Khảo sát và chế tạo màng mỏng nano zno bằng phương pháp solgel định hướng ứng – Tài liệu text

Khảo sát và chế tạo màng mỏng nano zno bằng phương pháp solgel định hướng ứng dụng trong bộ nhớ sắt điện

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.13 MB, 77 trang )

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN VĂN DŨNG

KHẢO SÁT VÀ CHẾ TẠO MÀNG MỎNG NANO ZnO
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL ĐỊNH HƯỚNG
ỨNG DỤNG TRONG BỘ NHỚ SẮT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

HÀ NỘI – 2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN VĂN DŨNG

KHẢO SÁT VÀ CHẾ TẠO MÀNG MỎNG NANO ZnO
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL ĐỊNH HƯỚNG
ỨNG DỤNG TRONG BỘ NHỚ SẮT ĐIỆN

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nano
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BÙI NGUYÊN QUỐC TRÌNH

HÀ NỘI – 2017

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn
của TS. Bùi Nguyên Quốc Trình và sự hỗ trợ của nhóm nghiên cứu. Các kết quả đưa ra
trong luận văn này là do tôi thực hiện. Các thông tin, tài liệu tham khảo từ các nguồn
sách, tạp chí, bài báo sử dụng trong luận văn đều được liệt kê trong danh mục các tài liệu
tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước Nhà trường về lời cam đoan này.

Học viên thực hiện

Trần Văn Dũng

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS. Bùi
Nguyên Quốc Trình, người thầy đã truyền cho em niềm đam mê học tập và nghiên cứu
cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này.
Thầy không chỉ trang bị cho em những kiến thức bổ ích về chuyên môn khoa học mà còn
cả cách tư duy, cách làm việc có hệ thống, hiệu quả.
Em cũng xin cảm ơn tới ThS. Nguyễn Quang Hòa, CN. Lưu Mạnh Quỳnh, ThS. Đỗ
Hồng Minh, cùng nhóm nghiên cứu đã giúp đỡ nhiệt tình trong thời gian em làm luận
văn.
Em cũng rất biết ơn những anh chị công tác và học tập tại Khoa Vật lý kỹ thuật và
Công nghệ nano cũng như PTN micro-nano của trường ĐHCN, Trung tâm Khoa học Vật
liệu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên luôn tạo điều kiện, giúp đỡ nhiệt tình, góp ý, ủng
hộ em, và đây cũng nơi mà em có cơ hội được hoàn thành tốt quá trình nghiên cứu của
mình.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người thân luôn là chỗ
dựa tinh thần vững chắc nhất giúp chúng em vượt qua mọi khó khăn.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày

tháng

Học viên

Trần Văn Dũng

năm 2017

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN
…………………………………………………………………………………………………….
LỜI CẢM ƠN
………………………………………………………………………………………………………….
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ……………………………………………………
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ……………………………………………………………………………………
DANH MỤC BẢNG BIỂU
……………………………………………………………………………………….

MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………………………………………………..
Chương 1……………………………………………………………………………………………………………. 1
TỔNG QUAN…………………………………………………………………………………………………….. 1
1.1. Các dòng bộ nhớ phổ thông…………………………………………………………………………….. 1
1.1.1 Bộ nhớ không ổn định…………………………………………………………………………………… 1
1.1.2. Bộ nhớ ổn định………………………………………………………………………………………… 1
1.2. Bộ nhớ sắt điện FeRAM…………………………………………………………………………………. 2
1.2.1. Cấu trúc bộ nhớ sắt điện FeRAM……………………………………………………………….. 2

1.2.2. Các vật liệu tiềm năng ứng dụng FeRAM……………………………………………………. 4
a. Vật liệu sắt điện BLT…………………………………………………………………………………… 4
b. Lớp kênh dẫn của bộ nhớ FeRAM………………………………………………………………… 4
1.3. Tính chất vật liệu sắt điện BLT………………………………………………………………………… 4
1.3.1. Cấu trúc tinh thể………………………………………………………………………………………. 4
1.3.2. Tính chất điện………………………………………………………………………………………….. 6
1.3.3. Tình hình nghiên cứu………………………………………………………………………………… 6
1.4. Kênh dẫn trong bộ nhớ sắt điện, màng mỏng ZnO……………………………………………… 8
1.4.1. Cấu trúc tinh thể màng mỏng ZnO……………………………………………………………… 8
1.4.2. Tính chất điện………………………………………………………………………………………… 10
1.4.3.Tiềm năng ứng dụng của màng mỏng ZnO và tình hình nghiên cứu………………..11
1.5. Các phương pháp chế tạo màng mỏng BLT và màng mỏng ZnO…………………………12
1.5.1. Phương pháp lắng đọng laser xung (PLD)………………………………………………. 12
1.5.2. Phương pháp phún xạ RF……………………………………………………………………… 14

1.6. Mục tiêu nghiên cứu của Luận văn thạc sỹ………………………………………………………. 14

Chương 2………………………………………………………………………………………………………….. 16
PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT……………………………………………………….. 16
2.1. Chế tạo tiền chất ZnO…………………………………………………………………………………… 16
2.1.1. Dụng cụ và hóa chất……………………………………………………………………………….. 16
2.1.2. Quy trình chế tạo tiền chất……………………………………………………………………….. 16
2.2. Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp sol-gel………………………………………………… 18
2.2.1. Nguyên lý chế tạo của phương pháp sol-gel……………………………………………….. 18
2.2.2. Chế tạo màng mỏng ZnO bằng phương pháp sol-gel…………………………………… 20
a. Chuẩn bị………………………………………………………………………………………………….. 20
b. Quy trình chế tạo………………………………………………………………………………………. 21
2.2.3. Chế tạo màng mỏng BLT bằng phương pháp sol-gel……………………………………. 21

a. Chuẩn bị………………………………………………………………………………………………….. 21
b. Quy trình chế tạo………………………………………………………………………………………. 21
2.3. Chế tạo điện cực Pt bằng phương pháp phún xạ……………………………………………….. 22
2.3.1. Nguyên lý chế tạo…………………………………………………………………………………… 22
2.3.2. Điều kiện chế tạo……………………………………………………………………………………. 23
2.4. Thiết bị khảo sát tính chất của tiền chất ZnO và của các màng mỏng……………………23
2.4.1. Hệ khảo sát phân tích nhiệt quét vi sai của tiền chất ZnO: DSC…………………….23
2.4.2. Hệ khảo sát kích thước hạt của dung dịch ZnO: LB 550……………………………….26
2.4.3. Hệ khảo sát cấu trúc tinh thể: X-ray………………………………………………………….. 27
2.4.4. Hệ khảo sát hình thái bề mặt: SEM…………………………………………………………… 29
2.4.5. Hệ khảo sát tính chất quang của màng mỏng ZnO: UV VIS………………………….31
2.4.6. Hệ khảo sát tính chất điện của màng mỏng ZnO: 4 mũi dò…………………………… 33
2.4.7. Hệ khảo sát tính chất điện của màng mỏng sắt điện BLT: Radian Precicion…….34
a. Đo độ phân cực điện………………………………………………………………………………….. 34
b. Hệ đo đường cong điện trễ…………………………………………………………………………. 35
c. Đặc trưng điện thế – dòng rò………………………………………………………………………. 35
Chương 3………………………………………………………………………………………………………….. 37
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……………………………………………………………………………… 37
3.1. Dung dịch tiền chất ZnO……………………………………………………………………………….. 37

3.1.2. Phổ phân tích nhiệt quét vi sai DSC………………………………………………………….. 42
3.1.3. Kích thước hạt của dung dịch tiền chất………………………………………………………. 43
3.2. Màng mỏng ZnO…………………………………………………………………………………………. 44
3.2.1. Cấu trúc tinh thể và diện tích bám phủ của màng mỏng ZnO…………………………44
a. Theo tỉ lệ muối và axit citric……………………………………………………………………….. 44
b. Theo nhiệt độ sấy đệm………………………………………………………………………………. 45
c. Theo nhiệt độ ủ…………………………………………………………………………………………. 47
3.2.2. Hình thái bề mặt của màng mỏng ZnO………………………………………………………. 49
3.2.3. Tính chất quang của màng mỏng ZnO……………………………………………………….. 51

3.2.4. Tính chất điện của màng mỏng ZnO…………………………………………………………. 53
3.3. Tính chất sắt điện của lớp điện môi và dự kiến thử nghiệm bộ nhớ sắt điện…………..53
KẾT LUẬN………………………………………………………………………………………………………. 55
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN
VĂN………………………………………………………………………………………………………………… 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………………………………… 57

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
BIOS
BLT
DRAM
DSC
DTA
EEPROM
FeRAM
MEM
MRAM
PCM
PLD
PZT
RAM
RRAM
SRAM

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của bộ nhớ sắt điện FeFET……………………………………….. 3
Hình 1.2: Cấu trúc mạng tinh thể của Bismuth titanate pha tạp Lanthanum………………….5

Hình 1.3: Đường cong hấp thụ và tỏa nhiệt của BLT0.75………………………………………….. 6
Hình 1.4: Mô hình cấu trúc mạng wurtzite của ZnO[42]…………………………………………… 8
Hình 1.5: Các dạng cấu trúc của ZnO…………………………………………………………………….. 9
Hình 1.6: Hình thái học phát triển điển hình của ZnO cấu trúc nano một chiều và các mặt
mạng tương ứng[42]…………………………………………………………………………………………… 10
Hình 1.7: Sơ đồ bốc bay bằng laser xung……………………………………………………………… 13
Hình 1.8: Nguyên lý phún xạ………………………………………………………………………………. 14
Hình 2.1: Kỹ thuật sol-gel và các sản phẩm…………………………………………………………… 19
Hình 2.2: Quá trình quay phủ……………………………………………………………………………… 19
Hình 2.3: Cấu trúc điện cực Pt và màng mỏng BLT được chế tạo trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si
22
Hình 2.4: Mặt nạ được sử dụng để chế tạo điện cực……………………………………………….. 22
Hình 2.5: Hệ phún xạ DC…………………………………………………………………………………… 22
Hình 2.6: Nguyên lý phún xạ cao áp một chiều……………………………………………………… 23
Hình 2.7: Hệ đo DSC…………………………………………………………………………………………. 24
Hình 2.8: Sơ đồ cấu tạo loại dòng nhiệt và bù trừ năng lượng…………………………………. 24
Hình 2.9: Một số đường cong DSC……………………………………………………………………… 26
Hình 2.10: Ảnh máy Horiba LB-550……………………………………………………………………. 26
Hình 2.11: Nguyên lý làm việc máy khảo sát phân bố kích thước hạt LB-550…………….27
Hình 2.12: Sơ đồ tán xạ của chùm tia X trên các mặt phẳng tinh thể…………………………. 28
Hình 2.13: Thiết bị nhiễu xạ tia X: X Ray Diffraction D5005, HUS-VNU…………………29
Hình 2.14: Kính hiển vi điện tử quét NOVA NANOSEM 450………………………………….. 30
Hình 2.15: Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét…………………………………………………….. 30
Hình 2.16: Hệ đo phổ hấp thụ UV-VIS…………………………………………………………………. 31
Hình 2.17: Sơ đồ khối hệ đo phổ hấp thụ………………………………………………………………. 32
Hình 2.18: Sơ đồ mạch điện đo điện trở suất bằng 4 mũi dò……………………………………. 33
Hình 2.19: Mạch Sawyer – Tower để đo độ phân cực điện………………………………………. 34
Hình 2.20: Thiết bị đo đường cong điện trễ Radiant Precision LC 10………………………..35
Hình 2.21: Đặc trưng J-V…………………………………………………………………………………… 36
Hình 3.1: Cấu trúc tối ưu hóa cho hệ phức gồm 1 nguyên tử Ba và a) 1; b) 2; c) 3 phân tử

axit citric[42 ]……………………………………………………………………………………………………. 37
Hình 3.2: Hình ảnh trạng thái dung dịch thay đổi sau khi khuấy sôi………………………….. 38
Hình 3.3: Hình ảnh bề mặt mẫu sau khi quay phủ………………………………………………….. 38
Hình 3.4: Trạng thái tiền chất M1:2 sau sấy 6 tiếng………………………………………………… 39

o

Hình 3.5: Bề mặt của mẫu trên đế lamen a) sau khi quay phủ; b) sau khi sấy 70 C trong 3
phút………………………………………………………………………………………………………………….. 39
o
Hình 3.6: Bề mặt mẫu sau khi sấy 70 C, a) M1:1; b) M1:2; c) M1:3; d) M1:4; e) M1:5; f)
M1:6………………………………………………………………………………………………………………… 40
o
Hình 3.7: Bề mặt mẫu sau khi ủ 400 C, a) M1:1; b) M1:2; c) M1:3; d) M1:4; e) M1:5; f)
M1:6………………………………………………………………………………………………………………… 40
Hình 3.8: Phổ nhiễu xạ tia X mẫu M1:2……………………………………………………………….. 41
Hình 3.9: Phổ phân tích nhiệt quét vi sai DSC mẫu M1:2……………………………………….. 42
Hình 3.10: Phổ kích thước hạt của dung dịch tiền chất ZnO, a) M1:2; b) M1:3; c) M1:4;
d) M1:5; e) M1:6……………………………………………………………………………………………….. 43
Hình 3.11: Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu theo tỉ lệ mol muối và axit khác nhau tử M1:1
đến M1:6………………………………………………………………………………………………………….. 44
Hình 3.12: Bề mặt màng mỏng ZnO trên đế lamen theo các tỉ lệ muối: axit khác nhau .. 45
Hình 3.13: Phổ nhiễu xạ của các mẫu M1:2-70; M1:2-80; M1:2-90; M1:2-100; M1:2-110
46
Hình 3.14: Độ bao phủ bề mặt của mảng mỏng ZnO sau khi ủ theo nhiệt độ sấy ban đầu
khác nhau………………………………………………………………………………………………………….. 46
Hình 3.15: Bề mặt màng mỏng ZnO trên đế lamen được xử lý HF tỉ lệ loãng từ 1 đến 5%
47
o

