Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp bán dẫn và điện tử hiện đại, vật liệu Silicon ($\text{Si}$) truyền thống đã bộc lộ những giới hạn vật lý rõ rệt khi vận hành ở điều kiện công suất cao, điện áp lớn, nhiệt độ khắc nghiệt và môi trường bức xạ. Để đáp ứng nhu cầu phát triển của các thiết bị chuyển đổi năng lượng thế hệ mới (như bộ nghịch lưu DC-AC trên xe điện) và các cảm biến quang điện tử tiên tiến, các chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm cực lớn (Ultra-wide Bandgap - UWBG) đang trở thành tâm điểm nghiên cứu. Trong số đó, Gallium Oxide ($\text{Ga}_2\text{O}_3$), đặc biệt là pha $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$, sở hữu độ rộng vùng cấm khoảng $4{,}9\text{ eV}$ và điện trường đánh thủng tới hạn xấp xỉ $8\text{ MV/cm}$ (cao gấp khoảng ba mươi lần so với $\text{Si}$ ở mức $0{,}3\text{ MV/cm}$). Những đặc tính này cho phép linh kiện hoạt động ở điện áp cao hơn, giảm tổn thất năng lượng và thu nhỏ kích thước hệ thống.

Đề tài khóa luận "Tổng hợp vật liệu Gallium Oxide bằng phương pháp thủy nhiệt ứng dụng cho cảm biến quang học" do sinh viên Mai Đình Mỹ Duyên thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đỗ Huy Bình tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 9/2024) tập trung vào các nhiệm vụ nghiên cứu sau:

  1. Nghiên cứu quy trình chế tạo vật liệu Gallium Oxide pha $\beta$ ($\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$) từ tiền chất $\text{Ga}_2\text{O}_3$ thô thông qua phương pháp thủy nhiệt kết hợp xử lý nhiệt.
  2. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ (đặc biệt là thời gian thủy nhiệt 5 giờ, 7,5 giờ và 10 giờ) đến cấu trúc tinh thể, hình thái học bề mặt và các nhóm chức của vật liệu nano $\text{Ga}_2\text{O}_3$.
  3. Chế tạo linh kiện cảm biến quang học dựa trên màng tổ hợp $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ kết hợp Graphene Oxide dạng khử ($\text{rGO}$) và đánh giá đặc tính đáp ứng quang học dưới nguồn sáng kích thích bước sóng $405\text{ nm}$.
  • Đối tượng nghiên cứu: Tinh thể nano $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$, màng mỏng composite $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3\text{ + rGO}$ và linh kiện cảm biến quang.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian thực nghiệm: Phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Vật liệu, Khoa Khoa học Ứng dụng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
    • Điều kiện kỹ thuật: Khảo sát quá trình thủy nhiệt ở nhiệt độ $160^\circ\text{C}$ với các mốc thời gian 5h, 7,5h, 10h; quá trình nung chuyển pha ở $900^\circ\text{C}$ trong 3h; quá trình khử quang hóa $\text{GO}$ bằng chiếu xạ tia cực tím (UV) trong buồng tối suốt 36h.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tính chất vật liệu

Vật liệu Gallium Oxide tồn tại dưới 5 dạng đa hình chính gồm $\alpha$, $\beta$, $\gamma$, $\delta$ và $\varepsilon$. Trong đó, pha $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ có cấu trúc tinh thể đơn tà (monoclinic), thuộc nhóm không gian $C2/m$ (Space Group 12), với các hằng số mạng $a = 12{,}23\text{ \AA}$, $b = 3{,}04\text{ \AA}$, $c = 5{,}80\text{ \AA}$ và góc $\beta = 103{,}7^\circ$. Trong mạng tinh thể, ion $\text{Ga}^{3+}$ phân bố ở hai vị trí phối trí tứ diện và bát diện, liên kết với mạng lưới ion $\text{O}^{2-}$, tạo nên độ bền nhiệt động cao nhất trong các pha ở điều kiện thường.

