Tổng quan luận án

Vật liệu bán dẫn nano thuộc nhóm IVA, đặc biệt là silic (Si) và germani (Ge), đóng vai trò nền tảng trong kỹ thuật vi điện tử và quang điện tử. Mặc dù Si và Ge ở dạng tinh thể khối đã được nghiên cứu và ứng dụng sâu rộng trong công nghiệp, các tính chất vật lý của chúng ở kích thước nanomet khi lai hóa thành hợp kim $Si_{1-x}Ge_x$ phân tán trong môi trường điện môi vô định hình $SiO_2$ vẫn còn nhiều khía cạnh chưa được giải quyết đồng nhất. Ở kích thước khối, Si và Ge là các bán dẫn vùng cấm xiên với hiệu suất phát quang rất thấp (khoảng $10^{-6}$ đối với Si). Khi chuyển sang cấu trúc nano, hiệu ứng giam cầm lượng tử và hiệu ứng bề mặt làm thay đổi cấu trúc điện tử, mở ra tiềm năng điều chỉnh độ rộng vùng cấm và nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang - điện, đặc biệt là hiệu ứng nhân hạt tải điện (Carrier Multiplication - CM / Multiple Exciton Generation - MEG) phục vụ phát triển pin mặt trời thế hệ mới. Tuy nhiên, các đặc trưng quang học, hiệu suất lượng tử và động học hạt tải của hợp kim nano $Si_{1-x}Ge_x$ vẫn tồn tại nhiều mâu thuẫn giữa lý thuyết và thực nghiệm. Nhằm giải quyết các vấn đề trên, luận án tiến sĩ với đề tài “Chế tạo nano tinh thể hợp kim SiGe trên nền $SiO_2$ và nghiên cứu một số tính chất của chúng” đã được thực hiện.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu và hiểu được một số hiện tượng, tính chất vật lý của vật liệu nano lai hóa giữa Si và Ge trong nền $SiO_2$ vô định hình.
  2. Làm chủ công nghệ chế tạo và chế tạo thành công hệ vật liệu nano lai hóa giữa Si và Ge có thành phần thay đổi, từ đó nghiên cứu phân tích ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo, thành phần, kích thước lên các tính chất vật lý của chúng.
  3. Sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ trong xấp xỉ gradient tổng quát (DFT-GGA) và phương trình trạng thái Murnaghan thực hiện các tính toán, phân tích tinh thể của hệ vật liệu nano lai hóa giữa Si và Ge có thành phần thay đổi.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ vật liệu hợp kim đơn tinh thể nano $Si_{1-x}Ge_x$ với thành phần $x$ thay đổi trong khoảng từ $0,2$ đến $0,8$, được phân tán trong màng nền điện môi $SiO_2$ vô định hình có độ rộng vùng cấm lớn.
  • Phạm vi thực hiện: Luận án được triển khai chủ yếu tại Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS) - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Quá trình chế tạo mẫu và một số phép đo quang phổ chuyên sâu được tiến hành tại Viện Vật lý Van der Waals - Zeeman (WZI) và Viện Khoa học Phân tử Van 't Hoff thuộc Đại học Amsterdam (Hà Lan).
  • Quy mô công trình: Luận án gồm 126 trang, 68 hình vẽ và đồ thị, 09 bảng biểu số liệu cùng 127 tài liệu tham khảo.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Nghiên cứu về hiệu ứng nhân hạt tải điện (CM) và tính chất quang điện tử của cấu trúc nano bán dẫn nhóm IV đã thu hút sự quan tâm lớn của cộng đồng khoa học quốc tế. Điển hình trong năm 2011, hàng loạt công trình liên quan trực tiếp đến hiện tượng nhân hạt tải điện đã được công bố trên các tạp chí khoa học như Nature (4 bài), Science (2 bài), Nano Letters (7 bài), Physical Review (9 bài), ACS Nano (5 bài) và Applied Physics Letters (5 bài). Các nhóm nghiên cứu quốc tế tiêu biểu trong lĩnh vực này bao gồm:

  • Nhóm nghiên cứu của GS. T. Gregorkiewicz tại Viện WZI, Đại học Amsterdam (Hà Lan).
  • Nhóm nghiên cứu của GS. L. Siebbeles tại Đại học Kỹ thuật Delft (Hà Lan).
  • Nhóm nghiên cứu của GS. V. Klimov tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos (Hoa Kỳ).
  • Nhóm nghiên cứu của GS. A. Nozik tại Phòng thí nghiệm Quốc gia về Năng lượng Tái tạo (NREL) và Đại học Colorado (Hoa Kỳ).
  • Nhóm nghiên cứu của GS. C. Delerue tại Viện Điện tử, Vi điện tử và Công nghệ Nano (IEMN, Pháp).
  • Nhóm nghiên cứu của GS. R. Eran tại Đại học Tel Aviv (Israel).
  • Nhóm nghiên cứu của GS. M. Brendel tại Viện Nghiên cứu Trạng thái Rắn Max Planck (MPI-FKF, Đức).

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về tính chất quang của vật liệu bán dẫn kích thước nano cũng được triển khai tại nhiều cơ quan nghiên cứu lớn:

  • Nhóm của GS. Nguyễn Quang Liêm tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam tập trung vào các bán dẫn hợp chất nhóm III-V và II-VI.
  • Nhóm của PGS. Lục Huy Hoàng tại Trường Đại học Sư phạm Hà Nội.
  • Nhóm của GS. Nguyễn Ngọc Long tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.
  • Nhóm của GS. Nguyễn Đức Chiến, PGS. Phạm Thành Huy và PGS. Nguyễn Hữu Lâm tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội với các nghiên cứu về vật liệu huỳnh quang nano ứng dụng trong chiếu sáng và quang tử.
  • Nhóm của PGS. Dư Thị Xuân Thảo tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết: Phần lớn các công trình trong nước và quốc tế trước đây tập trung vào bán dẫn hợp chất II-VI, III-V hoặc vật liệu Si, Ge khối đơn thuần. Các nghiên cứu chuyên sâu về hệ vật liệu nano tinh thể hợp kim $Si_{1-x}Ge_x$ phân tán trong nền vô định hình $SiO_2$ với dải thành phần $x$ thay đổi có kiểm soát ($x = 0,2 \div 0,8$) còn rất hạn chế. Đặc biệt, cơ chế động học của hạt tải điện sau kích thích quang học, bản chất của quá trình hồi phục nhanh không bức xạ dẫn đến hiệu suất phát quang thấp và sự tương thích giữa mô phỏng cấu trúc vùng năng lượng bằng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT-GGA) với phương pháp bán thực nghiệm $k\cdot p$ vẫn chưa được làm sáng tỏ đầy đủ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng tính toán lý thuyết:

Khung lý thuyết và mô hình phân tích

  1. Cấu trúc vùng năng lượng và cơ chế tái hợp: Phân tích bán dẫn vùng cấm xiên với sự phụ thuộc năng lượng theo vectơ sóng $E(k) = E_C + \frac{\hbar^2 k^2}{2m_e^}$ (vùng dẫn) và $E(k) = E_V - \frac{\hbar^2 k^2}{2m_p^}$ (vùng hóa trị). Phân tích các cơ chế tái hợp bức xạ:
    • Tái hợp vùng - vùng: Chuyển dời thẳng hoặc xiên có sự tham gia của phonon ($h\nu = E_c - E_v \pm E_p$).
    • Tái hợp cặp donor - acceptor: $h\nu = E_g - E_A - E_D + \frac{q^2}{\varepsilon r}$.
    • Tái hợp exciton: $h\nu = E_g - E_{exc} \pm m E_p$ (với $E_{exc} = E_{exc}^0 / n^2$).
    • Tái hợp vùng - tạp chất: $h\nu \approx E_g - E_D \pm E_p$.
  2. Hiệu ứng giam cầm lượng tử và hiệu ứng bề mặt: Phân tích biến đổi mật độ trạng thái điện tử theo số chiều giam giữ:
    • Hệ 3D (khối): $g_{3d}(E) \propto E^{1/2}$.
    • Hệ 2D (giếng lượng tử): $g_{2d}(E) = \text{hằng số}$.
    • Hệ 1D (dây lượng tử): $g_{1d}(E) \propto E^{-1/2}$.
    • Hệ 0D (chấm lượng tử): $g_{0d}(E) \propto \delta(E)$, với các dịch chuyển quang học giữa các mức năng lượng lượng tử hóa $1S_{3/2} \rightarrow 1S_e$, $1P_{3/2} \rightarrow 1P_e$.
    • Tỷ số nguyên tử bề mặt: $k = N_s/N = 4R_0/R$, đóng vai trò quyết định đến các bẫy tái hợp không bức xạ.
  3. Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT):
    • Hai định lý Hohenberg - Kohn xác định năng lượng trạng thái cơ bản là phiếm hàm duy nhất của mật độ điện tử $\rho(r)$: $E_v[\rho] = \int \rho(r) V_{ext}(r) dr + F_{HK}[\rho]$.
    • Phương trình Kohn - Sham: $\left[ -\frac{\hbar^2}{2m} \nabla^2 + V_{eff}(r) \right] \psi_i(r) = \varepsilon_i \psi_i(r)$, với thế hiệu dụng $V_{eff}(r) = V_{ext}(r) + e^2 \int \frac{\rho(r')}{|r - r'|} dr' + v_{xc}(r)$.
    • Xấp xỉ trao đổi tương quan: Xấp xỉ mật độ địa phương (LDA) theo Perdew - Zunger và xấp xỉ gradient tổng quát (GGA) theo sơ đồ GGA-PBE có tính đến gradient rút gọn $s = \frac{|\nabla\rho|}{2(3\pi^2)^{1/3}\rho^{4/3}}$.
    • Tương tác spin - quỹ đạo (SOC): Được mô tả qua số hạng Halmitonian nhiễu loạn Dirac - Kohn - Sham $H_{SOC} = \frac{\hbar^2}{4m^2c^2} \frac{1}{r} \frac{dV}{dr} (\vec{\sigma} \cdot \vec{L})$.
    • Phương pháp giả thế sóng phẳng: Cắt số sóng tại $K_{max} = \sqrt{2E_{max}}$, giải tự hợp thông qua gói phần mềm mã nguồn mở Quantum ESPRESSO.
  4. Phương pháp bán thực nghiệm $k\cdot p$: Khai triển hàm sóng Bloch quanh các điểm đối xứng cao trong vùng Brillouin để tính toán độ cong và sự tách mức năng lượng.

Phương pháp thực nghiệm và thu thập dữ liệu

  • Chế tạo màng: Công nghệ đồng phún xạ catốt tần số radio (RF co-sputtering) sử dụng đồng thời ba bia Si, Ge và $SiO_2$ lên phiến đế thạch anh.
  • Xử lý nhiệt: Quá trình nung ủ tạo tinh thể nano được thực hiện trong môi trường chân không, môi trường khí argon (Ar) và khí nitơ ($N_2$).
  • Khảo sát cấu trúc và hình thái: Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM), nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ tán xạ Raman.
  • Khảo sát quang học và động học: Phổ hấp thụ liên tục, phổ huỳnh quang liên tục (PL), phổ huỳnh quang phân giải thời gian (TRPL) xác định thời gian sống của hạt tải, phổ hấp thụ cảm ứng (PIA), các phép đo quang phổ phi tuyến và phương pháp đo nhiều chùm tia (multi-beam).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về vật liệu bán dẫn Ge và Si

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về cấu trúc tinh thể, cấu trúc vùng năng lượng, các cơ chế tái hợp bức xạ và các hiệu ứng lượng tử của hai vật liệu bán dẫn nhóm IVA (Ge, Si) cùng vật liệu nền điện môi $SiO_2$.

Ge và Si đều kết tinh theo cấu trúc mạng kiểu kim cương với mỗi nguyên tử liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử lân cận thông qua lai hóa $sp^3$. Về cấu trúc vùng năng lượng trong không gian $k$, cả Ge và Si đều là bán dẫn vùng cấm xiên:

  • Cực tiểu vùng dẫn của Ge nằm tại điểm $L$ dọc theo hướng $[111]$ trong vùng Brillouin, gồm 4 elip đẳng năng. Độ rộng vùng cấm thẳng tại tâm vùng là $0,8\text{ eV}$, trong khi độ rộng vùng cấm xiên là $0,66\text{ eV}$ (ở $300\text{ K}$) và $0,69\text{ eV}$ (ở $0\text{ K}$).
  • Cực tiểu vùng dẫn của Si nằm trên trục $[100]$ hướng về điểm $X$, gồm 6 thung lũng đẳng năng. Cực đại vùng hóa trị tách nhánh do tương tác spin - quỹ đạo với khoảng hạ thấp $\Delta E_S = 0,035\text{ eV}$. Độ rộng vùng cấm xiên của Si là $1,12\text{ eV}$ (ở $300\text{ K}$) và $1,17\text{ eV}$ (ở $0\text{ K}$).

Sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm xiên vào nhiệt độ ($T$) được xác định theo các biểu thức: $$\text{Đối với Ge: } E_g(T) = 0,782 - \frac{4,77 \times 10^{-4} T^2}{T + 235}\text{ (eV)}$$ $$\text{Đối với Si: } E_g(T) = 1,17 - \frac{4,73 \times 10^{-4} T^2}{T + 636}\text{ (eV)}$$

Bảng tổng hợp các thông số vật lý cơ bản của Ge, Si và $SiO_2$ được trình bày trong luận án:

Thông số vật lý Germani (Ge) Silic (Si) Điôxit-silic ($SiO_2$)
Số nguyên tử ($Z$) 32 14 —
Nguyên tử lượng 72,6 28,1 —
Cấu hình điện tử $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^2 4p^2$ $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^2$ —
Cấu trúc tinh thể Kiểu kim cương Kiểu kim cương Vô định hình / Tinh thể
Hằng số mạng ở $300\text{ K}$ ($\text{Å}$) 5,651 5,431 —
Khối lượng riêng ($\text{g/cm}^3$) 5,32 2,33 2,648
Hằng số điện môi ($\varepsilon$) 16 12 3,9
Chiết suất ($n$) — — 1,46
Nhiệt độ nóng chảy ($^\circ\text{C}$) 938 1412 $1600 \div 1725$
Mật độ nguyên tử ($\text{nguyên tử/cm}^3$) $4,4 \times 10^{22}$ $5,0 \times 10^{22}$ —
Nồng độ hạt dẫn riêng ở $300\text{ K}$ ($\text{cm}^{-3}$) $1,1 \times 10^{10}$ $1,5 \times 10^{10}$ —
Độ rộng vùng cấm ở $0\text{ K}$ ($\text{eV}$) 0,69 1,17 —
Độ rộng vùng cấm ở $300\text{ K}$ ($\text{eV}$) 0,66 1,12 9,0
Loại vùng cấm Vùng cấm xiên Vùng cấm xiên Vùng cấm rộng

Khi giảm kích thước hạt xuống cấp độ nanomet, bán kính Bohr exciton của Ge ($\approx 24\text{ nm}$) lớn hơn nhiều so với của Si ($\approx 5\text{ nm}$), dẫn đến hiệu ứng giam cầm lượng tử ở Ge xuất hiện tại kích thước hạt lớn hơn và mạnh hơn so với Si.

Chương 2. Các phương pháp nghiên cứu và chế tạo vật liệu

Chương 2 trình bày chi tiết cơ sở toán học của các phương pháp mô phỏng lý thuyết và quy trình công nghệ thực nghiệm:

  • Phương pháp DFT và thuật toán giải tự hợp: Luận án trình bày chi tiết quy trình giải phương trình Kohn - Sham thông qua việc lặp tự hợp từ mật độ điện tử thử $\rho_{trial}(r)$, xác định thế hiệu dụng $V_{eff}(r)$, tính các trị riêng $\varepsilon_i$ và hàm sóng $\psi_i$, từ đó cập nhật mật độ điện tử mới $\rho(r) = \sum_{i=1}^N |\psi_i|^2$ cho đến khi đạt tiêu chí hội tụ năng lượng tổng cộng.
  • Xử lý thế tương quan trao đổi: Trình bày chi tiết công thức Perdew - Zunger cho năng lượng tương quan trao đổi $\varepsilon_c^{PZ}(r_s)$ trong xấp xỉ LDA và hàm hiệu chỉnh gradient $F_x^{GGA}(s) = 1 + \kappa - \frac{\kappa}{1 + \mu s^2 / \kappa}$ trong xấp xỉ GGA-PBE.
  • Phương pháp giả thế (Pseudopotential): Thay thế thế tương tác mạnh của điện tử vùng lõi bằng một thế tương đương làm trơn hàm sóng hóa trị nhưng bảo toàn các giá trị riêng năng lượng, giải phương trình trên cơ sở sóng phẳng khai triển qua phần mềm Quantum ESPRESSO.
  • Phương pháp bán thực nghiệm $k\cdot p$: Thiết lập phương trình ma trận nhiễu loạn mô tả cấu trúc vùng năng lượng quanh các điểm đối xứng cao $k_0$.
  • Quy trình công nghệ thực nghiệm: Thiết lập các thông số phún xạ catốt RF đồng thời từ các bia Si, Ge, $SiO_2$; quy trình ủ nhiệt mẫu màng mỏng trong dải nhiệt độ kiểm soát với các môi trường khí bảo vệ nhằm tạo điều kiện cho các nguyên tử Si và Ge khuếch tán, kết tụ tạo thành các hạt nano hợp kim đơn tinh thể $Si_{1-x}Ge_x$ phân tán đồng đều trong chất nền $SiO_2$.