Hình 3.16: Hình ảnh bề mặt (5x) các mẫu được ủ nhiệt độ 350 C 400; 450; 500; 550 và
o
600 C……………………………………………………………………………………………………………….. 47
o
Hình 3.17: Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu ZnO 2 lớp,4 lớp, 8 lớp ủ tại 500 C…………..48
o
Hình 3.18: Hình ảnh màng mỏng ZnO M1:2-90 2 lớp ủ tại 500 C…………………………….50
o
Hình 3.19: Ảnh kính hiển vi điện tử quét mẫu M1:2-90 2 lớp ủ tại 500 C………………….50
o
Hình 3.20: Ảnh kính hiển vi điện tử quét mẫu M1:2-90 2 lớp, dung môi cồn ủ tại 500 C
50
Hình 3.21: Phổ hấp thụ của các mẫu M1:1; M1:2; M1:2.4; M1:3; M1:4; M1:5; M1:6….51
2
Hình 3.22: Đồ thị phụ thuộc của (αhυ) theo hυ của mẫu M1:2……………………………….. 52
Hình 3.23: Số liệu đo điện trở vuông mẫu M1:2…………………………………………………….. 53
o
Hình 3.24: Đường cong điện trễ P-E của màng mỏng sắt điện BLT ủ tại 725 C………….54

DANH MỤC BẢNG BIỂU
[9]

Bảng 1: Bảng so sánh các công nghệ mới của bộ nhớ ổn định ……………………………….. 3
Bảng 2.1: Thông số chế tạo các dung dịch tiền chất……………………………………………….. 17
Bảng 2.2: Thông số chế tạo điện cực thuần bằng phương pháp phún xạ……………………..23
Bảng 3.1: Kích thước hạt ZnO…………………………………………………………………………….. 49
Bảng 3.2: Giá trị năng lượng Eg………………………………………………………………………….. 52

MỞ ĐẦU
Hơn mười năm trở lại đây, các màng mỏng ZnO đã thu hút được rất nhiều sự quan
tâm, nghiên cứu. Cụ thể theo tìm kiếm của Google Scholar, có hơn 675 nghìn công bố
liên quan về màng mỏng ZnO. Sở dĩ chũng được quan tâm đáng kể như vậy do những
tính chất quang và điện độc đáo cũng như vật liệu chế tạo không ảnh hưởng tới môi
trường, chúng có tiềm năng ứng dụng đa dạng như các cảm biến dẫn khí, các điện cực dẫn
trong suốt, các ứng dụng trong pin mặt trời, ống dẫn sóng quang học, máy biến năng áp
điện, phương tiện truyền thông quang âm, các thiết bị sóng âm bề mặt, hay đi-ốt phát
quang. Vậy ZnO là gì?
Kẽm oxit (ZnO) là một loại vật liệu dẫn cho ánh sáng truyền qua, là một loại hợp
chất oxit chất bán dẫn II-VI (II-VI compound semiconductor) có năng lượng liên kết kích
thích lớn (60 meV) và năng lượng vùng cấm rộng (Eg=3,37eV) ở nhiệt độ phòng. Dựa
trên cơ sở nền ZnO người ta tiến hành pha tạp thêm các nguyên tố nhóm I và III để thu
được các chất bán dẫn loại p và loại n. Có rất nhiều phương pháp để chế tạo màng mỏng
ZnO như phương pháp vật lý như là phương pháp phún xạ, phún xạ magnetron, laser
xung (PLD). Hoặc chế tạo bằng phương pháp hóa học, phương pháp mà rất được các nhà
nghiên cứu ưa chuộng hiện nay bởi những ưu điểm như dễ dàng chế tạo không đòi hỏi
cao, hiện đại như các phương pháp vật lý và chi phí chế tạo thấp.
Ở nghiên cứu này, phương pháp sol-gel được lựa chọn để chế tạo màng mỏng ZnO

và các màng mỏng sắt điện để nghiên cứu thử nghiệm hoạt động của bộ nhớ sắt điện. Đây
là một phương pháp đơn giản, dễ dàng thao tác, chi phí thấp, phù hợp với điều kiện
nghiên cứu ở Việt Nam. Các màng mỏng sau khi chế tạo sẽ được khảo sát cấu trúc tinh
thể, hình thái học bề mặt, tính chất điện, tính chất quang, tính chất sắt điện, bởi các thiết
bị của Phòng thí nghiệm micro-nano, Trường Đại học Công nghệ và Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên như là hệ nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi
lực nguyên tử (AFM), UV-VIS, hệ đo đặc trưng sắt điện Radiant Precicion.
Căn cứ vào điều kiện nghiên cứu chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu:
“Khảo sát và chế tạo màng mỏng nano ZnO bằng phương pháp sol-gel định hướng ứng
dụng trong bộ nhớ sắt điện”

Sau đây là những kết quả luận văn thu được:
Chúng tôi đã khảo sát và làm chủ công nghệ chế tạo thành công dung dịch tiền chất
ZnO dùng để chế tạo màng mỏng ZnO từ các chất hóa học thông dụng, sẵn có và giá
thành thấp như muối kẽm nitơrat, axit citric. Đây là một kết quả đầy hứa hẹn tại Việt
Nam.
Chúng tôi đã nghiên cứu và làm chủ quy trình chế tạo màng mỏng ZnO từ dung dịch
tiền chất trên.
Chúng tôi đã chế tạo thành công màng mỏng ZnO bằng phương pháp sol-gel. Kết
quả cho thấy các màng mỏng ZnO kết tinh tốt ở nhiệt độ thấp, có các đỉnh đặc trưng như

là (100), (002), (101), độ truyền qua cao, năng lượng vùng cấm Eg của mẫu M1:2 là 3,28
eV.
Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp sol-gel là một hướng mới mẻ tại Việt Nam
mà nhóm nghiên cứu của chúng tôi là một trong những nhóm tiên phong. Thêm nữa việc
chúng tôi đã làm chủ được dung dịch tiền chất để chế tạo màng mỏng ZnO bằng phương
pháp sol-gel là một bước thành công quan trọng, tạo tiền đề cho việc thay thế các màng
mỏng bán dẫn được chế tạo bằng phương pháp vật lý như phún xạ cathode hay bốc bay
nhiệt.

1
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Các dòng bộ nhớ phổ thông
1.1.1 Bộ nhớ không ổn định
Dựa trên sự tồn tại của dữ liệu lưu trữ sau khi ngắt nguồn nuôi, người ta có thể chia
bộ nhớ thành hai dòng chính là bộ nhớ ổn định và bộ nhớ không ổn định. Bộ nhớ không
ổn định là bộ nhớ mà dữ liệu sẽ bị mất đi khi ngắt nguồn nuôi. Bộ nhớ không ổn định
đang được sử dụng rộng rãi hiện nay là bộ nhớ RAM (Random Access Memmory) bởi

chúng có đặc tính là các ô nhớ có thể đọc hoặc viết trong khoảng thời gian bằng nhau cho
dù chúng ở bất kỳ vị trí nào trong bộ nhớ. Mỗi ô nhớ trong bộ nhớ sẽ gồm một hay nhiều
transitor hoặc một transitor kết hợp với một tụ điện. Quá trình duy trì điện tích nạp vào tụ
điện được coi là quá trình nhớ nên việc đọc một bit nhớ làm nội dung bit này bị huỷ. Vậy
sau mỗi lần đọc một ô nhớ, bộ phận điều khiển bộ nhớ phải viết lại ô nhớ đó với nội dung
vừa đọc và do đó chu kỳ bộ nhớ động ít nhất là gấp đôi thời gian truy cập ô nhớ. Sự lưu
giữ thông tin trong bit nhớ chỉ là tạm thời vì tụ điện sẽ phóng hết điện tích đã nạp vào và
như vậy phải làm tươi bộ nhớ sau mỗi 2µs [2,8]. Làm tươi bộ nhớ là đọc ô nhớ và viết lại
nội dung đó vào lại ô nhớ. Việc làm tươi được thực hiện với tất cả các ô nhớ trong bộ nhớ,
và được thực hiện tự động bởi một vi mạch bộ nhớ. Các dòng bộ nhớ không ổn định tuy
phải có nguồn nuôi để duy trì trạng thái nhớ nhưng chúng có tốc độ đọc ghi nhanh như
SRAM và DRAM nên chúng vẫn thường được sử dụng cho bộ nhớ đệm và bộ nhớ chính.
1.1.2. Bộ nhớ ổn định
Các bộ nhớ ổn định, dữ liệu vẫn duy trì khi tắt nguồn nuôi, có thể kể đến như bộ
nhớ truy cập ngẫu nhiên từ MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory), bộ nhớ
truy cập ngẫu nhiên trở RRAM (Resistive Random Access Memory) tiêu hao ít năng
lượng và có mật độ lưu trữ thông tin lớn hơn so với DRAM (Dynamic Random Access
Memory).
Bộ nhớ Flash được phát triển từ bộ nhớ EFPROM (Electrically Erasable
Programmable Read Only Memory) – bộ nhớ thường được sử dụng để lưu thông số BIOS
(Basic Input/Output System) trên bo mạch chủ. Bộ nhớ Flash lưu trữ dữ liệu ổn định có
thể ghi và xóa thông tin bằng điện. Bộ nhớ Flash tĩnh nhờ việc mã hóa thông tin bit “1”
hay “0” do có các transitor mã hóa và tiếp tục lưu trữ thông tin này ngay cả khi mất nguồn
điện chính. Điều này khiến cho bộ nhớ Flash trở nên ưu thế. Tuy nhiên thì bộ nhớ này
chưa thể thay thế ổ đĩa từ được do mật độ lưu trữ vẫn còn thấp [7].
Bộ nhớ từ MRAM là bộ nhớ mà thông tin lưu trữ ở trạng thái spin của điện tử, cụ
thể là sự định hướng của hai momen từ. Một ô nhớ trong MRAM gồm hai lớp từ tính kẹp
giữa là một lớp cách điện rất mỏng (cỡ nm). Moment từ của một lớp đóng vai trò lớp

2
ghim, được giữ cố định theo một chiều, còn moment từ của lớp còn lại như là lớp lưu trữ
có thể đảo dưới tác dụng của từ trường, để nó song song hoặc phản song song với lớp
ghim, dẫn đến sự thay đổi về điện trở của cấu hình (do sự tán xạ khác nhau của điện tử
trong các trạng thái song song và phản song song). Các bit “0” và “1” được quy ước
tương ứng với 3 trạng thái điện trở “cao” và “thấp”. Sự lưu trữ thông tin sau khi ngắt
nguồn điện được xác lập nhờ sự giữ lại trạng thái của các moment từ. MRAM được cho là
bộ nhớ tiềm năng do khả năng chuyển đổi cực nhanh của nó kết hợp với khả năng lật
trạng thái gần như không giới hạn, không bay hơi, mật độ cao, dữ liệu không bị phá hủy
khi đọc, điện áp thấp và năng lượng thấp so với những bộ nhớ truyền thống [10]. Để tăng
mật độ lưu trữ thông tin trong bộ nhớ MRAM thì giảm kích thước hạt sắt từ là một giải
pháp được lựa chọn. Tuy nhiên việc làm này gặp phải một hạn chế đó là giới hạn siêu
thuận từ. Đây là một hiệu ứng kích thước, về mặt bản chất là sự chiếm ưu thế của năng
lượng nhiệt so với năng lượng dị hướng từ khi kích thước của hạt quá nhỏ. Hiệu ứng này
làm cho bộ nhớ MRAM mất đi khả năng lưu trữ [18].
Bộ nhớ trở RRAM (Resistive Random Access Memory) là một thiết bị bộ nhớ
trong đó sự thay đổi điện trở của màng mỏng ô-xít kim loại chức năng như các thông tin
được lưu trữ, và thiết bị này có thể hoạt động với điện áp thấp và ở tốc độ cao. Bộ nhớ
RRAM được kỳ vọng trở thành một thế hệ bộ nhớ mới, cho phép một lượng lớn dữ liệu
được lưu trữ ở tốc độ cao với mức tiêu thụ điện năng thấp. Nếu so sánh RRAM với
MRAM, thì chúng có cấu trúc nhớ đơn giản hơn; so với bộ nhớ Flash thì chúng sử dụng
năng lượng thấp hơn; so với PCM (Phase Change Memory) thì chúng cho phép thời gian
chuyển trạng thái thấp hơn 10 ns. Tuy nhiên, cơ chế thay đổi điện trở của màng ô-xít kim
loại trong RRAM xảy ra như thế nào vẫn chưa được giải thích rõ ràng. Mặt khác, để đạt
được một thiết bị nhớ có thể tận dụng tối đa những đặc điểm nổi bật của RRAM, thì đây
là công việc đã được chứng minh là rất khó khăn [38].
Bộ nhớ sắt điện FeRAM là bộ nhớ không tự xóa, nghĩa là trạng thái vẫn được duy
trì khi tắt nguồn nuôi. Bộ nhớ này có độ đóng mở cao, có thể hoạt động trong môi trường
khắc nghiệt, có điện áp ghi thấp và tốc độ ghi đọc nhanh chóng, cùng với việc điều khiển
bằng thế dẫn đến điện năng tiêu thụ thấp giúp cho dòng bộ nhớ này chiếm ưu thế nổi trội

hơn so với các bộ nhớ flash truyền thống [33]. Phần tiếp theo sẽ trình bày về cấu trúc và
nguyên lý hoạt động của bộ nhớ FeRAM.
1.2. Bộ nhớ sắt điện FeRAM
1.2.1. Cấu trúc bộ nhớ sắt điện FeRAM
Hình dưới đây là cấu trúc của một đơn vị nhớ FeRAM (Ferroelectric Random
Access Memory). Nguyên lý hoạt động của bộ nhớ sắt điện được giải thích thông qua
đường cong điện trễ như sau:
Trạng thái “ON” hình thành khi ta đặt thế cực cửa V G>0, lớp sắt điện sẽ được phân
cực dương +Pr (Bit “1”). Một vùng điện tích cảm ứng (đóng vai trò như một kênh dẫn) sẽ