Thông số vật lý $\text{Si}$ $\text{4H-SiC}$ $\text{GaN}$ $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$
Độ rộng vùng cấm $E_g$ ($\text{eV}$) $1{,}1$ $3{,}2$ $3{,}4$ $4{,}9$
Hằng số điện môi $\varepsilon$ $11{,}4$ $9{,}7$ $8{,}9$ $10$
Điện trường đánh thủng $E_{br}$ ($\text{MV/cm}$) $0{,}3$ $2{,}5$ $3{,}3$ $8$
Độ linh động điện tử $\mu$ ($\text{cm}^2/\text{V}\cdot\text{s}$) $1400$ $1000$ $1200$ $\sim 200$
Độ truyền qua ánh sáng khả kiến Đục Bán trong suốt Bán trong suốt $93% - 95%$

Bên cạnh đó, vật liệu Graphene Oxide dạng khử ($\text{rGO}$) được sử dụng nhằm cải thiện độ dẫn điện và giảm tốc độ tái hợp của các cặp điện tử - lỗ trống quang sinh nhờ vào việc khôi phục một phần mạng liên kết $\pi$ liên hợp và độ linh động hạt tải cao.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Khóa luận sử dụng phương pháp thực nghiệm hóa ướt (phương pháp thủy nhiệt trong bình autoclave lót Teflon) kết hợp nung phân hủy nhiệt để tổng hợp vật liệu dạng thanh nano (nanorods).

Thiết bị và kỹ thuật phân tích cấu trúc:

  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Đo trên thiết bị EMPYREAN (Panalytical) sử dụng bức xạ $\text{Cu-K}\alpha$ ($\lambda = 1{,}5406\text{ \AA}$). Xác định pha tinh thể, tính khoảng cách mặt mạng $d_{111}$ theo định luật Bragg ($n\lambda = 2d\sin\theta$), kích thước tinh thể ($D$) theo phương trình Debye-Scherrer ($D = \frac{0{,}9\lambda}{\text{FWHM}\cdot\cos\theta}$), mật độ khuyết tật ($\delta = 1/D^2$) và biến dạng vi mô ($\varepsilon = \frac{\text{FWHM}\cdot\cot\theta}{4}$).
  • Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM): Đo trên thiết bị S-4800 (Hitachi, Nhật Bản) nhằm phân tích hình thái học bề mặt, phân bố chiều dài và mặt cắt ngang của thanh nano $\text{Ga}_2\text{O}_3$.
  • Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Đo trên thiết bị NICOLET 6700 (Thermo) để nhận danh các liên kết dao động đặc trưng của mạng tinh thể $\text{Ga-O}$ và nhóm chức bề mặt.
  • Đo đặc tính quang điện: Đánh giá dòng quang điện theo thời gian ($I-t$) dưới nguồn sáng kích thích bước sóng $405\text{ nm}$ qua các chu kỳ bật/tắt (On/Off).

Nguồn hóa chất sử dụng: Bột $\text{Ga}_2\text{O}_3$ thô (độ tinh khiết $\ge 99%$), dung dịch axit $\text{HNO}_3$, $\text{HCl}$ ($36% - 38%$, Xilong), $\text{NH}_4\text{OH}$ ($25% - 28%$, Guangdong Guanghua), dung dịch Isopropyl Alcohol (IPA $\ge 99{,}7%$), Methanol, nước khử ion (DI) và Graphene Oxide ($\text{GO}$).

Nội dung chính theo từng chương

Lời mở đầu

Trình bày tổng quan về tầm quan trọng của vật liệu bán dẫn trong công nghệ vi xử lý, viễn thông và điện tử công suất; phân tích các hạn chế cố hữu của vật liệu $\text{Si}$ khi làm việc ở điện áp cao, nhiệt độ cao. Đưa ra lý do lựa chọn bán dẫn vùng cấm cực rộng $\text{Ga}_2\text{O}_3$, lợi thế của phương pháp thủy nhiệt và tóm tắt cấu trúc báo cáo gồm 4 chương.

