Tên luận án:
NGHIÊN CỨU MÀNG MỎNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT SnO2 PHA TẠP ĐẤT HIẾM-FLO ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ
Ngành:
Kỹ thuật điện tử
Tóm tắt nội dung tài liệu:
Luận án này tập trung vào nghiên cứu và chế tạo màng mỏng ô-xit dẫn điện trong suốt (TCO) cho các ứng dụng linh kiện quang điện tử. Xuất phát từ hạn chế của TCO loại n trong các linh kiện đa năng, đề tài hướng tới phát triển TCO loại p để kết hợp với TCO loại n, tạo ra các linh kiện điện tử trong suốt như điôt phát quang hữu cơ (OLED), điôt phát quang (LED), điôt laser (LD), cảm biến khí và pin mặt trời màng mỏng.
Vật liệu SnO2 được lựa chọn nhờ tính ưu việt về độ bền cơ, nhiệt, hóa học, độ rộng vùng cấm (3,6 eV) đảm bảo tính trong suốt cao trong vùng ánh sáng khả kiến và độ phản xạ cao trong vùng hồng ngoại. Luận án đã nghiên cứu phương pháp hóa học sol-gel để chế tạo màng mỏng SnO2 loại n và màng SnO2 pha tạp hợp chất đất hiếm-flo (SmF3, LaF3, CeF3) loại p trên đế thủy tinh Corning EAGLE XG™. Phương pháp sol-gel được ưu tiên do thiết bị đơn giản, giá thành thấp, khả năng tạo màng đồng nhất và diện tích phủ lớn.
Ngoài ra, nghiên cứu còn chế tạo lớp phủ ô-xit trên bề mặt hợp kim nhôm Al 6061 sử dụng hạt nano SiO2 làm lớp đệm cách điện, định hướng ứng dụng nâng cao hiệu suất pin mặt trời màng mỏng (a-Si:H) và pin mặt trời perovskite.
Các kết quả chính bao gồm việc xác định và lựa chọn thành công phương pháp, vật liệu, quy trình chế tạo màng mỏng SnO2 loại n, SnO2 pha tạp loại p và lớp phủ ô-xit trên bề mặt kim loại nhẹ. Luận án đã tối ưu hóa mật độ dòng điện cho lớp phủ ô-xit trên Al 6061, cải thiện khả năng chống mài mòn và ăn mòn. Màng mỏng SnO2 không pha tạp và pha tạp đất hiếm-flo đã đạt được cấu trúc, tính chất điện, quang và hiệu suất cao. Đặc biệt, luận án đã phân tích cơ chế chuyển đổi loại dẫn điện từ n sang p thông qua phép đo hiệu ứng Seebeck và các phương trình hóa học Kröger-Vink, đồng thời khẳng định tính chất dẫn điện loại p bằng việc chế tạo thực nghiệm điôt chuyển tiếp p-n dị thể (In/p-SnO2:SmF3/n-ZnO:Al/In) có đặc tính chỉnh lưu. Những đóng góp này mở ra định hướng mới cho việc ứng dụng trong các linh kiện quang điện tử và chuyển đổi quang điện.
Mục lục chi tiết:
-
MỞ ĐẦU
- 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
- 2. Mục tiêu nghiên cứu
-
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ.