3
xuất hiện ở phần tiếp giáp giữa lớp sắt điện và đế Si. Do vậy khi ta cấp điện thế ở hai cực
nguồn (S) và máng (D) sẽ có dòng điện chạy qua kênh dẫn. Trạng thái “OFF” là khi
VG<0, lớp sắt điện phân cực âm -Pr (bit “0”). Do hiện tượng cảm ứng điện, một vùng
nghèo (tích điện dương) được hình thành tại lớp tiếp giáp giữa lớp sắt điện và đế Si. Vùng
nghèo này sẽ ngăn cản dòng điện chạy từ cực nguồn sang cực máng [35].

Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của bộ nhớ sắt điện FeFET.
Bảng 1: Bảng so sánh các công nghệ mới của bộ nhớ ổn định

[9]

4
Từ bảng so sánh các tính năng của bộ nhớ ổn định điển hình có thể thấy rằng, dòng
bộ nhớ FeRAM có điện áp ghi thấp và tốc độ ghi/đọc nhanh chóng khiến các bộ nhớ mới
chiếm ưu thế vượt trội hơn so với các bộ nhớ flash truyền thống. Hơn nữa, bộ nhớ sắt
điện FeRAM là bộ nhớ điều khiển bằng thế, nên xét trên quan điểm tiêu thụ ít điện năng
thì bộ nhớ sắt điện FeRAM sẽ là lựa chọn có ưu thế hơn các dòng bộ nhớ khác.

Dựa vào nguyên lý hoạt động của bộ nhớ sắt điện, dễ thấy lớp cổng sắt điện và kênh
dẫn đóng vai trò hết sức quan trọng, quyết định phần lớn đến chất lượng mã hóa và lưu
trữ thông tin của bộ nhớ sắt điện.
1.2.2. Các vật liệu tiềm năng ứng dụng FeRAM
a. Vật liệu sắt điện BLT
Một số vật liệu sắt điện tiêu biểu có cấu trúc perovskite được sử dụng làm lớp cổng sắt
điện như là Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT), Bi3.25La0.75Ti3O12 (BLT), SrBi2Ta2O9 (SBT). Chúng đều
2
có những tính chất sắt điện nổi trội như là độ phân cực dư lớn (PZT 2Pr~60 µC/cm ), độ già
12
hóa chậm, lực kháng điện thấp 2Ec~70kV/cm (SBT), độ già hóa chậm (BLT 10 cycles)
[4,37]. Trong luận văn này chúng tôi chọn vật liệu BLT làm lớp cổng sắt điện.

b. Lớp kênh dẫn của bộ nhớ FeRAM
Kênh dẫn trong bộ nhớ sắt điện thông thường được sử dụng là vật liệu bán dẫn ITO
(Tin doped Indium Oxide) [11]. Tuy nhiên, Indium là vật liệu ngày càng khan hiếm, chi
phí chế tạo đắt đỏ và độc hại cho sức khỏe con người. Gần đây màng mỏng ZnO được
quan tâm nghiên cứu để thay thế kênh dẫn ITO và đã cho những kết quả rất tốt. Cụ thể
nhóm của tác giả Yukihiro Kaneko đã chế tạo một transitor màng mỏng sắt điện hiệu ứng
trường cấu trúc ZnO/Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)/SrRuO3 (SRO) trên đế Pt/SiO2/Si. Với kênh là
màng mỏng ZnO được chế tạo bằng phương pháp bốc bay bằng lazer xung (PLD). Kết
5
2 -1 quả cho thấy bộ nhớ có tỉ số đóng mở lớn hơn 10 (Ion/Ioff) độ linh động cao 26 cm V s
1

và từ các thông số khác cho thấy thời gian lưu trữ dữ liệu là hơn 10 năm [14,39,40].

1.3. Tính chất vật liệu sắt điện BLT
1.3.1. Cấu trúc tinh thể

5

Hình 1.2: Cấu trúc mạng tinh thể của Bismuth titanate pha tạp Lanthanum.
Trên Hình 1.2 là cấu trúc mạng tinh thể của perovskite layer Bismuth titanate pha
tạp Lanthanum. Hợp chất được nghiên cứu ở đây là Bi 3.25La0.75Ti3O12 (BLT). Ở đây ion
La cũng có thể thay thế bằng các ion khác như Pr, Nd, Sm [26].
Về đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể của BLT như trên Hình 1.2 ta thấy có ba lớp bát
2+

diện Ti-O được kẹp giữa hai lớp (Bi 2O2). BLT thường dược chế tạo quá trình nhiệt
trạng thái rắn. Hỗn hợp các vi hạt oxide Bi 2O3, TiO2 và La2O3 được trộn đều, nung ở
nhiệt độ đệm, cuối cùng là thiêu kết ở nhiệt độ cao.
Sự phân hủy và quá trình chuyển pha của tiền chất được nghiên cứu bởi phân tích
nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis -DTA).

6

Hình 1.3: Đường cong hấp thụ và tỏa nhiệt của BLT0.75
Trên Hình 1.3 là đường DTA của dung dịch BLT, dễ thấy có bốn đỉnh hấp thụ nhiệt
o
o
là 90, 229, 272 và 514 C và bốn đỉnh tỏa nhiệt là 250,291, 445 và 820 C. Đỉnh hấp thụ
o

o

nhiệt 90 C là do bay hơi của nước. Vùng nhiệt hấp thụ và tỏa nhiệt 229-291 C có thể là sự
bay hơi của dung môi trong gel. Pha không ổn định Bi 2O3 và TiO2 được cho là xuất hiện

o

ở 445 C và pha Bi2Ti4O11 xuất hiện tiếp theo do tác dụng của Bi 2O3 và TiO2. Tiếp theo
đó sự tác dụng của Bi2Ti4O11và Bi2O3 cho ra trạng thái pha Bi 4Ti3O12 với cấu trúc tứ giác
o

ở 514 C và cuối cùng là pha ổn định nhất có cấu trúc orthorhombic là Bi 3.25La0.75Ti3O12
o

ở 820 C, nhiệt độ này được cho là thấp hơn nhiệt chuyển pha của BTO, có thể là do sự
pha tạp Lathanum [21]
1.3.2. Tính chất điện
Tính chất điện của Bismuth tiatanate pha tạp lanthanum lần đầu tiên được công bố
vào năm 1999 trên tạp chí Nature. Vật liệu Bismuth titanate pha tạp lanthanum có cấu
trúc perovskite chồng lớp là mới mẻ và rất có triển vọng ứng dụng vào bộ nhớ sắt điện ổn
định. BLT là vật liệu sắt điện chồng lớp được nghiên cứu rộng rãi vì những tính chất tốt
của nó như là tốc độ chuyển mạch nhanh, độ già hóa lớn (fatigue risistance) với điện cực
o

kim loại, sự ổn định tốt, nhiệt độ Curie cao (675 C) có tiềm năng ứng dụng nhiệt lớn[26].
1.3.3. Tình hình nghiên cứu
Màng mỏng sắt điện đã thu hút được sự chú ý đáng kể vì khả năng của chúng trong
các ứng dụng thiết bị cảm biến, MEM (Micro Electric Machines), và bộ nhớ truy cập
ngẫu nhiên ổn định, tụ điện 3D (Dimension) làm đơn vị nhớ của bộ nhớ mật độ cao.

7
Trong số các chất sắt điện, lead zirconate titanate (Pb (Zr xTi1-X)O3 (PZT)) được biết đến là
vật liệu quan trọng nhất đối với các ứng dụng này, và đã được nghiên cứu rộng rãi vì tính sắt
điện vượt trội của nó. Tuy nhiên, các thành phần hóa học gây độc hại với môi trường và độ

chống già hóa kém của PZT có thể hạn chế nó trong việc được sử dụng trong nhiều

ứng dụng với các điện cực Pt thông thường. Mặc dù các đặc tính chống già hóa của tụ
điện PZT có thể được cải thiện đáng kể bằng cách sử dụng điện cực kim loại oxit, nói
chung hiện nay các điện cực làm cho quá trình phức tạp hơn và có xu hướng tăng dòng rò.
Vì vậy, cần thiết để phát triển một loại vật liệu sắt điện mới có tính chất sắt điện tốt hơn
của PZT.
Trong số các chất sắt điện tiêu biểu SrBi 2Ta2O9 (SBT) và Bi4Ti3O12 (BIT), là những
vật liệu đầy hứa hẹn cho những mục đích này và đã được nghiên cứu rộng rãi. SBT cho
thấy độ chống già hóa cao sau 10

12

chu kỳ, nhưng nó có một vài nhược điểm, chẳng hạn
o

2

như quá trình nhiệt độ cao 750-825 C và độ phân cực dư nhỏ (2Pr) 4-16 µC/cm. Mặt
khác, các tinh thể BIT đơn cho thấy rằng sự phân cực tự phát (Ps) theo truc a và trục c
2

2

tương ứng đạt 50 µC/cm và 4 µC/cm. Tuy nhiên, màng mỏng đa tinh thể BIT hiện nay
cho thấy dòng rò tương đối cao, domain pinning, và độ phân cực dư nhỏ (2P r) khoảng 42
8 µC/cm điều mà khiến việc sử dụng BIT ứng dụng thực tế vào thiết bị trở nên khó khăn.
3+

Nghiên cứu gần đây cho thấy rằng ion Bi trong cấu trúc Bi4Ti3O12 có thể được thay thế

bởi các ion hóa trị nhóm ba Lanthanum để cải thiện tính chất sắt điện của nó. Màng mỏng
o
Bi3.25La0.75Ti3O12 (BLT) lắng đọng trên đế Pt/Ti/SiO 2/Si tại 725 C bằng phương pháp
laser xung đã được báo cáo cho thấy giá trị Pr cao và độ chống già hóa tốt. Có vẻ như việc
3+

3+

thay thế một phần ion Bi bởi các ion La góp phần vào việc ổn định hóa học của các
ion oxy trong khối perovskite, mà kết quả là độ chống già hóa tốt hơn và giảm mật độ
dòng rò.
Tomar đã báo cáo rằng màng mỏng Bi 3.44La0.56Ti3O12 (BLT) lắng đọng trên bề mặt
Pt/TiO2/SiO2/Si bởi quy trình quay phủ sol-gel. Giá trị của độ phân cực dư (2P r) và lực
2

kháng điện (2Ec) của màng mỏng BLT tương ứng là 82 µC/cm và 200 kV/cm ở điện
trường 270 kV/cm [37]. Tuy nhiên, màng mỏng BLT này được ủ ở nhiệt độ tương đối cao
o
khoảng 725 C để ứng dụng vào linh kiện thực tế, mặc dù tính chất điện của màng mỏng
BLT cho thấy một sắt điện tốt so với màng mỏng BLT lắng đọng bởi phương pháp laser
xung (PLD), MOCVD. Nó cũng được biết rằng hạ thấp quá trình nhiệt độ trong khi vẫn
giữ được tính chất sắt điện tốt là rất quan trọng trong các ứng dụng cho bộ nhớ sắt điện.