Chương 1: Tổng quan

  • Hệ thống hóa lịch sử nghiên cứu vật liệu Gallium Oxide từ các phát hiện cân bằng pha của Bois-baudran và R. Roy.
  • Phân tích cấu trúc tinh thể của 5 pha đa hình ($\alpha, \beta, \gamma, \delta, \varepsilon$), trong đó tập trung vào tính chất dị hướng, tính bền nhiệt động và sự phân bố ion $\text{Ga}^{3+}$ trong cấu trúc đơn tà của pha $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$.
  • Trình bày các tính chất cơ bản: tính chất điện (khả năng pha tạp với $\text{Sn, Si, Ge}$ để tăng nồng độ hạt tải lên $10^{17} - 10^{19}\text{ cm}^{-3}$), tính chất quang (độ truyền qua $93% - 95%$ trong vùng khả kiến), tính chất nhiệt (độ dẫn nhiệt còn thấp $0{,}1 - 0{,}2\text{ W/cm}\cdot\text{K}$).
  • Điểm qua các ứng dụng thực tiễn: thiết bị phát hiện bức xạ tử ngoại sâu UV-C ($\lambda < 280\text{ nm}$) với dòng tối thấp; cảm biến khí cấu trúc $\text{Pt-Ga}_2\text{O}_3\text{-Pt}$ dựa trên sự thay đổi nồng độ khuyết tật oxy ở nhiệt độ cao; thiết bị màng mỏng điện phát quang.
  • Giới thiệu cấu trúc, cơ chế khử và đặc tính điện - cơ - quang của vật liệu $\text{rGO}$.
  • Nguyên lý hai giai đoạn của phương pháp thủy nhiệt và các kỹ thuật phân tích XRD, FE-SEM, FTIR.

Chương 2: Thực nghiệm

Trình bày chi tiết quy trình chế tạo vật liệu và linh kiện qua 3 giai đoạn chính:

  1. Chế tạo tiền chất $\text{Ga(NO}_3)_3$: Hòa tan $1\text{ g}$ bột $\text{Ga}_2\text{O}_3$ không tan trong hỗn hợp axit $\text{HNO}_3:\text{HCl}$ theo tỷ lệ thể tích $10:1$ (tổng thể tích không quá $18\text{ ml}$) trong cốc Teflon, tiến hành thủy nhiệt ở $130^\circ\text{C}$ trong 8 giờ. Dung dịch sau đó được chưng cất ở $80^\circ\text{C}$ để cô cạn thành $\text{Ga(NO}_3)_3\cdot x\text{H}_2\text{O}$; khí độc $\text{NO}_2$ sinh ra được trung hòa an toàn bằng bông tẩm dung dịch $\text{NaOH}$ gắn tại hai đầu ống sinh hàn.
  2. Tổng hợp bột $\text{GaO(OH)}$ và chuyển pha $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$: Pha dung dịch $\text{Ga(NO}_3)_3$ nồng độ $0{,}1\text{ M}$ với nước DI, khuấy từ ở $60^\circ\text{C}$, nhỏ từ từ $\text{NH}_4\text{OH}$ để đạt $\text{pH} = 9$, tiếp tục khuấy trong 2 giờ. Hỗn hợp được đưa vào buồng thủy nhiệt ở $160^\circ\text{C}$ với các mốc thời gian 5 giờ, 7,5 giờ và 10 giờ để tạo tiền chất $\text{GaO(OH)}$. Bột được rửa ly tâm nhiều lần với nước DI và Methanol, sấy khô, sau đó đem nung ở nhiệt độ $900^\circ\text{C}$ trong 3 giờ để chuyển hóa hoàn toàn thành pha tinh thể $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$.
  3. Chế tạo linh kiện cảm biến quang: Phân tán bột $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ và $\text{GO}$ trong nước DI bằng bể rung siêu âm, trộn đều và tạo màng composite phẳng mịn thông qua hệ lọc hút chân không với màng lọc kích thước lỗ $0{,}22\text{ }\mu\text{m}$. Màng khô được cắt theo kích thước mặt nạ ($3 \times 2\text{ cm}$), cố định lên lam kính, gắn mặt nạ (mask) và chiếu tia UV trong buồng tối suốt 36 giờ để khử $\text{GO}$ thành $\text{rGO}$. Cuối cùng, phủ lớp điện cực kim loại và xử lý nhiệt ở $150^\circ\text{C}$ nhằm tăng độ bền tiếp xúc cơ học và điện học.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

