu về phụ thuộc của IBM vào fluence, năng lượng lắng đọng F_D, khối lượng ion và nhiệt độ mẫu. Tác giả chỉ ra rằng IBM thường không phụ thuộc vào nhiệt độ dưới 80 K, trong khi nhiệt độ tới hạn đối với đa số hệ nằm trong khoảng 160–470 K. Phần lý thuyết bao gồm: động học va chạm đàn hồi (hệ số động học K = E1/E0), tiết diện tán xạ vi phân Rutherford, quá trình mất năng lượng hạt nhân và điện tử (theo công thức dE/dx = dE/dx|n + dE/dx|e), cùng bốn quá trình biến đổi vật liệu do ion gây ra (cấy ion, thiệt hại bức xạ, IBM, sputtering). Cơ chế trộn lẫn dội ngược và trộn lẫn dòng thác được trình bày chi tiết, kèm công thức hệ số khuếch tán hiệu dụng D_cast theo Sigmund–Gras-Marti (1981), với tham số không thứ nguyên ξ = 0.608 và hệ số động học nhạy khối lượng γ = [4M1M2/(M1+M2)²]^(1/2).

Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm (The Experimental Methods)

Chương này mô tả vật liệu mẫu và các kỹ thuật được sử dụng. Hệ TiO2/SiO2 được giới thiệu như lớp phủ ARC hai lớp phổ biến nhất cho pin mặt trời silicon — phủ TiO2/SiO2 hai lớp có thể giảm phản xạ xuống còn 7% so với 36% của bề mặt không phủ. Bảng 1 liệt kê toàn bộ 40 mẫu theo hai nhóm (TiO2 20 nm và 30 nm) với các thông số cấy ion tương ứng. Máy cấy UNIMAS tại MCSU được mô tả chi tiết: nguồn ion ARC, thấu kính tĩnh điện, nam châm phân tách 90°, ống tăng tốc, mật độ dòng ion tối đa cỡ 1 μA/cm². Phần RBS trình bày nguyên lý đo (He+ 1.5 MeV, α = 60°, θ = 170°), cách xác định độ dày màng qua độ rộng đỉnh phổ (công thức 2.1, 2.2) và phân tích phổ bằng SIMNRA. Phần ES trình bày nguyên lý phân cực ánh sáng, phản xạ và khúc xạ theo định luật Snell, cấu hình RAE và mô hình EMA. Phần XPS trình bày nguyên lý phát điện tử quang điện, đường tự do trung bình điện tử theo động năng và điều kiện đo UHV tại MCSU Lublin.

Chương 3: Kết quả và thảo luận (Results and Discussion)

Mục 3.1 — Ảnh hưởng của năng lượng và khối lượng ion lên trộn lẫn TiO2/SiO2 với độ dày lớp khác nhau

Phổ RBS thu được từ các mẫu cấy Kr+ ở các năng lượng khác nhau (Hình 3.1). Phân tích chiều rộng bán đỉnh ∆FWHM của đỉnh Ti trong phổ RBS (Hình 3.5) xác nhận sự hình thành và tăng dần của lớp chuyển tiếp. Bảng 2 tổng hợp độ dày lớp chuyển tiếp chưa chiếu xạ và đã chiếu xạ theo đơn vị atoms/cm² và nm.

Về phụ thuộc vào năng lượng ion (nhóm 1, TiO2 20 nm): độ dày tương đối r_t của lớp chuyển tiếp tăng tuyến tính theo năng lượng ion (Hình 3.7). Bảng 3 trình bày các thông số tương tác tính từ mô phỏng SRIM tại vùng TiO2/SiO2 cho các mẫu nhóm 1. Năng lượng truyền cho nguyên tử giật lùi (recoil) — tính theo SRIM — cũng tăng theo năng lượng ion (Hình 3.8), phù hợp với xu hướng trộn lẫn quan sát được.

Về phụ thuộc vào khối lượng ion (nhóm 2, TiO2 30 nm): độ dày tương đối của lớp chuyển tiếp tăng mạnh theo khối lượng nguyên tử của ion (Hình 3.9). Bảng 4 tổng hợp thông số SRIM cho nhóm 2. Mật độ mất năng lượng và mật độ ion trong vùng chuyển tiếp tăng theo khối lượng ion (Hình 3.10).