Chương 3. Các đặc trưng vật lý của vật liệu

Chương 3 tập trung phân tích các kết quả thực nghiệm về hình thái, cấu trúc tinh thể và các tính chất quang phổ, động học hạt tải của màng mỏng nano hợp kim $Si_{1-x}Ge_x$:

  • Phân tích cấu trúc và hình thái tinh thể:
    • Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM) xác nhận sự hình thành của các hạt nano đơn tinh thể $Si_{1-x}Ge_x$ có dạng hình cầu/elip phân tán độc lập trong nền vô định hình $SiO_2$.
    • Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ tán xạ Raman cho thấy sự xuất hiện rõ nét của các đỉnh dao động mạng đặc trưng cho các liên kết $Ge-Ge$, $Si-Ge$ và $Si-Si$. Tần số dao động của các đỉnh này dịch chuyển phụ thuộc tuyến tính vào tỷ lệ thành phần $x$ ($x = 0,2 \div 0,8$), chứng minh sự hình thành dung dịch rắn hợp kim đồng nhất chứ không phải các pha Si và Ge tách rời.
  • Tính chất quang và động học hạt tải:
    • Phổ hấp thụ quang học ghi nhận sự dịch chuyển bờ hấp thụ về phía năng lượng cao khi kích thước hạt nano giảm, phù hợp với mô hình giam cầm lượng tử. Luận án xác định năng lượng của quá trình hấp thụ trực tiếp tạo cặp điện tử - lỗ trống tại vị trí giữa điểm $\Gamma$ và điểm $L$ trong vùng Brillouin đối với màng nano $Si_{1-x}Ge_x$ ($x = 0,2 \div 0,8$).
    • Phổ phát quang (PL) và phổ huỳnh quang phân giải thời gian (TRPL) cho thấy cường độ phát xạ huỳnh quang của các hạt nano $Si_{1-x}Ge_x$ trong nền $SiO_2$ tương đối yếu. Phân tích thời gian sống của hạt tải chỉ ra sự tồn tại của quá trình hồi phục siêu nhanh không bức xạ (thời gian sống ngắn) do các hạt tải quang sinh bị bẫy nhanh chóng bởi các trạng thái khuyết tật bề mặt và ranh giới pha giữa hạt nano $SiGe$ và mạng nền $SiO_2$.

Chương 4. Ứng dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ và phương pháp k.p trong nghiên cứu vật liệu

Chương 4 trình bày các kết quả tính toán mô phỏng cấu trúc điện tử của hợp kim nano $Si_{1-x}Ge_x$:

  • Mô phỏng cấu trúc tinh thể bằng DFT-GGA:
    • Ứng dụng lý thuyết DFT-GGA kết hợp phương trình trạng thái Murnaghan để tối ưu hóa hình học ô mạng cơ sở và tính toán sự thay đổi hằng số mạng tinh thể theo nồng độ Ge ($x$). Kết quả tính toán chỉ ra rằng hằng số mạng tăng dần từ giá trị của Si tinh khiết ($5,431\text{ Å}$) đến Ge tinh khiết ($5,651\text{ Å}$), tuân theo độ lệch nhỏ so với định luật Vegard do ảnh hưởng của liên kết lai hóa.
  • Tính toán cấu trúc vùng năng lượng:
    • Xác định sự biến đổi của độ rộng vùng cấm $E_g$ và vị trí các cực trị vùng dẫn, vùng hóa trị trong vùng Brillouin khi thay đổi $x$ từ $0,2$ đến $0,8$.
    • So sánh đối chiếu kết quả tính toán cấu trúc vùng giữa phương pháp DFT-GGA và phương pháp bán thực nghiệm $k\cdot p$. Sự phù hợp cao giữa hai phương pháp lý thuyết độc lập đã khẳng định độ tin cậy của mô hình cấu trúc điện tử được xây dựng, đóng vai trò giải thích định lượng cho các chuyển dời quang học quan sát được trong thực nghiệm.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới cụ thể:

  1. Về mặt học thuật và cơ chế vật lý:
    • Đã giải thích cơ chế hình thành hạt nano trong vật liệu nano tinh thể của hợp kim $Si_{1-x}Ge_x$ và quan sát thấy năng lượng của quá trình hấp thụ trực tiếp tạo ra cặp điện tử - lỗ trống tại vị trí giữa điểm $\Gamma$ và $L$ trong vùng Brillouin đối với vật liệu bán dẫn hợp kim nano $Si_{1-x}Ge_x$ có $x$ thay đổi từ $0,2$ đến $0,8$.
    • Đã giải thích nguyên nhân gây ra sự phát xạ kém của các nano SiGe trong mạng nền $SiO_2$ chế tạo được thông qua các nghiên cứu quá trình hồi phục nhanh của các hạt tải điện sinh ra sau quá trình kích thích quang học.
    • Kết quả nghiên cứu và tính toán cấu trúc vùng năng lượng theo phương pháp DFT-GGA có sự phù hợp với tính toán dùng phương pháp $k\cdot p$, đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích các tính chất vật lý của vật liệu hợp kim nano SiGe.
  2. Về mặt thực tiễn và công bố khoa học:
    • Đã làm chủ công nghệ đồng phún xạ catốt RF và xử lý nhiệt để chế tạo thành công màng mỏng chứa các hạt nano hợp kim $Si_{1-x}Ge_x$ phân tán trong chất nền $SiO_2$ với thành phần mong muốn, tạo tiền đề cho các nghiên cứu ứng dụng chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao và linh kiện quang điện tử hồng ngoại.
    • Toàn bộ kết quả nghiên cứu trong luận án đã được công bố trong 06 công trình khoa học, bao gồm:
      • 03 bài báo trên các tạp chí quốc tế thuộc danh mục ISI.
      • 02 bài báo trên các tạp chí khoa học chuyên ngành uy tín trong nước.
      • 01 bài báo trong kỷ yếu hội nghị khoa học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của nghiên cứu:
    • Hiệu suất phát quang của hệ vật liệu nano tinh thể $Si_{1-x}Ge_x$ phân tán trong nền $SiO_2$ còn thấp do mật độ các tâm tái hợp không bức xạ tại trạng thái bề mặt và liên kết hở ở vùng ranh giới pha còn cao.
    • Phạm vi khảo sát thành phần hợp kim $Si_{1-x}Ge_x$ trong luận án tập trung trong khoảng $x = 0,2 \div 0,8$.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Nghiên cứu các giải pháp xử lý bề mặt hoặc tạo lớp vỏ bọc chuyển tiếp nhằm thụ động hóa các liên kết hở, giảm thiểu các kênh tái hợp không bức xạ để nâng cao hiệu suất huỳnh quang.
    • Tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm chuyên sâu hơn về hiệu ứng nhân hạt tải điện (Carrier Multiplication - CM / MEG) trên hệ vật liệu $SiGe$ nano nhằm tối ưu hóa việc thu nhận và chuyển đổi photon năng lượng cao trong cấu trúc pin mặt trời.

Giá trị tham khảo

Nội dung luận án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Thuộc các chuyên ngành Vật lý chất rắn, Vật lý kỹ thuật, Khoa học vật liệu và Công nghệ nano; có thể tham khảo quy trình công nghệ chế tạo màng bằng phún xạ RF đa bia và phương pháp phân tích phổ phân giải thời gian.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu: Trong lĩnh vực tính toán mô phỏng vật liệu bán dẫn; có thể tham khảo phương pháp kết hợp mô phỏng DFT-GGA (Quantum ESPRESSO) và phương pháp bán thực nghiệm $k\cdot p$ trong việc tính toán cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu hợp kim bán dẫn nano.
  • Kỹ sư và chuyên gia công nghệ: Nghiên cứu phát triển các linh kiện quang điện tử, cảm biến hồng ngoại và pin mặt trời màng mỏng trên cơ sở công nghệ tương thích với dây chuyền vi điện tử Si.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lại chọn nghiên cứu hợp kim nano $Si_{1-x}Ge_x$ trên nền $SiO_2$ thay vì các vật liệu khối truyền thống?
Trả lời: Ở dạng khối, Si và Ge là bán dẫn vùng cấm xiên có hiệu suất phát quang rất thấp và độ rộng vùng cấm cố định ($0,66\text{ eV}$ với Ge và $1,12\text{ eV}$ với Si ở $300\text{ K}$). Khi đưa về kích thước nano và phân tán trong mạng nền $SiO_2$ có vùng cấm rộng ($9,0\text{ eV}$), hiệu ứng giam cầm lượng tử cho phép điều chỉnh độ rộng vùng cấm theo kích thước và thành phần $x$, đồng thời mở ra khả năng khai thác hiệu ứng nhân hạt tải điện (CM) để nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện trong pin mặt trời.

2. Sự khác biệt cơ bản về cấu trúc vùng năng lượng giữa Ge và Si khối là gì?
Trả lời: Mặc dù đều là bán dẫn vùng cấm xiên và có cấu trúc mạng kim cương, cực tiểu vùng dẫn của Ge nằm tại điểm $L$ theo hướng $[111]$ trong vùng Brillouin (gồm 4 elip đẳng năng), trong khi cực tiểu vùng dẫn của Si nằm trên trục $[100]$ hướng về điểm $X$ (gồm 6 thung lũng đẳng năng). Ngoài ra, độ rộng vùng cấm thẳng tại tâm vùng của Ge là $0,8\text{ eV}$ (chỉ cao hơn vùng cấm xiên $0,14\text{ eV}$), còn ở Si sự chênh lệch này lớn hơn nhiều.

3. Nguyên nhân chính dẫn đến hiệu suất phát quang thấp của màng nano $SiGe:SiO_2$ chế tạo được là gì?
Trả lời: Do các hạt tải điện quang sinh sau khi được kích thích chịu quá trình hồi phục siêu nhanh không bức xạ về các mức bẫy năng lượng tại bề mặt hạt nano và các liên kết hở ở vùng ranh giới pha giữa hạt nano $SiGe$ và chất nền $SiO_2$, làm triệt tiêu kênh tái hợp phát xạ bức xạ.

4. Luận án đã sử dụng những công cụ và xấp xỉ lý thuyết nào để mô phỏng cấu trúc tinh thể của hợp kim $Si_{1-x}Ge_x$?
Trả lời: Luận án sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) với xấp xỉ gradient tổng quát (GGA-PBE) kết hợp phương trình trạng thái Murnaghan và phương pháp giả thế sóng phẳng thông qua gói phần mềm Quantum ESPRESSO, đồng thời đối chiếu kết quả với phương pháp bán thực nghiệm $k\cdot p$.

5. Luận án đã công bố bao nhiêu công trình khoa học từ các kết quả nghiên cứu?
Trả lời: Các kết quả của luận án đã được công bố trong 06 công trình khoa học, gồm 03 bài báo trên các tạp chí quốc tế thuộc danh mục ISI, 02 bài báo trên các tạp chí khoa học chuyên ngành trong nước và 01 bài đăng trong kỷ yếu hội nghị khoa học.

Kết luận

Luận án tiến sĩ “Chế tạo nano tinh thể hợp kim SiGe trên nền $SiO_2$ và nghiên cứu một số tính chất của chúng” đã làm chủ quy trình công nghệ chế tạo màng mỏng chứa các hạt nano hợp kim $Si_{1-x}Ge_x$ ($x = 0,2 \div 0,8$) phân tán trong nền vô định hình $SiO_2$ bằng phương pháp đồng phún xạ catốt RF kết hợp ủ nhiệt. Công trình đã kết hợp đồng bộ các phép đo vi cấu trúc, quang học phân giải thời gian và mô phỏng lý thuyết DFT-GGA, $k\cdot p$ để làm sáng tỏ cơ chế hình thành pha tinh thể, quá trình hấp thụ trực tiếp giữa điểm $\Gamma$ và $L$, cũng như động học hồi phục nhanh không bức xạ của hạt tải điện. Các kết quả đạt được tạo tiền đề khoa học và công nghệ quan trọng cho việc nghiên cứu phát triển các thế hệ pin mặt trời hiệu suất cao và linh kiện quang điện tử trên cơ sở vật liệu bán dẫn nhóm IV.