8
1.4. Kênh dẫn trong bộ nhớ sắt điện, màng mỏng ZnO
1.4.1. Cấu trúc tinh thể màng mỏng ZnO
Từ những năm 1960, tổng hợp màng mỏng ZnO đã mở ra những hướng tích cực bởi
những ứng dụng sensor, truyền dẫn và xúc tác [13]. Trong vài thập kỷ qua, đặc biệt là kể
từ sáng kiến công nghệ nano dẫn đầu là Mỹ, nghiên cứu vật liệu thấp chiều đã trở thành

một lợi thế hàng đầu trong ngành khoa học và công nghệ nano. Màng mỏng là một điển
hình của công nghệ thấp chiều này (2D). Màng mỏng ZnO là một vật liệu quan trọng
trong các ứng dụng, việc thiếu một tâm đối xứng trong mạng wurtzite kết hợp với liên kết
điện tử lớn cho thấy chúng có tính áp điện và tính hỏa điện nên thường được ứng dụng
thiết bị truyền dẫn và sensor áp điện. Thêm nữa, zinc oxide như là một chất bán dẫn có
năng lượng vùng cấm rộng (3,37 eV), điều này phù hợp cho những ứng dụng quang điện
tử dẫn sóng ngắn. Năng lượng kích thích exciton lớn (60 meV) trong tinh thể ZnO có thể
đảm bảo phát xạ exciton ở nhiệt độ phòng hiệu quả và sự phát xạ tia tử ngoại ở nhiệt độ
phòng cũng được báo cáo khi ZnO tồn tại dạng hạt nano và màng mỏng [12,22]. ZnO cho
ánh sáng khả kiến truyền qua và có thể cho độ dẫn tốt khi được pha tạp.
ZnO là một vật liệu đa dạng bao gồm một nhóm các hình thái phát triển phong phú
như lược nano (nanocombs), nhẫn nano (nanorings), lò xo nano
(nanohelixes/nanosprings), dải nano (nanobelts), dây nano (nanowires) và khung nano
(nano cages).

Hình 1.4: Mô hình cấu trúc mạng wurtzite của ZnO[42].
Mạng wurtzite ZnO có cấu trúc mạng lục phương xếp chặt (nhóm không gian
C6mc) với thông số mạng là a = 3.296 Å và c = 5.2065 Å. Cấu trúc của ZnO được mô tả
22+
đơn giản như là sự sắp xếp của các ion O và Zn xen kẽ nhau trong khối tứ diện dọc
theo trục c như trên Hình 1.4. Sự sắp xếp tứ diện của ZnO cho thấy sự bất đối xứng trong
cấu trúc và kết quả là tạo ra được tính chất áp điện và hỏa điện như đã nêu ở trên. Một đặc

9
tính quan trọng khác nữa của ZnO là phân cực bề mặt. Thông thường phân cực bề mặt là
mặt phẳng. Các ion điện tích bề mặt trái dấu tạo điện tích dương Zn (0001) và điện tích

âm O (0001 ), dẫn đến hai mặt phẳng tinh thể có cực trái dấu và năng lượng khác nhau,

kết quả là mô men lưỡng cực và phân cực tự phát dọc theo trục c, tốc độ phát triển theo
trục c cao hơn. Do đó chúng hình thành các cấu trúc chính là wurtzite. Để giữ ổn định cấu
trúc, thông thường phân cực bề mặt có nhiều mặt, hay tái cấu trúc thành bề mặt gồ ghề,
nhưng ZnO ±(0001) là một trường hợp ngoại lệ, chúng tự động làm phẳng, giữ ổn định
mà không tái cấu trúc lại.

Hình 1.5: Các dạng cấu trúc của ZnO:
a) Cấu trúc Rocksalt, b) Cấu trúc Zinc Blende, c) Cấu trúc Wurtzite
Ở nhiệt độ phòng, wurtzite là dạng ổn định nhiệt động, trong khi đó dạng zincblende chỉ có được khi kết tinh trên đế có cấu trúc lập phương và dạng rocksalt (NaClB1) chỉ tồn tại ở áp suất cao. ZnO wurtzite dạng sáu phương có cấu trúc xếp chặt như sau:
2-

2+

Trong cấu trúc wurtzite, các ion O và Zn thay phiên xếp chồng lên nhau theo mạng lục
22+
giác xếp chặt, trong đó mỗi anion O được bao quanh bởi 4 cation Zn và ngược lại. Các ion
2+
Zn chiếm phân nửa số vị trí tứ diện trong mạng này. Số phối trí 4 này đặc trưng cho
liên kết cộng hoá trị sp3, tuy nhiên ZnO có bản chất liên kết chính là liên kết ion (62%)
[27].
Trong các thiết bị sử dụng vật liệu ZnO, cấu trúc tinh thể màng là một đặc tính quan
trọng. Ví dụ, màng ZnO cần phải định hướng chủ yếu theo trục c vuông góc với bề mặt đế
trong các bộ chuyển đổi sóng dọc (longitudinal bulk wave transducers) và bộ lọc sóng âm
bề mặt (SAW filters). Sự định hướng tinh thể theo một phương mong muốn phụ thuộc vào
điều kiện chế tạo và bản chất của vật liệu làm đế. Với những điều kiện chế tạo thích hợp,
màng ZnO thường có định hướng theo trục c ngay cả khi màng được tráng phủ trên đế
thuỷ tinh. Điều đó được lí giải vì sắp xếp theo phương này tạo cho màng có độ xếp chặt
cao nhất.
Dưới đây là các cấu trúc phát triển điển hình của ZnO. ZnO có ba hướng phát triển
– – – – mạnh: ‹21 1 0› (±[21 1 0], ±[1 21 0], ±[1 1 20]); ‹±011 0› (±[011 0], ±[101 0], ±[11 00]);

và ±[0001]. Cùng với phân cực bề mặt do kết thúc nguyên tử, ZnO cho thấy có nhiều cấu
trúc mà có thể phát triển dọc theo các hướng. Một cách vĩ mô, một tinh thể sẽ có những
thông số động học khác nhau theo các hướng phát triển tinh thể khác nhau, nó được điều

10
khiển bởi các điều kiện phát triển. Hình 1.6 cho thấy một vài hình thái học điển hình của
cấu trúc nano một chiều của ZnO. Những cấu trúc này hướng về diện tích lớn nhất của
mặt (2110) và (0110) bởi năng lượng mặt này thấp hơn.

Hình 1.6: Hình thái học phát triển điển hình của ZnO cấu trúc nano một chiều và
các mặt mạng tương ứng [42].
1.4.2. Tính chất điện
2+

2-

Mạng tinh thể ZnO tạo bởi sự liên kết của ion Zn và O trong tinh thể hoàn hảo
không xuất hiện các hạt tải tự do. Trong thực tế mạng tinh thể không hoàn hảo, mạng tinh
thể có những sai hỏng do:
+ Hỏng mạng do nút khuyết hay nguyên tử tạp.
+ Hỏng biên hay bề mặt do lệch mạng hay khuyết tật bọc.
+ Khuyết tật phức tạp do sự tương tác hay kết hợp những khuyết tật thành phần.
Các nút khuyết ôxi trong mạng là nguyên nhân làm cho ZnO mang tính bán dẫn loại
n. Độ dẫn điện của màng ZnO không đủ cao, khó kiểm soát để đáp ứng trong một số thiết
bị. Để tăng thêm tính dẫn điện của màng ZnO ta phải tìm cách pha tạp. Thông thường pha
tạp loại n là các nguyên tố nhóm III trong bảng hệ thống tuần hoàn như Al, Ga. Việc lựa
chọn chất pha tạp phụ thuộc vào phương pháp tạo màng, điều kiện tạo màng và mục đích
sử dụng. Khi pha tạp nhôm (Al) vào mạng ZnO, nồng độ hạt tải electron tăng lên và vật
liệu dẫn điện tốt hơn.

3+
2+
Cụ thể pha tạp Al, các ion dương Al và Zn có bán kính ion gần bằng nhau do đó
3+
2+
ion Al dễ dàng thâm nhập vào mạng lưới ZnO bằng cách thay thế ion Zn mà không thay
3+
đổi cấu trúc của ô mạng. Như vậy mỗi ion Al thay thế sẽ cho một electron tự do,
làm tăng nồng độ electron, nên làm tăng độ dẫn điện của vật liệu.

11
Sự dẫn điện của màng mỏng, chúng ta đã biết điện trở suất ρ tỉ lệ nghịch với độ dẫn σ
theo công thức
Trong đó độ dẫn được tính theo công thức
Trong đó

Để có thể tạo được bán dẫn loại p thì có thể chọn những nguyên tố nhóm I hay nhóm
V làm chất pha tạp như là Ag, N, P, As. Chúng là những nguyên tố có thể thay đổi vị trí
của Zn hay O trong mạng tinh thể ZnO, đồng thời thiếu một điện tử so với nguyên tố mà
nó thay thế, vì vậy có thể thu được bán dẫn loại p.
Thông thường người ta pha tạp cả loại p và loại n theo tỉ lệ loại nào lớn hơn thì thu
được bán dẫn loại đó. Việc pha tạp đồng thời cả hai để tránh sự bất ổn của tinh thể như:
– Góp phần tăng cường tính hợp thức của các acceptor, cơ chế này đòi hỏi ái lực
điện giữa acceptor và chất cùng pha tạp phản ứng phải cao.
– Việc cùng pha tạp donor với acceptor là để tăng cường sự hòa tan của acceptor.
Donor pha tạp vào không phải để khử tính dẫn loại p mà để hoạt hóa acceptor.
1.4.3.Tiềm năng ứng dụng của màng mỏng ZnO và tình hình nghiên cứu
Hơn mười năm trở lại đây, các màng mỏng ZnO đã thu hút được rất nhiều sự quan
tâm, nghiên cứu. Cụ thể theo tìm kiếm của Google Scholar, có hơn 675 nghìn công bố

liên quan về màng mỏng ZnO. Sở dĩ chũng được quan tâm đáng kể như vậy do những
tính chất quang và điện độc đáo cũng như vật liệu chế tạo không ảnh hưởng tới môi
trường, chúng có tiềm năng ứng dụng đa dạng như các cảm biến dẫn khí, các điện cực dẫn
trong suốt, các ứng dụng trong pin mặt trời, ống dẫn sóng quang học, máy biến năng áp
điện, phương tiện truyền thông quang âm, các thiết bị sóng âm bề mặt, hay đi-ốt phát
quang.
Bài báo đầu tiên về vật liệu ZnO vào năm 1996 về laze bơm quang học ở nhiệt độ
2K từ một tiểu cầu ZnO mọc lên từ sự pha hơi bởi Retnold cùng các cộng sự [29]. Một
năm sau Zu, Bagnall và Segawa cùng các cộng sự [6,34,44] quan sát được sự phát xạ tia
cực tím tự phát và bị kích thích từ màng mỏng ZnO ở nhiệt độ phòng. Sau đó một năm
nữa, hướng nghiên cứu này lại được tiếp tục phát triển bởi các công trình của Bagnall, Yu,
Tang, Kawasaki, và Ohtomo [5,17,25,36,41]. Phương pháp chế tạo màng mỏng ZnO chủ
yếu của họ là kỹ thuật laze phân tử – chùm epitaxy, kỹ thuật này cho thấy sự kết tinh cao
theo hướng trục c. Các màng này gồm có một dãy sắp xếp epitaxy của các cấu trúc vi tinh
thể hình lục giác và các mặt của hình lục giác thì song song với nhau do đó hình