  • Phân tích giản đồ XRD: Các mẫu $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ ở các mốc thủy nhiệt 5h, 7,5h và 10h đều xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho các mặt mạng $(-401)$, $(002)$, $(111)$ và $(403)$, hoàn toàn trùng khớp với cấu trúc đơn tà pha $\beta$ (chuẩn JCPDS 43-1012). Cường độ đỉnh $(111)$ ở góc $2\theta \approx 30{,}7^\circ$ vượt trội, chứng minh tinh thể phát triển định hướng ưu tiên theo mặt mạng $(111)$.
  • Tính toán thông số mạng tinh thể: Kích thước hạt tinh thể tăng dần theo thời gian thủy nhiệt (đạt từ $18\text{ nm}$ trở lên). Mẫu thủy nhiệt 7,5h cho chất lượng mạng tinh thể tối ưu với mật độ khuyết tật $\delta = 2{,}539 \times 10^{-3}\text{ nm}^{-2}$ và biến dạng vi mô $\varepsilon = 6{,}769 \times 10^{-3}$ đạt giá trị thấp nhất.
  • Phân tích hình thái học qua FE-SEM: Ở thời gian thủy nhiệt 5h, vật liệu hình thành dạng thanh nano đồng đều. Khi tăng thời gian lên 7,5h, các thanh nano phát triển tối ưu cả về chiều dài và chiều rộng. Khi kéo dài lên 10h, chiều dài thanh nano có xu hướng suy giảm do hiện tượng tái hòa tan và tái kết tinh trong môi trường nhiệt động kéo dài.
  • Phổ hồng ngoại FTIR: Xác nhận sự suy giảm mạnh của các dao động liên kết nhóm $-\text{OH}$ sau quá trình nung $900^\circ\text{C}$ và sự xuất hiện rõ nét của các dải hấp thụ đặc trưng cho liên kết $\text{Ga-O}$.
  • Tính chất quang điện: Đường đặc tuyến dòng - thời gian ($I-t$) của linh kiện màng tổ hợp $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3\text{ + rGO}$ dưới nguồn kích thích bước sóng $405\text{ nm}$ cho thấy sự chuyển đổi rõ rệt giữa trạng thái sáng (On) và tối (Off), dòng quang điện ổn định qua các chu kỳ lặp lại.

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ quy trình công nghệ chế tạo thành công vật liệu $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ dạng thanh nano và chế tạo linh kiện cảm biến quang hoạt động ổn định; đề xuất các hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng và thông số kỹ thuật

Mẫu thực nghiệm Thời gian thủy nhiệt (giờ) Kích thước tinh thể $D$ ($\text{nm}$) Mật độ khuyết tật $\delta$ ($10^{-3}\text{ nm}^{-2}$) Biến dạng vi mô $\varepsilon$ ($10^{-3}$) Hình thái học (FE-SEM)
$\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3\text{-5h}$ $5{,}0$ Nhỏ ($< 18$) Cao Cao Thanh nano ngắn, phân bố đều
$\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3\text{-7.5h}$ $7{,}5$ Lớn ($> 18$) $2{,}539$ (thấp nhất) $6{,}769$ (thấp nhất) Thanh nano phát triển tối ưu chiều dài/rộng
$\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3\text{-10h}$ $10{,}0$ Tương đương 7,5h Cao hơn mẫu 7,5h Cao hơn mẫu 7,5h Thanh nano có xu hướng giảm chiều dài
  • Đã thiết lập thành công hệ thống thu hồi khí độc $\text{NO}_2$ bằng ống sinh hàn kết hợp bông tẩm $\text{NaOH}$ trong quá trình chưng cất tạo tiền chất $\text{Ga(NO}_3)_3$, đảm bảo an toàn phòng thí nghiệm.
  • Xác định được chế độ công nghệ tối ưu: nồng độ $\text{Ga(NO}_3)_3$ $0{,}1\text{ M}$, $\text{pH} = 9$, nhiệt độ thủy nhiệt $160^\circ\text{C}$ trong $7{,}5\text{ giờ}$, nung ở $900^\circ\text{C}$ trong $3\text{ giờ}$ để tạo cấu trúc thanh nano $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ đơn pha có chất lượng kết tinh cao nhất.
  • Chế tạo thành công màng mỏng composite $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3\text{ + rGO}$ bằng phương pháp lọc hút chân không và khử quang hóa UV trong 36 giờ, tạo tiếp xúc điện cực bền nhiệt ở $150^\circ\text{C}$ với khả năng phát hiện ánh sáng tại bước sóng $405\text{ nm}$.

Đóng góp học thuật và thực tiễn

Khóa luận đã làm rõ cơ chế ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt đến sự biến đổi vi cấu trúc, mật độ khuyết tật mạng và hình thái thanh nano của vật liệu $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$. Đồng thời, đề tài đề xuất một quy trình chế tạo cảm biến quang học đơn giản, chi phí thấp thông qua việc kết hợp oxit bán dẫn vùng cấm rộng với màng graphene oxide dạng khử mà không cần sử dụng các hệ thống lắng đọng chân không phức tạp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Nghiên cứu mới khảo sát ba mốc thời gian thủy nhiệt cố định ($5\text{h}$, $7{,}5\text{h}$, $10\text{h}$) ở một mức nhiệt độ $160^\circ\text{C}$ và một chế độ nung $900^\circ\text{C}$.
    • Đặc tính quang điện mới dừng lại ở việc khảo sát đáp ứng dòng On/Off tại bước sóng ánh sáng khả kiến gần tử ngoại ($405\text{ nm}$), chưa mở rộng đo phổ đáp ứng chi tiết trong vùng tử ngoại sâu (UV-C, bước sóng $< 280\text{ nm}$) tương ứng với năng lượng vùng cấm lý thuyết $4{,}9\text{ eV}$ của $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Khảo sát thêm các yếu tố ảnh hưởng khác như nhiệt độ thủy nhiệt, tỷ lệ nồng độ pha tạp giữa $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ và $\text{GO}$, nồng độ chất hoạt động bề mặt nhằm kiểm soát kích thước nanorods đồng đều hơn.
    • Đo đạc chi tiết các tham số quang điện chuyên sâu: độ nhạy quang (responsivity), hệ số phát hiện (detectivity), thời gian đáp ứng tăng/giảm ($\tau_{\text{rise}} / \tau_{\text{decay}}$) tại các nguồn sáng UV bước sóng khác nhau.
    • Tối ưu hóa cấu trúc tiếp xúc điện cực kim loại và kiểm tra độ ổn định lâu dài của linh kiện trong các môi trường nhiệt độ và độ ẩm biến thiên.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

  • Sinh viên, học viên và nghiên cứu viên ngành Công nghệ Vật liệu, Khoa học Vật liệu, Vật lý Chất rắn và Công nghệ Bán dẫn: Tham khảo quy trình hóa ướt tổng hợp oxit bán dẫn vô cơ và kỹ thuật điều chế tiền chất muối nitrate từ oxit kim loại khó tan.
  • Kỹ sư và cán bộ nghiên cứu linh kiện quang điện tử: Tham khảo phương pháp chế tạo màng composite vô cơ - carbon ($\text{Ga}_2\text{O}_3/\text{rGO}$) bằng kỹ thuật lọc hút chân không kết hợp khử quang hóa UV ở nhiệt độ phòng để chế tạo linh kiện cảm biến quang chi phí thấp.
  • Phần đáng chú ý để tham khảo trực tiếp: Quy trình thực nghiệm chi tiết tại Chương 2 (xử lý khí thải $\text{NO}_2$, chế độ thủy nhiệt, chế độ nung chuyển pha) và phương pháp tính toán tham số mạng tinh thể ($D, \delta, \varepsilon$) từ giản đồ XRD tại Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần chuyển đổi bột $\text{Ga}_2\text{O}_3$ thô ban đầu thành dung dịch $\text{Ga(NO}_3)_3$ trước khi tiến hành thủy nhiệt? Bột $\text{Ga}_2\text{O}_3$ thô ban đầu không tan trong nước, kích thước hạt không đồng đều và có chất lượng tinh thể thấp. Việc hòa tan bằng hỗn hợp axit $\text{HNO}_3:\text{HCl}$ ($10:1$) dưới điều kiện thủy nhiệt $130^\circ\text{C}$ cho phép chuyển đổi hoàn toàn thành dung dịch muối $\text{Ga(NO}_3)_3$ tan trong nước. Đây là tiền chất đồng nhất để thực hiện phản ứng kết tủa có kiểm soát với $\text{NH}_4\text{OH}$ tạo $\text{GaO(OH)}$, từ đó tái kết tinh thành các cấu trúc nano đồng đều qua quá trình thủy nhiệt.

2. Vai trò của hệ thống ống sinh hàn và bông tẩm $\text{NaOH}$ trong Giai đoạn 1 là gì? Trong quá trình chưng cất dung dịch để cô đặc $\text{Ga(NO}_3)_3$ ở $80^\circ\text{C}$, phản ứng phân hủy sinh ra khí nitơ điôxít ($\text{NO}_2$) có màu nâu đỏ và độc tính cao. Bông tẩm dung dịch kiềm $\text{NaOH}$ được đặt ở hai đầu ống sinh hàn để hấp thụ và trung hòa hoàn toàn lượng khí $\text{NO}_2$ này theo phản ứng tạo muối natri, bảo đảm an toàn cho người thực nghiệm và môi trường phòng thí nghiệm.

3. Vì sao thời gian thủy nhiệt $7{,}5\text{ giờ}$ được kết luận là điều kiện tối ưu nhất cho tinh thể nano $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$? Dựa trên kết quả tính toán từ giản đồ XRD, mẫu thủy nhiệt $7{,}5\text{ giờ}$ đạt kích thước hạt tinh thể lớn, đồng thời có mật độ khuyết tật ($\delta = 2{,}539 \times 10^{-3}\text{ nm}^{-2}$) và biến dạng vi mô ($\varepsilon = 6{,}769 \times 10^{-3}$) thấp nhất trong ba mẫu khảo sát. Ảnh FE-SEM cũng chỉ ra tại $7{,}5\text{ giờ}$, các thanh nano phát triển cân đối và hoàn thiện cả về chiều rộng lẫn chiều dài, trong khi kéo dài lên $10\text{ giờ}$ làm xuất hiện hiện tượng suy giảm chiều dài thanh do tái hòa tan.

4. Mục đích của việc chiếu tia UV trong 36 giờ khi chế tạo linh kiện là gì? Quá trình chiếu bức xạ UV trong buồng tối suốt 36 giờ đóng vai trò là phương pháp khử quang hóa (photochemical reduction) để loại bỏ bớt các nhóm chức chứa oxy ($-\text{OH}, -\text{COOH}, -\text{O}-$) trên các lớp màng Graphene Oxide ($\text{GO}$), chuyển hóa $\text{GO}$ thành $\text{rGO}$. Quá trình này giúp khôi phục mạng lưới điện tử liên hợp $\pi$, nâng cao độ dẫn điện của lớp màng dẫn và tăng cường khả năng thu gom, truyền dẫn các hạt tải quang sinh tạo ra từ $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$.

5. Pha tinh thể $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ hình thành sau bước xử lý công nghệ nào trong quy trình? Pha $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ không hình thành ngay sau bước thủy nhiệt mà được tạo ra sau bước nung phân hủy nhiệt ở nhiệt độ $900^\circ\text{C}$ trong $3\text{ giờ}$. Quá trình thủy nhiệt ở $160^\circ\text{C}$ tạo ra pha tiền chất là Gallium Oxide Hydroxide ($\text{GaO(OH)}$); việc nung ở $900^\circ\text{C}$ cung cấp đủ năng lượng nhiệt động để đề hydrat hóa hoàn toàn $\text{GaO(OH)}$ và kết tinh chuyển pha thành cấu trúc đơn tà $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ bền vững.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Mai Đình Mỹ Duyên đã hoàn thành việc xây dựng quy trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu bán dẫn $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ dạng thanh nano bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp nung chuyển pha tại $900^\circ\text{C}$, xác định thời gian thủy nhiệt tối ưu là 7,5 giờ. Nghiên cứu đã kết hợp thành công $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ với màng mỏng $\text{rGO}$ qua kỹ thuật lọc hút chân không và khử quang hóa UV để chế tạo linh kiện cảm biến quang học có đáp ứng ổn định dưới bước sóng kích thích $405\text{ nm}$. Các kết quả thực nghiệm và dữ liệu cấu trúc tinh thể cung cấp cơ sở khoa học hữu ích cho các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu bán dẫn vùng cấm cực rộng ứng dụng trong công nghệ cảm biến quang điện tử.