- 1.1 Tổng quan về màng mỏng ô-xit dẫn điện trong suốt TCO
- 1.1.1 Đặt vấn đề
- 1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
- 1.1.3 Tình hình nghiên cứu nước ngoài
- 1.2 Khái quát chung về bán dẫn và các hiện tượng tiếp xúc
- 1.2.1 Chất bán dẫn
- 1.2.2 Hiện tượng tiếp xúc trong bán dẫn
- 1.2.2.1 Tiếp xúc Ohmic
- 1.2.2.2 Tiếp xúc Schottky
- 1.3 Phương pháp chế tạo lớp phủ ô-xit và màng mỏng dẫn điện trong suốt
- 1.3.1 Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp sol-gel
- 1.3.2 Kỹ thuật nhúng phủ trong phương pháp sol-gel
- 1.3.3 Chế tạo màng ô-xit bằng phương pháp ôxy hóa plasma trong chất điện phân
- 1.4 Đặc điểm chức năng màng mỏng ô-xit
- 1.4.1 Ô-xit dẫn điện trong suốt (TCO) loại n và loại p
- 1.4.1.1 TCO loại n
- 1.4.1.2 TCO loại p
- 1.4.1.3 Chuyển tiếp p-n
- 1.4.2 Tầm quan trọng TCO loại p và lớp phủ ô-xit trên bề mặt kim loại
- 1.5 Ứng dụng màng mỏng ôxit trong linh kiện quang điện tử
- 1.5.1 Ứng dụng vật liệu SnO2 và các nguyên tố đất hiếm
- 1.5.1.1 Cấu trúc tinh thể của SnO2
- 1.5.1.2 Nguyên tố đất hiếm
- 1.5.2 Định hướng ứng dụng màng mỏng ô-xit trong linh kiện quang điện tử
- 1.5.2.1 Ứng dụng làm điện cực trong linh kiện quang điện tử
- 1.5.2.2 Ứng dụng LED trong vùng ánh sáng tử ngoại và khả kiến
- a) LED tử ngoại (UV-LED Ultraviolet-Light Emitting Diode) ứng dụng diệt khuẩn
- b) LED khả kiến ứng dụng cho nông nghiệp
- 1.5.2.3 Ứng dụng trong cảm biến
- 1.5.2.4 Định hướng ứng dụng lớp ô-xit trong pin mặt trời màng mỏng
-
CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ
- 2.1 Quy trình chế tạo màng mỏng ôxit dẫn điện trong suốt trên đế thủy tinh
- 2.2.1 Chuẩn bị đế cho quá trình phủ màng
- 2.2.2 Nguyên vật liệu và quá trình chế tạo màng mỏng SnO2
- 2.2.3 Nguyên vật liệu chế tạo màng mỏng SnO2 pha tạp (SmF3, LaF3 và CeF3)
- 2.2.4 Chế tạo chuyển tiếp p-n của điôt cấu trúc dị thể p-SnO2:SmF3/ n-ZnO:Al
- 2.3 Quy trình chế tạo lớp phủ ô-xit trên bề mặt kim loại nhẹ Al 6061
- 2.3.1 Chuẩn bị vật liệu
- 2.3.2 Quá trình tạo lớp phủ ôxit trên bề mặt kim loại nhẹ
- 2.4 Phương pháp phân tích và đánh giá tính chất của màng mỏng ôxit
- 2.4.1 Đánh giá tính chất chung của TCO
- 2.4.2 Đánh giá tính chất quang học
- 2.4.2.1 Độ phản xạ
- 2.4.2.2 Độ hấp thụ
- 2.4.2.3 Độ truyền qua
- 2.4.3 Tính chất điện
- 2.4.3.1 Đánh giá nhiệt độ phủ màng
- 2.4.3.2 Đánh giá tính chất ăn mòn trong môi trường hóa học
- 2.4.3.3 Đánh giá chi phí sản xuất
- 2.4.4 Đánh giá hiệu suất của màng mỏng TCO
- 2.4.5 Đánh giá tính chất màng ô-xit trên bề mặt hợp kim Al 6061
- 2.5 Phương pháp đo xác định cấu trúc và tính chất của màng ô-xit dẫn điện trong suốt (TCO)
- 2.5.1 Phương pháp đo nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction – XRD)
- 2.5.2 Đo độ dày màng
- 2.5.3 Đo đặc trưng hình thái bề mặt của màng
- 2.5.4 Đo đặc tính quang học bằng máy quang phổ UV-Vis
- 2.5.5 Đo đặc tính điện
- 2.5.5.1 Đo điện trở suất bằng phương pháp bốn mũi dò
- 2.5.5.2 Đo hiệu ứng Hall bằng phương pháp van der Pauw
- 2.5.5.3 Đo hiệu ứng Seebeck
- 2.5.6 Đặc tính I-V của điôt dị thể p-SnO2:SmF3/n-ZnO:Al
- 2.6 Phương pháp đo xác định cấu trúc và tính chất của màng ô-xit trên bề mặt kim loại nhẹ
-
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT MÀNG MỎNG SnO2 LOẠI n VÀ MÀNG MỎNG SnO2 PHA TẠP ĐẤT HIẾM-FLO LOẠI p ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ.