LỜI CAM ĐOANTôi xin cam kết luận văn này là khu công trình điều tra và nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫncủa TS. Bùi Nguyên Quốc Trình và sự tương hỗ của nhóm điều tra và nghiên cứu. Các tác dụng đưa ratrong luận văn này là do tôi thực thi. Các thông tin, tài liệu tìm hiểu thêm từ những nguồnsách, tạp chí, bài báo sử dụng trong luận văn đều được liệt kê trong hạng mục những tài liệutham khảo. Tôi xin chịu trọn vẹn nghĩa vụ và trách nhiệm trước Nhà trường về lời cam kết này. Học viên thực hiệnTrần Văn DũngLỜI CẢM ƠNLời tiên phong em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và thâm thúy nhất tới TS. BùiNguyên Quốc Trình, người thầy đã truyền cho em niềm đam mê học tập và nghiên cứucũng như tạo mọi điều kiện kèm theo thuận tiện nhất cho em hoàn thành xong Luận văn tốt nghiệp này. Thầy không chỉ trang bị cho em những kiến thức và kỹ năng hữu dụng về trình độ khoa học mà còncả cách tư duy, cách thao tác có mạng lưới hệ thống, hiệu suất cao. Em cũng xin cảm ơn tới ThS. Nguyễn Quang Hòa, CN. Lưu Mạnh Quỳnh, ThS. ĐỗHồng Minh, cùng nhóm điều tra và nghiên cứu đã giúp sức nhiệt tình trong thời hạn em làm luậnvăn. Em cũng rất biết ơn những anh chị công tác làm việc và học tập tại Khoa Vật lý kỹ thuật vàCông nghệ nano cũng như PTN micro-nano của trường ĐHCN, Trung tâm Khoa học Vậtliệu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên luôn tạo điều kiện kèm theo, trợ giúp nhiệt tình, góp ý, ủnghộ em, và đây cũng nơi mà em có thời cơ được hoàn thành xong tốt quy trình nghiên cứu và điều tra củamình. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến mái ấm gia đình, bạn hữu, những người thân trong gia đình luôn là chỗdựa ý thức vững chãi nhất giúp chúng em vượt qua mọi khó khăn vất vả. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn ! TP. Hà Nội, ngàythángHọc viênTrần Văn Dũngnăm 2017M ỤC LỤCTrangLỜI CAM ĐOAN. …………………………………………………………………………………………………… LỜI CẢM ƠN …………………………………………………………………………………………………………. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT …………………………………………………… DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ …………………………………………………………………………………… DANH MỤC BẢNG BIỂU ………………………………………………………………………………………. MỞ ĐẦU ……………………………………………………………………………………………………………….. Chương 1 ……………………………………………………………………………………………………………. 1T ỔNG QUAN. ……………………………………………………………………………………………………. 11.1. Các dòng bộ nhớ đại trà phổ thông …………………………………………………………………………….. 11.1.1 Bộ nhớ không không thay đổi …………………………………………………………………………………… 11.1.2. Bộ nhớ không thay đổi ………………………………………………………………………………………… 11.2. Bộ nhớ sắt điện FeRAM …………………………………………………………………………………. 21.2.1. Cấu trúc bộ nhớ sắt điện FeRAM ……………………………………………………………….. 21.2.2. Các vật liệu tiềm năng ứng dụng FeRAM ……………………………………………………. 4 a. Vật liệu sắt điện BLT. ………………………………………………………………………………….. 4 b. Lớp kênh dẫn của bộ nhớ FeRAM ………………………………………………………………… 41.3. Tính chất vật liệu sắt điện BLT. ……………………………………………………………………….. 41.3.1. Cấu trúc tinh thể ………………………………………………………………………………………. 41.3.2. Tính chất điện ………………………………………………………………………………………….. 61.3.3. Tình hình nghiên cứu và điều tra ………………………………………………………………………………… 61.4. Kênh dẫn trong bộ nhớ sắt điện, màng mỏng dính ZnO ……………………………………………… 81.4.1. Cấu trúc tinh thể màng mỏng mảnh ZnO ……………………………………………………………… 81.4.2. Tính chất điện ………………………………………………………………………………………… 101.4.3. Tiềm năng ứng dụng của màng mỏng dính ZnO và tình hình nghiên cứu và điều tra ……………….. 111.5. Các giải pháp sản xuất màng mỏng dính BLT và màng mỏng dính ZnO ………………………… 121.5.1. Phương pháp ngọt ngào laser xung ( PLD ) ………………………………………………. 121.5.2. Phương pháp phún xạ RF. …………………………………………………………………….. 141.6. Mục tiêu nghiên cứu và điều tra của Luận văn thạc sỹ ………………………………………………………. 14C hương 2 ………………………………………………………………………………………………………….. 16PH ƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT ……………………………………………………….. 162.1. Chế tạo tiền chất ZnO …………………………………………………………………………………… 162.1.1. Dụng cụ và hóa chất ……………………………………………………………………………….. 162.1.2. Quy trình sản xuất tiền chất ……………………………………………………………………….. 162.2. Chế tạo màng mỏng mảnh bằng giải pháp sol-gel ………………………………………………… 182.2.1. Nguyên lý sản xuất của giải pháp sol-gel ……………………………………………….. 182.2.2. Chế tạo màng mỏng dính ZnO bằng chiêu thức sol-gel …………………………………… 20 a. Chuẩn bị ………………………………………………………………………………………………….. 20 b. Quy trình sản xuất ………………………………………………………………………………………. 212.2.3. Chế tạo màng mỏng mảnh BLT bằng giải pháp sol-gel ……………………………………. 21 a. Chuẩn bị ………………………………………………………………………………………………….. 21 b. Quy trình sản xuất ………………………………………………………………………………………. 212.3. Chế tạo điện cực Pt bằng chiêu thức phún xạ ……………………………………………….. 222.3.1. Nguyên lý sản xuất …………………………………………………………………………………… 222.3.2. Điều kiện sản xuất ……………………………………………………………………………………. 232.4. Thiết bị khảo sát đặc thù của tiền chất ZnO và của những màng mỏng mảnh …………………… 232.4.1. Hệ khảo sát nghiên cứu và phân tích nhiệt quét vi sai của tiền chất ZnO : DSC. …………………… 232.4.2. Hệ khảo sát kích cỡ hạt của dung dịch ZnO : LB 550 ………………………………. 262.4.3. Hệ khảo sát cấu trúc tinh thể : X-ray ………………………………………………………….. 272.4.4. Hệ khảo sát hình thái mặt phẳng : SEM. ………………………………………………………….. 292.4.5. Hệ khảo sát đặc thù quang của màng mỏng dính ZnO : UV VIS. ………………………… 312.4.6. Hệ khảo sát đặc thù điện của màng mỏng dính ZnO : 4 mũi dò …………………………… 332.4.7. Hệ khảo sát đặc thù điện của màng mỏng mảnh sắt điện BLT : Radian Precicion ……. 34 a. Đo độ phân cực điện ………………………………………………………………………………….. 34 b. Hệ đo đường cong điện trễ …………………………………………………………………………. 35 c. Đặc trưng điện thế – dòng rò ………………………………………………………………………. 35C hương 3 ………………………………………………………………………………………………………….. 37K ẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ……………………………………………………………………………… 373.1. Dung dịch tiền chất ZnO ……………………………………………………………………………….. 373.1.2. Phổ nghiên cứu và phân tích nhiệt quét vi sai DSC. …………………………………………………………. 423.1.3. Kích thước hạt của dung dịch tiền chất ………………………………………………………. 433.2. Màng mỏng dính ZnO …………………………………………………………………………………………. 443.2.1. Cấu trúc tinh thể và diện tích quy hoạnh bám phủ của màng mỏng mảnh ZnO ………………………… 44 a. Theo tỉ lệ muối và axit citric ……………………………………………………………………….. 44 b. Theo nhiệt độ sấy đệm ………………………………………………………………………………. 45 c. Theo nhiệt độ ủ …………………………………………………………………………………………. 473.2.2. Hình thái mặt phẳng của màng mỏng mảnh ZnO ………………………………………………………. 493.2.3. Tính chất quang của màng mỏng mảnh ZnO ……………………………………………………….. 513.2.4. Tính chất điện của màng mỏng mảnh ZnO …………………………………………………………. 533.3. Tính chất sắt điện của lớp điện môi và dự kiến thử nghiệm bộ nhớ sắt điện ………….. 53K ẾT LUẬN ………………………………………………………………………………………………………. 55DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬNVĂN ………………………………………………………………………………………………………………… 56T ÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………………………………… 57DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮTChữ viết tắtBIOSBLTDRAMDSCDTAEEPROMFeRAMMEMMRAMPCMPLDPZTRAMRRAMSRAMDANH MỤC CÁC HÌNH VẼHình 1.1 : Nguyên lý hoạt động giải trí của bộ nhớ sắt điện FeFET ……………………………………….. 3H ình 1.2 : Cấu trúc mạng tinh thể của Bismuth titanate pha tạp Lanthanum …………………. 5H ình 1.3 : Đường cong hấp thụ và tỏa nhiệt của BLT0. 75 ………………………………………….. 6H ình 1.4 : Mô hình cấu trúc mạng wurtzite của ZnO [ 42 ] …………………………………………… 8H ình 1.5 : Các dạng cấu trúc của ZnO …………………………………………………………………….. 9H ình 1.6 : Hình thái học tăng trưởng nổi bật của ZnO cấu trúc nano một chiều và những mặtmạng tương ứng [ 42 ] …………………………………………………………………………………………… 10H ình 1.7 : Sơ đồ bốc bay bằng laser xung ……………………………………………………………… 13H ình 1.8 : Nguyên lý phún xạ ………………………………………………………………………………. 14H ình 2.1 : Kỹ thuật sol-gel và những mẫu sản phẩm …………………………………………………………… 19H ình 2.2 : Quá trình quay phủ ……………………………………………………………………………… 19H ình 2.3 : Cấu trúc điện cực Pt và màng mỏng dính BLT được sản xuất trên đế Pt / TiO2 / SiO2 / Si22Hình 2.4 : Mặt nạ được sử dụng để sản xuất điện cực ……………………………………………….. 22H ình 2.5 : Hệ phún xạ DC. ………………………………………………………………………………….. 22H ình 2.6 : Nguyên lý phún xạ cao áp một chiều ……………………………………………………… 23H ình 2.7 : Hệ đo DSC. ………………………………………………………………………………………… 24H ình 2.8 : Sơ đồ cấu trúc loại dòng nhiệt và bù trừ nguồn năng lượng …………………………………. 24H ình 2.9 : Một số đường cong DSC. …………………………………………………………………….. 26H ình 2.10 : Ảnh máy Horiba LB-550 ……………………………………………………………………. 26H ình 2.11 : Nguyên lý thao tác máy khảo sát phân bổ kích cỡ hạt LB-550 ……………. 27H ình 2.12 : Sơ đồ tán xạ của chùm tia X trên những mặt phẳng tinh thể …………………………. 28H ình 2.13 : Thiết bị nhiễu xạ tia X : X Ray Diffraction D5005, HUS-VNU ………………… 29H ình 2.14 : Kính hiển vi điện tử quét NOVA NANOSEM 450 ………………………………….. 30H ình 2.15 : Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét …………………………………………………….. 30H ình 2.16 : Hệ đo phổ hấp thụ UV-VIS …………………………………………………………………. 31H ình 2.17 : Sơ đồ khối hệ đo phổ hấp thụ ………………………………………………………………. 32H ình 2.18 : Sơ đồ mạch điện đo điện trở suất bằng 4 mũi dò ……………………………………. 33H ình 2.19 : Mạch Sawyer – Tower để đo độ phân cực điện ………………………………………. 34H ình 2.20 : Thiết bị đo đường cong điện trễ Radiant Precision LC 10 ……………………….. 35H ình 2.21 : Đặc trưng J-V …………………………………………………………………………………… 36H ình 3.1 : Cấu trúc tối ưu hóa cho hệ phức gồm 1 nguyên tử Ba và a ) 1 ; b ) 2 ; c ) 3 phân tửaxit citric [ 42 ] ……………………………………………………………………………………………………. 37H ình 3.2 : Hình ảnh trạng thái dung dịch biến hóa sau khi khuấy sôi ………………………….. 38H ình 3.3 : Hình ảnh mặt phẳng mẫu sau khi quay phủ ………………………………………………….. 38H ình 3.4 : Trạng thái tiền chất M1 : 2 sau sấy 6 tiếng ………………………………………………… 39H ình 3.5 : Bề mặt của mẫu trên đế lamen a ) sau khi quay phủ ; b ) sau khi sấy 70 C trong 3 phút ………………………………………………………………………………………………………………….. 