Bảng 5 so sánh hệ số góc (slope) của hàm tuyến tính r_t theo năng lượng cho cả hai nhóm: mẫu nhóm 1 (TiO2 20 nm) có slope lớn hơn, cho thấy mức độ trộn lẫn vượt trội hơn. Điều này được giải thích qua Bảng 6: DPA (displacements per atom) tính cho độ dày 20 nm dưới đáy lớp TiO2 của các mẫu cấy Ar, Kr, Ne ở các năng lượng khác nhau cho thấy cấu trúc lớp mỏng tạo ra nhiều DPA hơn. Bảng 7 trình bày các thông số SRIM cho nhóm 2 tại năng lượng khác nhau.

Mục 3.2 — Ảnh hưởng của năng lượng ion lên thành phần hóa học lớp TiO2 gần bề mặt và tác động lên trộn lẫn

Phổ XPS dải Ti 2p (Hình 3.12) cho mẫu trước và sau cấy Ne+ ở 100, 150, 200, 250 keV. Hình 3.13 thể hiện hàm lượng tương đối của Ti, TiO, Ti2O3 (trục trái) và TiO2 (trục phải) theo năng lượng ion: hàm lượng TiO2 tăng trong khi Ti, TiO, Ti2O3 giảm theo năng lượng. Hình 3.14 cho thấy mất mát năng lượng của Ne+ trong các hợp chất TiO2, Ti, TiO, Ti2O3 theo năng lượng ion — mất mát năng lượng giảm theo năng lượng ion tới (nhất quán với tính toán SRIM), dẫn đến mức tương tác tại vùng phân cách cao hơn và do đó mức trộn lẫn lớn hơn, phù hợp với kết quả RBS.

Mục 3.3 — Tính chất quang học của lớp TiO2/SiO2 trộn lẫn từ quang phổ Elip

Bảng 8 tổng hợp độ dày và thành phần pha của lớp chuyển tiếp thu được từ thực nghiệm ES với mô hình EMA, đối chiếu với kết quả RBS. Hình 3.16 trình bày phổ góc elip Ψ và Δ của mẫu nguyên bản và mẫu cấy Xe+ 250 keV cùng đường khớp tính toán tốt nhất (best fit). Hình 3.17 cho thấy phổ chỉ số khúc xạ n và hệ số tắt k điển hình của lớp chuyển tiếp theo bước sóng. Chỉ số khúc xạ và hệ số tắt của lớp trộn lẫn tăng với năng lượng ion từ 100 đến 200 keV, rồi giảm ở 250 keV. Khoảng cách vùng cấm quang học E_g của vùng trộn lẫn TiO2/SiO2 được xác định qua đồ thị (αhν)² và (αhν)^(1/2) theo năng lượng photon (Hình 3.18), và sự biến đổi E_g theo năng lượng ion Xe được trình bày trong Hình 3.19.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Theo nội dung văn bản, luận án rút ra các kết quả và đóng góp sau:

Về cơ chế và mức độ trộn lẫn:

Yếu tố	Xu hướng quan sát
Năng lượng ion tăng	Mức trộn lẫn tăng tuyến tính
Khối lượng ion tăng	Mức trộn lẫn tăng mạnh
Độ dày lớp TiO2 giảm (20 nm so với 30 nm)	DPA lớn hơn, mức trộn lẫn vượt trội

Ion năng lượng cao hơn bứt và dịch chuyển các hạt nhân đích xuống sâu hơn dưới bề mặt phân cách; ion nặng hơn tương tác với nhiều nguyên tử hơn trong vùng trộn lẫn. Quá trình trộn lẫn xảy ra trên cơ sở dòng thác nguyên tử dịch chuyển sinh ra tại mặt phân cách TiO2/SiO2.

Về tính chất quang học:

Chỉ số khúc xạ và hệ số tắt của lớp trộn lẫn tăng khi cấy ion ở 100–200 keV và bắt đầu giảm ở 250 keV. Biến đổi này được giải thích qua thay đổi hàm lượng TiO2 trong vùng chuyển tiếp tương ứng với mức độ sai hỏng khác nhau ở mỗi mức năng lượng.

