MỞ ĐẦU Khi các nguồn năng lƣợng truyền thống nhƣ than đá, dầu mỏ đang dần cạn kiệt, nguồn cung cấp không ổn định với những bất lợi về điều kiện địa lý và công nghệ khai thác, nhiều nguồn năng lƣợng tái tạo nhƣ năng lƣợng sinh học, năng lƣợng gió, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng thủy triều và sóng biển,… đang đƣợc quan tâm nghiên cứu và khai thác, trong đó và đặc biệt nhất là một nguồn năng lƣợng gần nhƣ vô tận – năng lƣợng mặt trời. Sự phát triển nhanh chóng về khoa học và công nghệ, điện năng sinh ra từ nguồn năng lƣợng mặt trời không còn quá đắt đỏ đối với ngƣời tiêu dùng. Hơn nữa, việc khai loại năng lƣợng này chỉ yêu cần đầu tƣ ban đầu một lần và có thể dùng đƣợc trong nhiều năm tùy thuộc vào chất lƣợng và sự ổn định của vật liệu và linh kiện chế tạo. Nằm trên vùng khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới, Việt nam có giải phân bổ ánh nắng mặt trời thuộc loại cao trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, tiềm năng khai thác năng lƣợng mặt trời đƣợc đánh giá rất lớn.
Pin năng lƣợng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị thu nhận năng lƣợng mặt trời và chuyển đổi thành điện năng. Cấu tạo của pin mặt trời cơ bản gồm các điốt p-n. Dƣới ánh sáng mặt trời nó có khả năng tạo ra dòng điện nhờ các điện tử và lỗ trống đƣợc sinh ra dựa trên hiệu ứng quang điện. Các pin năng lƣợng mặt trời có rất nhiều ứng dụng.
Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà mạng lƣới điện chƣa vƣơn tới, các loại thiết bị viễn thám, cầm tay nhƣ các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, điện thoại di động,. Pin năng lƣợng mặt trời thƣờng đƣợc chế tạo thành các module hay các tấm năng lƣợng mặt trời nhằm tạo ra các tấm pin có diện tích tiếp xúc với ánh sáng mặt trời lớn. Vật liệu dùng để chế tạo pin mặt trời hiện nay chủ yếu là Si, mặc dù hiệu suất của loại vật liệu này chƣa cao, khoảng 15% cho các sản phẩm thƣơng mại. Hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng mặt trời lý thuyết có thể lên đến 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com khoảng 33 %, tuy nhiên để nâng cao đƣợc hiệu suất pin mặt trời trên cơ sở Si, yêu cầu về việc chế tạo vật liệu và linh kiện là rất cao và tốn kém.
Trong kĩ thuật điện tử chỉ sử dụng một số chất bán dẫn có cấu trúc đơn tinh thể, quan trọng nhất là hai nguyên tố Germani (Ge) và Silic (Si) thuộc nhóm 4 trong bảng tuần hoàn. Thông thƣờng Ge và Si đƣợc dùng làm chất chính còn các chất nhƣ Bo, Indi (nhóm 3), photpho, Asen (nhóm 5) làm tạp chất cho các vật liệu bán dẫn chính. Đặc điểm cấu trúc mạng tinh thể này là độ dẫn điện của nó rất nhỏ khi ở nhiệt độ thấp và nó sẽ tăng theo lũy thừa với sự tăng của nhiệt độ và tăng gấp bội khi có trộn thêm tạp chất. Si và Ge có tính chất chung trong cấu tạo nguyên tử của chúng là có 4 electron hóa trị ở trên phân lớp ngoài.