39H ình 3.6 : Bề mặt mẫu sau khi sấy 70 C, a ) M1 : 1 ; b ) M1 : 2 ; c ) M1 : 3 ; d ) M1 : 4 ; e ) M1 : 5 ; f ) M1 : 6 ………………………………………………………………………………………………………………… 40H ình 3.7 : Bề mặt mẫu sau khi ủ 400 C, a ) M1 : 1 ; b ) M1 : 2 ; c ) M1 : 3 ; d ) M1 : 4 ; e ) M1 : 5 ; f ) M1 : 6 ………………………………………………………………………………………………………………… 40H ình 3.8 : Phổ nhiễu xạ tia X mẫu M1 : 2 ……………………………………………………………….. 41H ình 3.9 : Phổ nghiên cứu và phân tích nhiệt quét vi sai DSC mẫu M1 : 2 ……………………………………….. 42H ình 3.10 : Phổ size hạt của dung dịch tiền chất ZnO, a ) M1 : 2 ; b ) M1 : 3 ; c ) M1 : 4 ; d ) M1 : 5 ; e ) M1 : 6 ……………………………………………………………………………………………….. 43H ình 3.11 : Phổ nhiễu xạ tia X của những mẫu theo tỉ lệ mol muối và axit khác nhau tử M1 : 1 đến M1 : 6 ………………………………………………………………………………………………………….. 44H ình 3.12 : Bề mặt màng mỏng mảnh ZnO trên đế lamen theo những tỉ lệ muối : axit khác nhau .. 45H ình 3.13 : Phổ nhiễu xạ của những mẫu M1 : 2-70 ; M1 : 2-80 ; M1 : 2-90 ; M1 : 2-100 ; M1 : 2-1104 6H ình 3.14 : Độ bao trùm mặt phẳng của mảng mỏng mảnh ZnO sau khi ủ theo nhiệt độ sấy ban đầukhác nhau ………………………………………………………………………………………………………….. 46H ình 3.15 : Bề mặt màng mỏng dính ZnO trên đế lamen được giải quyết và xử lý HF tỉ lệ loãng từ 1 đến 5 % 47H ình 3.16 : Hình ảnh mặt phẳng ( 5 x ) những mẫu được ủ nhiệt độ 350 C 400 ; 450 ; 500 ; 550 và600 C. ………………………………………………………………………………………………………………. 47H ình 3.17 : Phổ nhiễu xạ tia X của những mẫu ZnO 2 lớp, 4 lớp, 8 lớp ủ tại 500 C. …………. 48H ình 3.18 : Hình ảnh màng mỏng mảnh ZnO M1 : 2-90 2 lớp ủ tại 500 C. …………………………… 50H ình 3.19 : Ảnh kính hiển vi điện tử quét mẫu M1 : 2-90 2 lớp ủ tại 500 C. ………………… 50H ình 3.20 : Ảnh kính hiển vi điện tử quét mẫu M1 : 2-90 2 lớp, dung môi cồn ủ tại 500 C50Hình 3.21 : Phổ hấp thụ của những mẫu M1 : 1 ; M1 : 2 ; M1 : 2.4 ; M1 : 3 ; M1 : 4 ; M1 : 5 ; M1 : 6 …. 51H ình 3.22 : Đồ thị phụ thuộc vào của ( αhυ ) theo hυ của mẫu M1 : 2 ……………………………….. 52H ình 3.23 : Số liệu đo điện trở vuông mẫu M1 : 2 …………………………………………………….. 53H ình 3.24 : Đường cong điện trễ P-E của màng mỏng mảnh sắt điện BLT ủ tại 725 C. ………… 54DANH MỤC BẢNG BIỂU [ 9 ] Bảng 1 : Bảng so sánh những công nghệ tiên tiến mới của bộ nhớ không thay đổi ……………………………….. 3B ảng 2.1 : Thông số sản xuất những dung dịch tiền chất ……………………………………………….. 17B ảng 2.2 : Thông số sản xuất điện cực thuần bằng chiêu thức phún xạ …………………….. 23B ảng 3.1 : Kích thước hạt ZnO …………………………………………………………………………….. 49B ảng 3.2 : Giá trị nguồn năng lượng Eg ………………………………………………………………………….. 52M Ở ĐẦUHơn mười năm trở lại đây, những màng mỏng mảnh ZnO đã lôi cuốn được rất nhiều sự quantâm, điều tra và nghiên cứu. Cụ thể theo tìm kiếm của Google Scholar, có hơn 675 nghìn công bốliên quan về màng mỏng dính ZnO. Sở dĩ chũng được chăm sóc đáng kể như vậy do nhữngtính chất quang và điện độc lạ cũng như vật liệu sản xuất không tác động ảnh hưởng tới môitrường, chúng có tiềm năng ứng dụng phong phú như những cảm ứng dẫn khí, những điện cực dẫntrong suốt, những ứng dụng trong pin mặt trời, ống dẫn sóng quang học, máy biến năng ápđiện, phương tiện đi lại tiếp thị quảng cáo quang âm, những thiết bị sóng âm mặt phẳng, hay đi-ốt phátquang. Vậy ZnO là gì ? Kẽm oxit ( ZnO ) là một loại vật liệu dẫn cho ánh sáng truyền qua, là một loại hợpchất oxit chất bán dẫn II-VI ( II-VI compound semiconductor ) có nguồn năng lượng link kíchthích lớn ( 60 meV ) và nguồn năng lượng vùng cấm rộng ( Eg = 3,37 eV ) ở nhiệt độ phòng. Dựatrên cơ sở nền ZnO người ta triển khai pha tạp thêm những nguyên tố nhóm I và III để thuđược những chất bán dẫn loại p và loại n. Có rất nhiều giải pháp để sản xuất màng mỏngZnO như chiêu thức vật lý như thể giải pháp phún xạ, phún xạ magnetron, laserxung ( PLD ). Hoặc sản xuất bằng phương pháp hóa học, giải pháp mà rất được những nhànghiên cứu yêu thích lúc bấy giờ bởi những ưu điểm như thuận tiện sản xuất không đòi hỏicao, tân tiến như những giải pháp vật lý và ngân sách sản xuất thấp. Ở nghiên cứu và điều tra này, chiêu thức sol-gel được lựa chọn để sản xuất màng mỏng dính ZnOvà những màng mỏng dính sắt điện để nghiên cứu và điều tra thử nghiệm hoạt động giải trí của bộ nhớ sắt điện. Đâylà một chiêu thức đơn thuần, thuận tiện thao tác, ngân sách thấp, tương thích với điều kiệnnghiên cứu ở Nước Ta. Các màng mỏng mảnh sau khi sản xuất sẽ được khảo sát cấu trúc tinhthể, hình thái học mặt phẳng, đặc thù điện, đặc thù quang, đặc thù sắt điện, bởi những thiếtbị của Phòng thí nghiệm micro-nano, Trường Đại học Công nghệ và Trường Đại họcKhoa học Tự nhiên như là hệ nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét ( SEM ), kính hiển vilực nguyên tử ( AFM ), UV-VIS, hệ đo đặc trưng sắt điện Radiant Precicion. Căn cứ vào điều kiện kèm theo điều tra và nghiên cứu chúng tôi chọn đề tài điều tra và nghiên cứu : “ Khảo sát và sản xuất màng mỏng mảnh nano ZnO bằng chiêu thức sol-gel khuynh hướng ứngdụng trong bộ nhớ sắt điện ” Sau đây là những hiệu quả luận văn thu được : Chúng tôi đã khảo sát và làm chủ công nghệ tiên tiến sản xuất thành công xuất sắc dung dịch tiền chấtZnO dùng để sản xuất màng mỏng mảnh ZnO từ những chất hóa học thông dụng, sẵn có và giáthành thấp như muối kẽm nitơrat, axit citric. Đây là một hiệu quả đầy hứa hẹn tại ViệtNam. Chúng tôi đã điều tra và nghiên cứu và làm chủ tiến trình sản xuất màng mỏng dính ZnO từ dung dịchtiền chất trên. Chúng tôi đã sản xuất thành công xuất sắc màng mỏng dính ZnO bằng chiêu thức sol-gel. Kếtquả cho thấy những màng mỏng dính ZnO kết tinh tốt ở nhiệt độ thấp, có những đỉnh đặc trưng nhưlà ( 100 ), ( 002 ), ( 101 ), độ truyền qua cao, nguồn năng lượng vùng cấm Eg của mẫu M1 : 2 là 3,28 eV. Chế tạo màng mỏng dính bằng chiêu thức sol-gel là một hướng mới lạ tại Việt Nammà nhóm nghiên cứu và điều tra của chúng tôi là một trong những nhóm tiên phong. Thêm nữa việcchúng tôi đã làm chủ được dung dịch tiền chất để sản xuất màng mỏng mảnh ZnO bằng phươngpháp sol-gel là một bước thành công xuất sắc quan trọng, tạo tiền đề cho việc sửa chữa thay thế những màngmỏng bán dẫn được sản xuất bằng giải pháp vật lý như phún xạ cathode hay bốc baynhiệt. Chương 1T ỔNG QUAN1. 1. Các dòng bộ nhớ phổ thông1. 1.1 Bộ nhớ không ổn địnhDựa trên sự sống sót của tài liệu tàng trữ sau khi ngắt nguồn nuôi, người ta hoàn toàn có thể chiabộ nhớ thành hai dòng chính là bộ nhớ không thay đổi và bộ nhớ không không thay đổi. Bộ nhớ khôngổn định là bộ nhớ mà tài liệu sẽ bị mất đi khi ngắt nguồn nuôi. Bộ nhớ không ổn địnhđang được sử dụng thoáng rộng lúc bấy giờ là bộ nhớ RAM ( Random Access Memmory ) bởichúng có đặc tính là những ô nhớ hoàn toàn có thể đọc hoặc viết trong khoảng chừng thời hạn bằng nhau chodù chúng ở bất kể vị trí nào trong bộ nhớ. Mỗi ô nhớ trong bộ nhớ sẽ gồm một hay nhiềutransitor hoặc một transitor phối hợp với một tụ điện. Quá trình duy trì điện tích nạp vào tụđiện được coi là quy trình nhớ nên việc đọc một bit nhớ làm nội dung bit này bị huỷ. Vậysau mỗi lần đọc một ô nhớ, bộ phận điều khiển và tinh chỉnh bộ nhớ phải viết lại ô nhớ đó với nội dungvừa đọc và do đó chu kỳ luân hồi bộ nhớ động tối thiểu là gấp đôi thời hạn truy vấn ô nhớ. Sự lưugiữ thông tin trong bit nhớ chỉ là trong thời điểm tạm thời vì tụ điện sẽ phóng hết điện tích đã nạp vào vànhư vậy phải làm tươi bộ nhớ sau mỗi 2 µs [ 2,8 ]. Làm tươi bộ nhớ là đọc ô nhớ và viết lạinội dung đó vào lại ô nhớ. Việc làm tươi được triển khai với tổng thể những ô nhớ trong bộ nhớ, và được thực thi tự động hóa bởi một vi mạch bộ nhớ. Các dòng bộ nhớ không không thay đổi tuyphải có nguồn nuôi để duy trì trạng thái nhớ nhưng chúng có vận tốc đọc ghi nhanh nhưSRAM và DRAM nên chúng vẫn thường được sử dụng cho bộ nhớ đệm và bộ nhớ chính. 1.1.2. Bộ nhớ ổn địnhCác bộ nhớ không thay đổi, tài liệu vẫn duy trì khi tắt nguồn nuôi, hoàn toàn có thể kể đến như bộnhớ truy vấn ngẫu nhiên từ MRAM ( Magnetoresistive Random Access Memory ), bộ nhớtruy cập ngẫu nhiên trở RRAM ( Resistive Random Access Memory ) tiêu tốn ít nănglượng và có tỷ lệ tàng trữ thông tin lớn hơn so với DRAM ( Dynamic Random AccessMemory ). Bộ nhớ Flash được tăng trưởng từ bộ nhớ EFPROM ( Electrically ErasableProgrammable Read Only Memory ) – bộ nhớ thường được sử dụng để lưu thông số BIOS ( Basic Input / Output System ) trên bo mạch chủ. Bộ nhớ Flash tàng trữ tài liệu không thay đổi cóthể ghi và xóa thông tin bằng điện. Bộ nhớ Flash tĩnh nhờ việc mã hóa thông tin bit “ 1 ” hay “ 0 ” do có những transitor mã hóa và liên tục tàng trữ thông tin này ngay cả khi mất nguồnđiện chính. Điều này khiến cho bộ nhớ Flash trở nên lợi thế. Tuy nhiên thì bộ nhớ nàychưa thể sửa chữa thay thế ổ đĩa từ được do tỷ lệ tàng trữ vẫn còn thấp [ 7 ]. Bộ nhớ từ MRAM là bộ nhớ mà thông tin tàng trữ ở trạng thái spin của điện tử, cụthể là sự khuynh hướng của hai momen từ. Một ô nhớ trong MRAM gồm hai lớp từ tính kẹpgiữa là một lớp cách điện rất mỏng mảnh ( cỡ nm ). Moment từ của một lớp đóng vai trò lớpghim, được giữ cố định và thắt chặt theo một chiều, còn moment từ của lớp còn lại như thể lớp lưu trữcó thể hòn đảo dưới tính năng của từ trường, để nó song song hoặc phản song song với lớpghim, dẫn đến sự biến hóa về điện trở của thông số kỹ thuật ( do sự tán xạ khác nhau của điện tửtrong những trạng thái song song và phản song song ). Các bit “ 0 ” và “ 1 ” được quy ướctương ứng với 3 trạng thái điện trở “ cao ” và “ thấp ”. Sự tàng trữ thông tin sau khi ngắtnguồn điện được xác lập nhờ sự giữ lại trạng thái của những moment từ. MRAM được cho làbộ nhớ tiềm năng do năng lực quy đổi cực nhanh của nó tích hợp với năng lực lậttrạng thái gần như không số lượng giới hạn, không bay hơi, tỷ lệ cao, tài liệu không bị phá hủykhi đọc, điện