- 3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên liệu và nhiệt độ ủ đến tính chất của màng SnO2 không pha tạp loại n
- 3.1.1 Cấu trúc tinh thể màng mỏng SnO2
- 3.1.2 Hình thái bề mặt màng mỏng SnO2
- 3.1.3 Tính chất quang của màng SnO2
- 3.1.4 Tính chất điện của màng SnO2
- 3.2 Nghiên cứu cấu trúc và tính chất màng mỏng SnO2 pha tạp đất hiếm-flo RF3 (SmF3, CeF3 và LaF3) loại p
- 3.2.1 Phân tích cấu trúc tinh thể của màng SnO2 pha tạp đất hiếm-flo RF3
- 3.2.2 Hình thái bề mặt của màng của màng SnO2 pha tạp đất hiếm-flo
- 3.2.3 Tính chất quang học của màng SnO2 pha tạp đất hiếm-flo
- 3.2.4 Tính chất điện của màng SnO2 pha tạp đất hiếm-flo
- 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ dòng điện lên cấu trúc và hiệu suất của lớp phủ PEO trên hợp kim Al 6061
- 3.3.1 Đáp ứng điện áp theo thời gian và độ dày lớp phủ ở các mật độ dòng điện khác nhau
- 3.3.2 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện lên cấu trúc và độ cứng lớp phủ PEO
- 3.3.3 Đặc tính ăn mòn của lớp phủ PEO ở các mật độ dòng điện khác nhau
- 3.4 Định hướng ứng dụng màng mỏng SnO2 pha tạp loại p trong cấu trúc linh kiện quang điện tử
- 3.4.1 Đặc tính quang và điện của màng mỏng dẫn điện trong suốt
- 3.4.2 Khảo sát đặc tính I-V của diode dị thể p-SnO2:SmF3/n-ZnO:Al
-
KẾT QUẢ VÀ ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
- 1. Những kết quả chính đã đạt được của luận án
- 2. Những đóng góp mới của luận án
- Chế tạo thành công lớp phủ ô-xit trên bề mặt hợp kim nhôm (Al 6061), tối ưu hóa được mật độ dòng điện một chiều lên quá trình hình thành lớp màng phủ trong quá trình chống mài mòn và chống ăn mòn trên bề mặt kim loại nhẹ, định hướng ứng dụng trong hệ thống pin mặt trời màng mỏng;
- Chế tạo thành công màng mỏng dẫn điện trong suốt SnO2 loại n và màng mỏng dẫn điện trong suốt loại p trên nền SnO2 pha tạp nguyên tố đất hiếm-flo (SmF3, CeF3 và LaF3) thích hợp để sử dụng trong các lớp màng điện cực bơm điện tử và lỗ trống cho các linh kiện quang điện tử;
- Chồng lớp để khẳng định tính chất dẫn điện từ màng mỏng SnO2 pha tạp loại p, chế tạo được chuyển tiếp p-n có tính chất chỉnh lưu của điôt cấu trúc dị thể In/p- SnO2:SmF3/n-ZnO:Al/In, làm cơ sở thay thế và định hướng ứng dụng linh kiện quang điện tử và chuyển đổi quang điện trong tương lai.