Về thành phần hóa học (XPS — đóng góp được tác giả nhấn mạnh là "lần đầu tiên"):

Hàm lượng TiO2 trong lớp gần bề mặt tăng theo năng lượng ion trong khi Ti, TiO, Ti2O3 giảm. Mối liên hệ giữa thay đổi thành phần hóa học và mức trộn lẫn theo năng lượng ion được thiết lập định lượng lần đầu cho hệ oxide/oxide này.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản có mục "Conclusions and Future Scope" nhưng phần nội dung chi tiết của mục này không được trích dẫn đầy đủ trong fulltext được cung cấp. Dựa trên phạm vi thực nghiệm đã mô tả, một số giới hạn có thể nhận thấy từ thiết kế nghiên cứu là:

• Mô phỏng SRIM giả định mục tiêu là vô định hình và không tính đến lịch sử va chạm từ các lần chiếu trước, do đó số lượng nguyên tử dịch chuyển thực tế nhỏ hơn dự đoán.
• SRIM không xem xét tái kết hợp điểm khuyết tật (point defect recombination) và đặc tính định hướng của mạng tinh thể.
• Phép đo XPS chỉ được thực hiện cho ion Ne+ (không có dữ liệu XPS cho Ar+, Kr+, Xe+) theo nội dung fulltext được cung cấp.
• Tiêu đề mục kết luận đề cập "Future Scope" nhưng nội dung cụ thể của hướng nghiên cứu tiếp theo không được trình bày trong phần văn bản được cung cấp.

---

Giá trị tham khảo

Nghiên cứu sinh và giảng viên thuộc các chuyên ngành Vật lý Hạt nhân, Vật lý Nguyên tử, Khoa học Vật liệu, và Kỹ thuật Màng mỏng có thể tham khảo:

• Chương 1 về lý thuyết va chạm đàn hồi, tiết diện Rutherford, cơ chế trộn lẫn dội ngược và dòng thác — như tài liệu tổng quan ngắn gọn có trích dẫn các công trình kinh điển.
• Chương 2 về quy trình thực nghiệm RBS kết hợp ES và XPS cho hệ màng mỏng đa lớp — có thể dùng làm tài liệu phương pháp luận cho các nghiên cứu tương tự.
• Chương 3 về cách xây dựng quan hệ định lượng giữa thông số ion (năng lượng, khối lượng) và mức trộn lẫn.

Người làm chính sách và kỹ thuật trong lĩnh vực năng lượng mặt trời và sản xuất lớp phủ quang học có thể tham khảo kết quả về biến đổi chỉ số khúc xạ và khoảng cách vùng cấm E_g của hệ TiO2/SiO2 sau chiếu xạ — liên quan đến thiết kế lớp phủ ARC bền bức xạ.

Cán bộ nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm máy gia tốc quan tâm đến kỹ thuật RBS, mô phỏng SIMNRA/SRIM, hoặc ES với mô hình EMA có thể tham khảo cách tác giả kết hợp và đối chiếu kết quả từ ba phương pháp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án chọn bốn ion khí hiếm Ne+, Ar+, Kr+, Xe+ thay vì các ion khác?

Việc sử dụng ion khí hiếm cho phép biến đổi cấu trúc vật lý thuần túy của mẫu vì các ion này không tạo liên kết hóa học với nguyên tử đích trong quá trình tương tác. Điều này tách biệt ảnh hưởng vật lý (trộn lẫn do va chạm) khỏi ảnh hưởng hóa học, giúp diễn giải cơ chế trộn lẫn rõ ràng hơn.

2. Kết quả RBS cho thấy xu hướng cụ thể nào về mức trộn lẫn theo khối lượng ion?

Độ dày tương đối r_t của lớp chuyển tiếp tăng mạnh theo khối lượng nguyên tử của ion (Hình 3.9). Tham số mất mát năng lượng và mật độ ion trong vùng trộn lẫn cũng tăng theo khối lượng (Hình 3.10). Các ion nặng hơn tương tác với nhiều nguyên tử hơn trong vùng trộn lẫn, dẫn đến mức độ trộn lẫn tăng mạnh, được giải thích qua thông số tương tác tại vùng TiO2/SiO2 trong Bảng 4 (SRIM).

3. Tại sao chỉ số khúc xạ và hệ số tắt tăng ở 100–200 keV nhưng lại giảm ở 250 keV?

Sự thay đổi này được giải thích bằng sự biến đổi hàm lượng TiO2 trong vùng chuyển tiếp do sự khác biệt về mức độ sai hỏng được tạo ra ở các mức năng lượng ion khác nhau. Cụ thể, mức độ sai hỏng và cấu trúc vùng trộn lẫn thay đổi khi năng lượng ion vượt 200 keV, dẫn đến hàm lượng TiO2 và theo đó các hằng số quang của lớp trộn lẫn thay đổi chiều.

4. Mẫu có lớp TiO2 dày 20 nm (nhóm 1) trộn lẫn nhiều hơn hay ít hơn mẫu 30 nm (nhóm 2)?

Theo Bảng 5, hệ số góc (slope) của hàm tuyến tính r_t theo năng lượng của nhóm 1 (20 nm TiO2) lớn hơn nhóm 2 (30 nm TiO2), nghĩa là mẫu có lớp TiO2 mỏng hơn trộn lẫn vượt trội hơn. Bảng 6 xác nhận nguyên nhân: DPA tính cho độ dày 20 nm dưới đáy lớp TiO2 của mẫu cấy Ar, Kr, Ne lớn hơn so với mẫu dày hơn — các ion tạo ra nhiều nguyên tử dịch chuyển sơ cấp hơn đối với cấu trúc lớp mỏng.

5. Phương pháp XPS phát hiện những thay đổi gì trong thành phần hóa học lớp TiO2 sau cấy Ne+?

Phổ Ti 2p (Hình 3.12) cho thấy trước cấy ion, lớp TiO2 gần bề mặt chứa hỗn hợp Ti, TiO, TiO2, Ti2O3. Sau cấy Ne+ ở các năng lượng 100, 150, 200, 250 keV, hàm lượng TiO2 tăng theo năng lượng ion trong khi hàm lượng của Ti, TiO và Ti2O3 giảm (Hình 3.13). Xu hướng này liên quan đến việc mất mát năng lượng của Ne+ trong TiO2 giảm theo năng lượng ion tới (Hình 3.14, tính toán SRIM), dẫn đến mức năng lượng tương tác tại vùng phân cách cao hơn và do đó mức trộn lẫn lớn hơn — kết quả nhất quán với phép đo RBS.

---

Kết luận

Luận án nghiên cứu thực nghiệm quá trình trộn lẫn chùm ion trong hệ TiO2/SiO2 sử dụng bốn ion khí hiếm Ne+, Ar+, Kr+, Xe+ ở bốn mức năng lượng 100–250 keV, kết hợp ba phương pháp đặc trưng (RBS, XPS, ES) và mô phỏng SRIM. Kết quả xác nhận mức trộn lẫn tăng tuyến tính theo năng lượng và tăng mạnh theo khối lượng ion, đồng thời chỉ ra rằng cấu trúc lớp TiO2 mỏng hơn cho mức trộn lẫn vượt trội hơn do tạo ra nhiều DPA hơn. Lần đầu tiên đối với hệ oxide/oxide này, sự phụ thuộc của mức trộn lẫn vào thành phần hóa học thay đổi theo năng lượng ion được khảo sát định lượng bằng XPS. Biến đổi các hằng số quang (n, k, E_g) của lớp trộn lẫn theo năng lượng ion được xác lập bằng quang phổ Elip, cung cấp thông tin có ý nghĩa cho việc kiểm soát tính chất quang học của lớp phủ TiO2/SiO2 trong ứng dụng ARC cho pin mặt trời.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- TRẦN VĂN PHÚC NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ TRONG PHÂN TÍCH VẬT LIỆU TIO2/SIO2 SỬ DỤNG CHÙM ION TỪ MÁY GIA TỐC LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN Hà Nội - 2023 MINISTRY OF VIETNAM ACADEMY EDUCATION AND OF SCIENCE AND TECHNOLOGY TRAINING GRADUATE UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY ----------------------------- TRẦN VĂN PHÚC STUDY ON APPLICATION OF THE NUCLEAR METHODS FOR ANALYSIS TIO2/SIO2 MATERIAL USING ACCELERATED ION BEAM ATOMIC PHYSICS DOCTORAL THESIS Hanoi – 2023 MINISTRY OF VIETNAM ACADEMY EDUCATION AND OF SCIENCE AND TECHNOLOGY TRAINING GRADUATE UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY ----------------------------- TRẦN VĂN PHÚC STUDY ON APPLICATION OF THE NUCLEAR METHODS FOR ANALYSIS TIO2/SIO2 MATERIAL USING ACCELERATED ION BEAM Major: Atomic Physics Code: 9440106 ATOMIC PHYSICS DOCTORAL THESIS SUPERVISORS: 1. LÊ HỒNG KHIÊM 2. MIROSŁAW KULIK Hanoi - 2023 1 TÓM TẮT Luận án nghiên cứu cơ chế trộn lẫn nguyên tử của TiO2/SiO2 gây ra bởi chiếu xạ ion và các tác động liên quan làm biến đổi tính chất quang và tính chất hóa học của hệ. Các mẫu vật liệu đã được chiếu bốn loại ion khí hiếm bao gồm Ne+, Ar+, Kr+ và Xe+ tại bốn mức năng lượng khác nhau 100, 150, 200, và 250 keV.