áp thấp và nguồn năng lượng thấp so với những bộ nhớ truyền thống cuội nguồn [ 10 ]. Để tăngmật độ tàng trữ thông tin trong bộ nhớ MRAM thì giảm size hạt sắt từ là một giảipháp được lựa chọn. Tuy nhiên việc làm này gặp phải một hạn chế đó là số lượng giới hạn siêuthuận từ. Đây là một hiệu ứng kích cỡ, về mặt thực chất là sự chiếm lợi thế của nănglượng nhiệt so với nguồn năng lượng dị hướng từ khi size của hạt quá nhỏ. Hiệu ứng nàylàm cho bộ nhớ MRAM mất đi năng lực tàng trữ [ 18 ]. Bộ nhớ trở RRAM ( Resistive Random Access Memory ) là một thiết bị bộ nhớtrong đó sự đổi khác điện trở của màng mỏng dính ô-xít sắt kẽm kim loại tính năng như những thông tinđược tàng trữ, và thiết bị này hoàn toàn có thể hoạt động giải trí với điện áp thấp và ở vận tốc cao. Bộ nhớRRAM được kỳ vọng trở thành một thế hệ bộ nhớ mới, được cho phép một lượng lớn dữ liệuđược tàng trữ ở vận tốc cao với mức tiêu thụ điện năng thấp. Nếu so sánh RRAM vớiMRAM, thì chúng có cấu trúc nhớ đơn thuần hơn ; so với bộ nhớ Flash thì chúng sử dụngnăng lượng thấp hơn ; so với PCM ( Phase Change Memory ) thì chúng được cho phép thời gianchuyển trạng thái thấp hơn 10 ns. Tuy nhiên, chính sách đổi khác điện trở của màng ô-xít kimloại trong RRAM xảy ra như thế nào vẫn chưa được lý giải rõ ràng. Mặt khác, để đạtđược một thiết bị nhớ hoàn toàn có thể tận dụng tối đa những đặc thù điển hình nổi bật của RRAM, thì đâylà việc làm đã được chứng tỏ là rất khó khăn vất vả [ 38 ]. Bộ nhớ sắt điện FeRAM là bộ nhớ không tự xóa, nghĩa là trạng thái vẫn được duytrì khi tắt nguồn nuôi. Bộ nhớ này có độ đóng mở cao, hoàn toàn có thể hoạt động giải trí trong môi trườngkhắc nghiệt, có điện áp ghi thấp và vận tốc ghi đọc nhanh gọn, cùng với việc điều khiểnbằng thế dẫn đến điện năng tiêu thụ thấp giúp cho dòng bộ nhớ này chiếm lợi thế nổi trộihơn so với những bộ nhớ flash truyền thống cuội nguồn [ 33 ]. Phần tiếp theo sẽ trình diễn về cấu trúc vànguyên lý hoạt động giải trí của bộ nhớ FeRAM. 1.2. Bộ nhớ sắt điện FeRAM1. 2.1. Cấu trúc bộ nhớ sắt điện FeRAMHình dưới đây là cấu trúc của một đơn vị chức năng nhớ FeRAM ( Ferroelectric RandomAccess Memory ). Nguyên lý hoạt động giải trí của bộ nhớ sắt điện được lý giải thông quađường cong điện trễ như sau : Trạng thái “ ON ” hình thành khi ta đặt thế cực cửa V G > 0, lớp sắt điện sẽ được phâncực dương + Pr ( Bit “ 1 ” ). Một vùng điện tích cảm ứng ( đóng vai trò như một kênh dẫn ) sẽxuất hiện ở phần tiếp giáp giữa lớp sắt điện và đế Si. Do vậy khi ta cấp điện thế ở hai cựcnguồn ( S ) và máng ( D ) sẽ có dòng điện chạy qua kênh dẫn. Trạng thái “ OFF ” là khiVG < 0, lớp sắt điện phân cực âm - Pr ( bit “ 0 ” ). Do hiện tượng kỳ lạ cảm ứng điện, một vùngnghèo ( tích điện dương ) được hình thành tại lớp tiếp giáp giữa lớp sắt điện và đế Si. Vùngnghèo này sẽ ngăn cản dòng điện chạy từ cực nguồn sang cực máng [ 35 ]. Hình 1.1 : Nguyên lý hoạt động giải trí của bộ nhớ sắt điện FeFET. Bảng 1 : Bảng so sánh những công nghệ tiên tiến mới của bộ nhớ không thay đổi [ 9 ] Từ bảng so sánh những tính năng của bộ nhớ không thay đổi nổi bật hoàn toàn có thể thấy rằng, dòngbộ nhớ FeRAM có điện áp ghi thấp và vận tốc ghi / đọc nhanh gọn khiến những bộ nhớ mớichiếm lợi thế tiêu biểu vượt trội hơn so với những bộ nhớ flash truyền thống cuội nguồn. Hơn nữa, bộ nhớ sắtđiện FeRAM là bộ nhớ tinh chỉnh và điều khiển bằng thế, nên xét trên quan điểm tiêu thụ ít điện năngthì bộ nhớ sắt điện FeRAM sẽ là lựa chọn có lợi thế hơn những dòng bộ nhớ khác. Dựa vào nguyên tắc hoạt động giải trí của bộ nhớ sắt điện, dễ thấy lớp cổng sắt điện và kênhdẫn đóng vai trò rất là quan trọng, quyết định hành động phần đông đến chất lượng mã hóa và lưutrữ thông tin của bộ nhớ sắt điện. 1.2.2. Các vật liệu tiềm năng ứng dụng FeRAMa. Vật liệu sắt điện BLTMột số vật liệu sắt điện tiêu biểu vượt trội có cấu trúc perovskite được sử dụng làm lớp cổng sắtđiện như thể Pb ( ZrxTi1-x ) O3 ( PZT ), Bi3. 25L a0. 75T i3O12 ( BLT ), SrBi2Ta2O9 ( SBT ). Chúng đềucó những đặc thù sắt điện nổi trội như là độ phân cực dư lớn ( PZT 2P r ~ 60 µC / cm ), độ già12hóa chậm, lực kháng điện thấp 2E c ~ 70 kV / cm ( SBT ), độ già hóa chậm ( BLT 10 cycles ) [ 4,37 ]. Trong luận văn này chúng tôi chọn vật liệu BLT làm lớp cổng sắt điện. b. Lớp kênh dẫn của bộ nhớ FeRAMKênh dẫn trong bộ nhớ sắt điện thường thì được sử dụng là vật liệu bán dẫn ITO ( Tin doped Indium Oxide ) [ 11 ]. Tuy nhiên, Indium là vật liệu ngày càng khan hiếm, chiphí sản xuất đắt đỏ và ô nhiễm cho sức khỏe thể chất con người. Gần đây màng mỏng mảnh ZnO đượcquan tâm điều tra và nghiên cứu để thay thế sửa chữa kênh dẫn ITO và đã cho những hiệu quả rất tốt. Cụ thểnhóm của tác giả Yukihiro Kaneko đã sản xuất một transitor màng mỏng dính sắt điện hiệu ứngtrường cấu trúc ZnO / Pb ( Zr, Ti ) O3 ( PZT ) / SrRuO3 ( SRO ) trên đế Pt / SiO2 / Si. Với kênh làmàng mỏng dính ZnO được sản xuất bằng giải pháp bốc bay bằng lazer xung ( PLD ). Kết2 - 1 quả cho thấy bộ nhớ có tỉ số đóng mở lớn hơn 10 ( Ion / Ioff ) độ linh động cao 26 cm V svà từ những thông số kỹ thuật khác cho thấy thời hạn tàng trữ tài liệu là hơn 10 năm [ 14,39,40 ]. 1.3. Tính chất vật liệu sắt điện BLT1. 3.1. Cấu trúc tinh thểHình 1.2 : Cấu trúc mạng tinh thể của Bismuth titanate pha tạp Lanthanum. Trên Hình 1.2 là cấu trúc mạng tinh thể của perovskite layer Bismuth titanate phatạp Lanthanum. Hợp chất được điều tra và nghiên cứu ở đây là Bi 3.25 La0. 75T i3O12 ( BLT ). Ở đây ionLa cũng hoàn toàn có thể thay thế sửa chữa bằng những ion khác như Pr, Nd, Sm [ 26 ]. Về đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể của BLT như trên Hình 1.2 ta thấy có ba lớp bát2 + diện Ti-O được kẹp giữa hai lớp ( Bi 2O2 ). BLT thường dược sản xuất quy trình nhiệttrạng thái rắn. Hỗn hợp những vi hạt oxide Bi 2O3, TiO2 và La2O3 được trộn đều, nung ởnhiệt độ đệm, sau cuối là thiêu kết ở nhiệt độ cao. Sự phân hủy và quy trình chuyển pha của tiền chất được điều tra và nghiên cứu bởi phân tíchnhiệt vi sai ( Differential Thermal Analysis - DTA ). Hình 1.3 : Đường cong hấp thụ và tỏa nhiệt của BLT0. 75T rên Hình 1.3 là đường DTA của dung dịch BLT, dễ thấy có bốn đỉnh hấp thụ nhiệtlà 90, 229, 272 và 514 C và bốn đỉnh tỏa nhiệt là 250,291, 445 và 820 C. Đỉnh hấp thụnhiệt 90 C là do bay hơi của nước. Vùng nhiệt hấp thụ và tỏa nhiệt 229 - 291 C hoàn toàn có thể là sựbay hơi của dung môi trong gel. Pha không không thay đổi Bi 2O3 và TiO2 được cho là xuất hiệnở 445 C và pha Bi2Ti4O11 Open tiếp theo do tính năng của Bi 2O3 và TiO2. Tiếp theođó sự tính năng của Bi2Ti4O11và Bi2O3 cho ra trạng thái pha Bi 4T i3O12 với cấu trúc tứ giácở 514 C và sau cuối là pha không thay đổi nhất có cấu trúc orthorhombic là Bi 3.25 La0. 75T i3O12ở 820 C, nhiệt độ này được cho là thấp hơn nhiệt chuyển pha của BTO, hoàn toàn có thể là do sựpha tạp Lathanum [ 21 ] 1.3.2. Tính chất điệnTính chất điện của Bismuth tiatanate pha tạp lanthanum lần tiên phong được công bốvào năm 1999 trên tạp chí Nature. Vật liệu Bismuth titanate pha tạp lanthanum có cấutrúc perovskite chồng lớp là mới mẻ và lạ mắt và rất có triển vọng ứng dụng vào bộ nhớ sắt điện ổnđịnh. BLT là vật liệu sắt điện chồng lớp được nghiên cứu và điều tra thoáng đãng vì những đặc thù tốtcủa nó như là vận tốc chuyển mạch nhanh, độ già hóa lớn ( fatigue risistance ) với điện cựckim loại, sự không thay đổi tốt, nhiệt độ Curie cao ( 675 C ) có tiềm năng ứng dụng nhiệt lớn [ 26 ]. 1.3.3. Tình hình nghiên cứuMàng mỏng dính sắt điện đã lôi cuốn được sự chú ý quan tâm đáng kể vì năng lực của chúng trongcác ứng dụng thiết bị cảm ứng, MEM ( Micro Electric Machines ), và bộ nhớ truy cậpngẫu nhiên không thay đổi, tụ điện 3D ( Dimension ) làm đơn vị chức năng nhớ của bộ nhớ tỷ lệ cao. Trong số những chất sắt điện, lead zirconate titanate ( Pb ( Zr xTi1-X ) O3 ( PZT ) ) được biết đến làvật liệu quan trọng nhất so với những ứng dụng này, và đã được nghiên cứu và điều tra thoáng đãng vì tính sắtđiện tiêu biểu vượt trội của nó. Tuy nhiên, những thành phần hóa học gây ô nhiễm với môi trường tự nhiên và độchống già hóa kém của PZT hoàn toàn có thể hạn chế nó trong việc được sử dụng trong nhiềuứng dụng với những điện cực Pt thường thì. Mặc dù những đặc tính chống già hóa của tụđiện PZT hoàn toàn có thể được cải tổ đáng kể bằng cách sử dụng điện cực sắt kẽm kim loại oxit, nóichung lúc bấy giờ những điện cực làm cho quy trình phức tạp hơn và có khuynh hướng tăng dòng rò. Vì vậy, thiết yếu để tăng trưởng một loại vật liệu sắt điện mới có đặc thù sắt điện tốt hơncủa PZT.Trong số những chất sắt điện tiêu biểu vượt trội SrBi 2T a2O9 ( SBT ) và Bi4Ti3O12 ( BIT ), là nhữngvật liệu đầy hứa hẹn cho những mục tiêu này và đã được điều tra và nghiên cứu thoáng rộng. SBT chothấy độ chống già hóa cao sau 1012 chu kỳ luân hồi, nhưng nó có một vài điểm yếu kém, chẳng hạnnhư quy trình nhiệt độ cao 750 - 825 C và độ phân cực dư nhỏ ( 2P r ) 4-16 µC / cm. Mặtkhác, những tinh thể BIT đơn cho thấy rằng sự phân cực tự phát ( Ps ) theo truc a và trục ctương ứng đạt 50 µC / cm và 4 µC / cm. Tuy nhiên, màng mỏng mảnh đa tinh thể BIT hiện naycho thấy dòng rò tương đối cao, domain pinning, và độ phân cực dư nhỏ ( 2P r ) khoảng chừng 428 µC / cm điều mà khiến việc sử dụng BIT ứng dụng thực tiễn vào thiết bị trở nên khó khăn vất vả. 3 + Nghiên cứu gần đây cho thấy rằng ion Bi trong cấu trúc Bi4Ti3O12 hoàn toàn có thể được thay thếbởi những ion hóa trị nhóm ba Lanthanum để cải tổ đặc thù sắt điện của nó. Màng mỏngBi3. 25L a0. 75T i3O12 ( BLT ) ngọt ngào trên đế Pt / Ti / SiO 2 / Si tại 725 C bằng phương pháplaser xung đã được báo cáo giải trình cho thấy giá trị Pr cao và độ chống già hóa tốt. Có vẻ như việc3 + 3 + sửa chữa thay thế một phần ion Bi bởi những ion La góp thêm phần vào việc không thay đổi hóa học của cácion oxy trong khối perovskite, mà hiệu quả là độ chống già hóa tốt hơn và giảm mật độdòng rò. Tomar đã báo cáo giải trình rằng màng mỏng dính Bi 3.44 La0. 