Giữa các nguyên tử Si (Ge) có sự liên kết đồng hóa trị, mỗi nguyên tử liên kết với 4 nguyên tử xung quanh bằng cách trao đổi electron của chúng với nhau [1, 2]. Vật liệu Ge khối có vùng dẫn xiên khoảng 0,66 eV có khả năng duy trì thời gian sống của hạt tải và một vùng dẫn thẳng trong khoảng 0,8 eV ở nhiệt độ phòng [2]. Với năng lƣợng vùng cấm này, vật liệu Ge đƣợc lựa chọn làm các linh kiện chuyển đổi ánh sáng hồng ngoại thành các tín hiệu điện – detector hồng ngoại với hiệu suất hấp thụ photon là khá tốt [20]. Chỉ xét riêng về độ rộng vùng cấm thì vật liệu Ge có khe năng lƣợng khá gần với năng lƣợng lý thuyết lý tƣởng cho hiệu suất cao nhất của pin mặt trời đơn lớp bán dẫn.
Hơn nữa Ge thân thiện với môi trƣờng, nó có triển vọng lớn trong việc kết hợp và thay thế các loại vật liệu kể trên trong việc thực hiện hóa các loại pin mặt trời hiệu suất cao. Việc pha trộn hai loại vật liệu Si và Ge đã đƣợc quan tâm nghiên cứu từ rất sớm [8, 17-19], tùy thuộc vào cấu thành của loại hỗn hợp này ngƣời ta có thể thay đổi đƣợc độ rộng vùng cấm của vật liệu [2]. Ở kích thƣớc nano, các tính chất vật lý của các loại vật liệu này thay đổi rất lớn, đôi khi nhiều tính chất mới thú vị đƣợc đƣa ra. Các giải thích về sự thay đổi này chủ yếu dựa trên hiệu ứng giam cầm lƣợng tử [3].
Những tính chất vật lý mới này đôi khi khá phức tạp và khó kiểm soát, phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com kích thƣớc và hình thái của vật liệu [3, 5]. Trong khi Si đã thể hiện một số biến thể quá trình nhân hạt tải điện nhƣ hiệu ứng cắt lƣợng tử hay cắt photon. Quá trình này một photon hấp thụ tại một hạt nano có thể tạo ra nhiều hơn hai cặp điện tử lỗ trống trong vật liệu. Điều này có ý nghĩa vô cùng to lớn trong việc tăng hiệu suất của pin mặt trời trên cơ sở Si.
Tuy nhiên, độ rộng vùng cấm của vật liệu nano Si thƣờng khá lớn (~ 2eV) dẫn đến khả năng áp dụng trong việc thu nhận và biến đổi năng lƣợng mặt trời là ít hiệu quả bởi phần lớn phổ mặt trời có năng lƣợng nhỏ hơn 2 eV sẽ không đƣợc tận dụng. Việc thay đổi độ rộng vùng cấm của nano Si là rất có ý nghĩa. Các nghiên cứu cơ bản việc pha trộn giữa Si và Ge nhằm tạo ra các tinh thể nano có các tính chất vật lý phù hợp với định hƣớng ứng dụng làm tăng hiệu suất quang điện tử là cần thiết [8, 20, 22, 23, 24]. Với yêu cầu nhƣ trên, chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật lý của vật liệu nano tinh thể SixGe1-x trên nền SiO2”.
Luận văn đƣợc tiến hành dựa trên các phƣơng pháp thực nghiệm sẵn có tại cơ sở nghiên cứu, bao gồm: * Chế tạo vật liệu nano tinh thể SixGe1-x với các thành phần Si và Ge khác nhau trên nền vật liệu SiO2 bằng phƣơng pháp phún xạ catot. * Các phƣơng pháp nghiêu cứu tính chất vật lý của vật liệu nano tinh thể SixGe1-x gồm nhiễu xạ kế tia X (XRD), hiển vi điện tƣ truyền qua (TEM), Hiển vi điện tử quét (SEM), quang phổ kế Raman, hệ hấp thụ quang học. Để thực hiện đề tài chúng tôi đã chia đề tài thành những phần sau: Chƣơng 1. Tổng quan về Si, Ge: Giới thiệu chung về cấu tạo, tính chất của Si, Ge, SiO2 và SixGe1-x.
Thực nghiệm: Trình bày ƣu điểm cơ chế, quy trình của công nghệ phún xạ, các kĩ thuật thực nghiệm để khảo sát cấu trúc, hình thái và tính chất vật lý của vật liệu nhƣ nhiễu xạ kế tia X, hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hệ quang phổ kế hấp thụ dải nhìn thấy và cực tím (UV-VIS). 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 3. Kết quả và thảo luận: Trình bày một số kết quả đạt đƣợc trong phân tích cấu trúc của vật liệu trên cơ sở các phép đo nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử quét SEM và các kết quả về phép đo phổ hấp thụ Kết quả thu đƣợc: - Chọn đƣợc phƣơng pháp thực nghiệm phù hợp với điều kiện cho phép để chế tạo đƣợc vật liệu lai hóa SiGe có cấu trúc nano. - Chế tạo đƣợc mẫu theo các thành phần mong muốn.
- Nắm bắt đƣợc một số tính chất vật lý cơ bản của vật liệu nhƣ sự thay đổi của hằng số mạng tinh thể, chuyển mức thẳng và chuyển mức xiên trong vật liệu bán dẫn, sự phụ thuộc của một số chuyển mức cơ bản vào thành phần, cấu trúc và kích thƣớc nano tinh thể. - Có một bài báo đƣợc đăng trong tạp chí Nanotechnology (8/2015), Nhà xuất bản Viện Vật lý, Vƣơng quốc Anh (IOP), với chỉ số tác động năm đã xét trong năm 2014 – Impact factor IF = 3. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN 1. Tính chất quang của vật liệu bán dẫn 1.
Đặc điểm cấu trúc vùng năng lƣợng của chất bán dẫn Cấu trúc vùng năng lƣợng của bán dẫn quyết định trực tiếp đến tính chất phát quang của bán dẫn, vì vậy việc tìm hiểu cấu trúc năng lƣợng của nó là cần thiết. Ở nhiệt độ thấp, bán dẫn là những chất có phổ năng lƣợng gồm các vùng cho phép điền đầy hoàn toàn và các vùng trống hoàn toàn. Trong đó vùng trống hoàn toàn thấp nhất là vùng dẫn, mức năng lƣợng cực tiểu của vùng dẫn gọi là đáy vùng dẫn, kí hiệu EC. Vùng điền đầy cao nhất là vùng hóa trị gọi là đỉnh vùng hóa trị, kí hiệu EV.
Khoảng cách năng lƣợng Eg = EC - EV gọi là bề rộng vùng cấm. Trạng thái điện tử trong các vùng năng lƣợng cho phép đƣợc đặc trƣng bởi năng lƣợng và vectơ sóng k (k x , k y , k z ). Tại lân cận các điểm cực trị, sự phụ thuộc giữa năng lƣợng E và vectơ sóng k trong các vùng năng lƣợng cho phép rất phức tạp. Lân cận các điểm cực trị này sự phụ thuộc E( k ) có thế xem gần đúng có dạng một hàm bậc hai, tƣơng ứng nhƣ sau [2, 4, 8]: 2 k 2 Đối với điện tử: E (k ) EC (1.1) 2m * e 2 k 2 Đối với lỗ trống: E ( k ) E v (1.2) 2m * p Trong trƣờng hợp tổng quát khối lƣợng hiệu dụng của điện tử m*e và lỗ trống m*p là những đại lƣợng tenxơ phụ thuộc vào hƣớng trong tinh thể.
Dựa vào cấu trúc của vùng cấm, ngƣời ta chia bán dẫn ra làm 2 loại khác nhau: 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com + Bán dẫn có đỉnh của vùng hóa trị và đáy vùng dẫn có cùng một vectơ sóng k gọi là vùng cấm thẳng. Sự chuyển mức mức năng lƣợng trong cùng một vectơ sóng gọi là chuyển mức thẳng. + Bán dẫn có đỉnh của vùng hóa trị và đáy vùng dẫn không cùng một vectơ sóng k gọi là bán dẫn vùng cấm xiên. Sự chuyển mức xảy ra giữa hai mức năng lƣợng này trong bán dẫn này gọi là chuyển mức xiên [2, 9].