Phương pháp tán xạ ngược Rutherford (RBS) đã được sử dụng để xác định biến đổi độ dày cấu trúc của các lớp TiO2, SiO2 và cả vùng chuyển tiến giữa hai lớp này trước và sau khi chiếu xạ. Theo đó, sự hình thành của các lớp trộn lẫn được mô tả và mức độ trộn lẫn được định lượng. Kết quả cho thấy quá trình trộn lẫn xảy ra trên cơ sở của dòng thác nguyên tử chuyển dời được sinh ra tại mặt phân cách TiO2/SiO2 bởi các ion mang năng lượng. Các ion có năng lượng cao hơn bứt và dịch chuyển các hạt nhân tới các vị trí sâu hơn dưới bề mặt phân cách, trong khi các nguyên tử nặng hơn tương tác với nhiều nguyên tử hơn tại vùng trộn lẫn, kết quả là mức độ trộn lẫn tăng tuyến tính theo năng lượng và tăng mạnh theo khối lượng của ion.

Các ion tạo ra nhiều sai hỏng hay nguyên tử bị dịch chuyển sơ cấp hơn đối với TiO2/SiO2 có độ dày lớp mỏng, do đó cấu trúc này có mức độ trộn lẫn vượt trội hơn sau chiếu xạ. Những biến đổi của các hằng số quang của các lớp TiO2/SiO2 trộn lẫn đã được khảo sát bằng phương pháp quang phổ Elip. Chỉ số khúc xạ và hệ số tắt của các lớp trộn lẫn tăng lên khi mẫu được chiếu bởi các ion có năng lượng từ 100 đến 200 keV và bắt đầu giảm xuống đối với mức năng lượng 250 keV. Sự biến đổi này do ảnh hưởng trực tiếp của việc thay đổi hàm lượng TiO 2 trong vùng chuyển tiếp gây ra bởi khác biệt về mức độ sai hỏng được tạo ra đối với các mức năng lượng ion khác nhau.

Ngoài ra, biến đổi về hàm lượng của các hợp chất trong lớp TiO2 gần bề mặt (gồm Ti, TiO, TiO2, Ti2O3) sau khi cấy được khảo sát theo năng lượng của ion tới bằng phương pháp đo phổ quang điện tử tia X (XPS). Hàm lượng của TiO 2 tăng trong khi các hợp chất khác giảm theo năng lượng ion. Đồng thời, mất mát năng lượng của ion trong TiO2 giảm theo năng lượng ion tới (tính toán SRIM), hay mức năng lượng tương tác của ion tại vùng phân cách cao hơn, dẫn đến mức độ trộn lẫn giữa các lớp TiO2 và SiO2 lớn hơn, phù hợp với các kết quả đã đạt được bằng phương pháp RBS. 2 ABSTRACT In the present dissertation, ion-beam-induced mixing of TiO2/SiO2 and the related effects resulting in variation of optical and chemical properties of this system have been studied.