56T i3O12 ( BLT ) ngọt ngào trên bề mặtPt / TiO2 / SiO2 / Si bởi tiến trình quay phủ sol-gel. Giá trị của độ phân cực dư ( 2P r ) và lựckháng điện ( 2E c ) của màng mỏng dính BLT tương ứng là 82 µC / cm và 200 kV / cm ở điệntrường 270 kV / cm [ 37 ]. Tuy nhiên, màng mỏng mảnh BLT này được ủ ở nhiệt độ tương đối caokhoảng 725 C để ứng dụng vào linh phụ kiện trong thực tiễn, mặc dầu đặc thù điện của màng mỏngBLT cho thấy một sắt điện tốt so với màng mỏng dính BLT và lắng đọng bởi giải pháp laserxung ( PLD ), MOCVD. Nó cũng được biết rằng hạ thấp quy trình nhiệt độ trong khi vẫngiữ được đặc thù sắt điện tốt là rất quan trọng trong những ứng dụng cho bộ nhớ sắt điện. 1.4. Kênh dẫn trong bộ nhớ sắt điện, màng mỏng dính ZnO1. 4.1. Cấu trúc tinh thể màng mỏng dính ZnOTừ những năm 1960, tổng hợp màng mỏng dính ZnO đã mở ra những hướng tích cực bởinhững ứng dụng sensor, truyền dẫn và xúc tác [ 13 ]. Trong vài thập kỷ qua, đặc biệt quan trọng là kểtừ ý tưởng sáng tạo công nghệ tiên tiến nano đứng vị trí số 1 là Mỹ, nghiên cứu và điều tra vật liệu thấp chiều đã trở thànhmột lợi thế số 1 trong ngành khoa học và công nghệ tiên tiến nano. Màng mỏng dính là một điểnhình của công nghệ tiên tiến thấp chiều này ( 2D ). Màng mỏng mảnh ZnO là một vật liệu quan trọngtrong những ứng dụng, việc thiếu một tâm đối xứng trong mạng wurtzite tích hợp với liên kếtđiện tử lớn cho thấy chúng có tính áp điện và tính hỏa điện nên thường được ứng dụngthiết bị truyền dẫn và sensor áp điện. Thêm nữa, zinc oxide như thể một chất bán dẫn cónăng lượng vùng cấm rộng ( 3,37 eV ), điều này tương thích cho những ứng dụng quang điệntử dẫn sóng ngắn. Năng lượng kích thích exciton lớn ( 60 meV ) trong tinh thể ZnO có thểđảm bảo phát xạ exciton ở nhiệt độ phòng hiệu suất cao và sự phát xạ tia tử ngoại ở nhiệt độphòng cũng được báo cáo giải trình khi ZnO sống sót dạng hạt nano và màng mỏng dính [ 12,22 ]. ZnO choánh sáng khả kiến truyền qua và hoàn toàn có thể cho độ dẫn tốt khi được pha tạp. ZnO là một vật liệu phong phú gồm có một nhóm những hình thái tăng trưởng phong phúnhư lược nano ( nanocombs ), nhẫn nano ( nanorings ), lò xo nano ( nanohelixes / nanosprings ), dải nano ( nanobelts ), dây nano ( nanowires ) và khung nano ( nano cages ). Hình 1.4 : Mô hình cấu trúc mạng wurtzite của ZnO [ 42 ]. Mạng wurtzite ZnO có cấu trúc mạng lục phương xếp chặt ( nhóm không gianC6mc ) với thông số kỹ thuật mạng là a = 3.296 Å và c = 5.2065 Å. Cấu trúc của ZnO được mô tả22 + đơn thuần như là sự sắp xếp của những ion O và Zn xen kẽ nhau trong khối tứ diện dọctheo trục c như trên Hình 1.4. Sự sắp xếp tứ diện của ZnO cho thấy sự bất đối xứng trongcấu trúc và tác dụng là tạo ra được đặc thù áp điện và hỏa điện như đã nêu ở trên. Một đặctính quan trọng khác nữa của ZnO là phân cực mặt phẳng. Thông thường phân cực mặt phẳng làmặt phẳng. Các ion điện tích bề mặt trái dấu tạo điện tích dương Zn ( 0001 ) và điện tíchâm O ( 0001 ), dẫn đến hai mặt phẳng tinh thể có cực trái dấu và nguồn năng lượng khác nhau, hiệu quả là mô men lưỡng cực và phân cực tự phát dọc theo trục c, vận tốc tăng trưởng theotrục c cao hơn. Do đó chúng hình thành những cấu trúc chính là wurtzite. Để giữ không thay đổi cấutrúc, thường thì phân cực mặt phẳng có nhiều mặt, hay tái cấu trúc thành mặt phẳng không nhẵn, nhưng ZnO ± ( 0001 ) là một trường hợp ngoại lệ, chúng tự động hóa làm phẳng, giữ ổn địnhmà không tái cấu trúc lại. Hình 1.5 : Các dạng cấu trúc của ZnO : a ) Cấu trúc Rocksalt, b ) Cấu trúc Zinc Blende, c ) Cấu trúc WurtziteỞ nhiệt độ phòng, wurtzite là dạng không thay đổi nhiệt động, trong khi đó dạng zincblende chỉ có được khi kết tinh trên đế có cấu trúc lập phương và dạng rocksalt ( NaClB1 ) chỉ sống sót ở áp suất cao. ZnO wurtzite dạng sáu phương có cấu trúc xếp chặt như sau : 2-2 + Trong cấu trúc wurtzite, những ion O và Zn thay phiên xếp chồng lên nhau theo mạng lục22 + giác xếp chặt, trong đó mỗi anion O được bao quanh bởi 4 cation Zn và ngược lại. Các ion2 + Zn chiếm phân nửa số vị trí tứ diện trong mạng này. Số phối trí 4 này đặc trưng choliên kết cộng hoá trị sp3, tuy nhiên ZnO có thực chất link chính là link ion ( 62 % ) [ 27 ]. Trong những thiết bị sử dụng vật liệu ZnO, cấu trúc tinh thể màng là một đặc tính quantrọng. Ví dụ, màng ZnO cần phải khuynh hướng đa phần theo trục c vuông góc với mặt phẳng đếtrong những bộ chuyển đổi sóng dọc ( longitudinal bulk wave transducers ) và bộ lọc sóng âmbề mặt ( SAW filters ). Sự khuynh hướng tinh thể theo một phương mong ước phụ thuộc vào vàođiều kiện sản xuất và thực chất của vật liệu làm đế. Với những điều kiện kèm theo sản xuất thích hợp, màng ZnO thường có khuynh hướng theo trục c ngay cả khi màng được tráng phủ trên đếthuỷ tinh. Điều đó được lí giải vì sắp xếp theo phương này tạo cho màng có độ xếp chặtcao nhất. Dưới đây là những cấu trúc tăng trưởng nổi bật của ZnO. ZnO có ba hướng tăng trưởng - - - - mạnh : ‹ 21 1 0 › ( ± [ 21 1 0 ], ± [ 1 21 0 ], ± [ 1 1 20 ] ) ; ‹ ± 011 0 › ( ± [ 011 0 ], ± [ 101 0 ], ± [ 11 00 ] ) ; và ± [ 0001 ]. Cùng với phân cực mặt phẳng do kết thúc nguyên tử, ZnO cho thấy có nhiều cấutrúc mà hoàn toàn có thể tăng trưởng dọc theo những hướng. Một cách vĩ mô, một tinh thể sẽ có nhữngthông số động học khác nhau theo những hướng tăng trưởng tinh thể khác nhau, nó được điều10khiển bởi những điều kiện kèm theo tăng trưởng. Hình 1.6 cho thấy một vài hình thái học nổi bật củacấu trúc nano một chiều của ZnO. Những cấu trúc này hướng về diện tích quy hoạnh lớn nhất củamặt ( 2110 ) và ( 0110 ) bởi nguồn năng lượng mặt này thấp hơn. Hình 1.6 : Hình thái học tăng trưởng nổi bật của ZnO cấu trúc nano một chiều vàcác mặt mạng tương ứng [ 42 ]. 1.4.2. Tính chất điện2 + 2 - Mạng tinh thể ZnO tạo bởi sự link của ion Zn và O trong tinh thể hoàn hảokhông Open những hạt tải tự do. Trong trong thực tiễn mạng tinh thể không tuyệt đối, mạng tinhthể có những sai hỏng do : + Hỏng mạng do nút khuyết hay nguyên tử tạp. + Hỏng biên hay mặt phẳng do lệch mạng hay khuyết tật bọc. + Khuyết tật phức tạp do sự tương tác hay tích hợp những khuyết tật thành phần. Các nút khuyết ôxi trong mạng là nguyên do làm cho ZnO mang tính bán dẫn loạin. Độ dẫn điện của màng ZnO không đủ cao, khó trấn áp để cung ứng trong 1 số ít thiếtbị. Để tăng thêm tính dẫn điện của màng ZnO ta phải tìm cách pha tạp. Thông thường phatạp loại n là những nguyên tố nhóm III trong bảng mạng lưới hệ thống tuần hoàn như Al, Ga. Việc lựachọn chất pha tạp phụ thuộc vào vào giải pháp tạo màng, điều kiện kèm theo tạo màng và mục đíchsử dụng. Khi pha tạp nhôm ( Al ) vào mạng ZnO, nồng độ hạt tải electron tăng lên và vậtliệu dẫn điện tốt hơn. 3 + 2 + Cụ thể pha tạp Al, những ion dương Al và Zn có nửa đường kính ion gần bằng nhau do đó3 + 2 + ion Al thuận tiện xâm nhập vào mạng lưới ZnO bằng cách thay thế sửa chữa ion Zn mà không thay3 + đổi cấu trúc của ô mạng. Như vậy mỗi ion Al thay thế sửa chữa sẽ cho một electron tự do, làm tăng nồng độ electron, nên làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. 11S ự dẫn điện của màng mỏng mảnh, tất cả chúng ta đã biết điện trở suất ρ tỉ lệ nghịch với độ dẫn σtheo công thứcTrong đó độ dẫn được tính theo công thứcTrong đóĐể hoàn toàn có thể tạo được bán dẫn loại p thì hoàn toàn có thể chọn những nguyên tố nhóm I hay nhómV làm chất pha tạp như là Ag, N, P., As. Chúng là những nguyên tố hoàn toàn có thể đổi khác vị trícủa Zn hay O trong mạng tinh thể ZnO, đồng thời thiếu một điện tử so với nguyên tố mànó sửa chữa thay thế, vì thế hoàn toàn có thể thu được bán dẫn loại p. Thông thường người ta pha tạp cả loại p và loại n theo tỉ lệ loại nào lớn hơn thì thuđược bán dẫn loại đó. Việc pha tạp đồng thời cả hai để tránh sự không ổn định của tinh thể như : - Góp phần tăng cường tính hợp thức của những acceptor, chính sách này yên cầu ái lựcđiện giữa acceptor và chất cùng pha tạp phản ứng phải cao. - Việc cùng pha tạp donor với acceptor là để tăng cường sự hòa tan của acceptor. Donor pha tạp vào không phải để khử tính dẫn loại p mà để hoạt hóa acceptor. 1.4.3. Tiềm năng ứng dụng của màng mỏng dính ZnO và tình hình nghiên cứuHơn mười năm trở lại đây, những màng mỏng mảnh ZnO đã lôi cuốn được rất nhiều sự quantâm, nghiên cứu và điều tra. Cụ thể theo tìm kiếm của Google Scholar, có hơn 675 nghìn công bốliên quan về màng mỏng mảnh ZnO. Sở dĩ chũng được chăm sóc đáng kể như vậy do nhữngtính chất quang và điện độc lạ cũng như vật liệu sản xuất không tác động ảnh hưởng tới môitrường, chúng có tiềm năng ứng dụng phong phú như những cảm ứng dẫn khí, những điện cực dẫntrong suốt, những ứng dụng trong pin mặt trời, ống dẫn sóng quang học, máy biến năng ápđiện, phương tiện đi lại tiếp thị quảng cáo quang âm, những thiết bị sóng âm mặt phẳng, hay đi-ốt phátquang. Bài báo tiên phong về vật liệu ZnO vào năm 1996 về laze bơm quang học ở nhiệt độ2K từ một tiểu cầu ZnO mọc lên từ sự pha hơi bởi Retnold cùng những tập sự [ 29 ]. Mộtnăm sau Zu, Bagnall và Segawa cùng những tập sự [ 6,34,44 ] quan sát được sự phát xạ tiacực tím tự phát và bị kích thích từ màng mỏng mảnh ZnO ở nhiệt độ phòng. Sau đó một nămnữa, hướng nghiên cứu và điều tra này lại được liên tục tăng trưởng bởi những khu công trình của Bagnall, Yu, Tang, Kawasaki, và Ohtomo [ 5,17,25,36,41 ]. Phương pháp sản xuất màng mỏng mảnh ZnO chủyếu của họ là kỹ thuật laze phân tử - chùm epitaxy, kỹ thuật này cho thấy sự kết tinh caotheo hướng trục c. Các màng này gồm có một dãy sắp xếp epitaxy của những cấu trúc vi tinhthể hình lục giác và những mặt của hình lục giác thì song song với nhau do đó hình

5/5 - (1 vote)
Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments