Màng mỏng Zinc oxít (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. 

Với mục tiêu kết hợp 2 yếu tố đó là đồng pha tạp 2 nguyên tố (Ga, In) và chế tạo vật liệu ZnO ở cấu trúc thấp chiều (màng mỏng) để luận giải sự ảnh hưởng của đồng pha tạp In và Ga lên tính chất nhiệt điện của màng mỏng ZnO, nhóm nghiên cứu do PGS. TS. Phan Bách Thắng, Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Cấu trúc Nano và Phân tử - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh làm chủ nhiệm đã tiến hành thực hiện đề tài: “Khảo sát ảnh hưởng của đồng pha tạp In và Ga lên tính chất nhiệt điện của màng mỏng ZnO cho ứng dụng nhiệt điện”.

Sau 25 tháng, từ (5/2016 đến 6/2018), đề tài thu được các kết quả như sau:

1. Chế tạo màng mỏng ZnO đồng pha tạp Ga và In (viết tắt là IGZO) bằng phương pháp phún xạ magnetron DC.

Các màng mỏng ZnO, ZnO pha tạp 5% at Ga và ZnO đồng pha tạp 4.5% Ga và 0.5% In được chế tạo ở nhiệt độ 300 độ C bằng phương pháp phún xạ magnetron dc (A Leybold Univex 450 system) từ bia gốm. Các màng mỏng tiếp tục được xử lý nhiệt ở nhiệt độ ủ 400 độ Cvà 500 độ C trong không khí. 

Các màng mỏng có độ dày 1100 nm, được xác định bằng đầu dò Thạch anh và (Dektak 6 M stylus profiler và a quartz oscillator - XTM/2-INFICON). Cấu trúc tinh thể của các màng mỏng được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (D8 Advance-Bruker); Hình thái học bề mặt màng mỏng được xác định bằng phương pháp FESEM; Thành phần nguyên tử được xác định bằng phương pháp EDX; phân bố các nguyên tử được xác định bằng phương pháp STEM; trạng thái ion hóa của các nguyên tử được xác định bằng phương pháp XPS. Nồng độ hạt tải và độ linh động được xác định bằng phương pháp Hall (HMS-3000, Ecopia); độ dẫn điện và hệ số Seebeck được xác định bằng hệ thiết bị ZEM-3, ULVAC; Độ dẫn nhiệt của các màng mỏng được xác định bằng phương pháp temperaturedependent time-domain thermoreflectance (TDTR).

2. Kết quả cấu trúc, tính chất điện, nhiệt, và nhiệt-điện của màng mỏng ôxít ZnO theo nồng độ pha tạp In và Ga: ZnO, ZnO pha tạp 5% Ga (GZO), ZnO đồng pha tạp 4.5 % at Ga và 0.5 % at In (IGZO)

- Cấu trúc tinh thể: 

+ Nhiễu xạ tia X: Các màng mỏng đều có cấu trúc Wuzit đặc trưng của vật liệu ZnO với mặt mạng (002) chiếm ưu thế. Ảnh hưởng của chất pha tạp Ga 5 và In được thể hiện thông qua cường độ và độ bán rộng của đỉnh nhiễu xạ của mặt mạng (002): màng mỏng GZO có cường độ đỉnh nhiễu xạ (002) cao nhất với độ bán rộng nhỏ nhất; màng mỏng IGZO có cường độ đỉnh nhiễu xạ (002) thấp nhất với độ bán rộng lớn nhất. Kích thước hạt tinh thể tương ứng của các màng mỏng ZnO, GZO và IGZO là 21.6 nm, 27.2 nm và 18.8 nm.  Các màng mỏng đều có ứng suất nén do sự không hợp mạng giữa vật liệu màng mỏng và đế Silic. Một điểm đáng lưu ý là ứng suất nén có giá trị thay đổi theo chất pha tạp: màng mỏng ZnO (– 1.5034 GPa), màng mỏng GZO (- 0.1522 GPa) và IGZO (- 0.7292 GPa). Sự thay đổi về cấu trúc tinh thể của các màng mỏng được luận giải là do sự khác biệt về kích thước của nguyên tử pha tạp.

+ Phân tích EDX cho thấy rằng các nguyên tử pha tạp Ga và In đều tồn tại trong các màng mỏng GZO và IGZO. Trạng thái ion hóa của các nguyên tử trong các màng mỏng được xác định bằng phương pháp XPS xác nhận rằng: Zn2+, Ga3+,In3+ và có tồn tại nút khuyết oxi. Kết quả STEM cho thấy các nguyên tử tạp chất phân bố đồng đều trong toàn bộ thể tích màng mỏng. Các kết quả trên chỉ ra rằng các nguyên tố pha tạp Ga và In đã có thể thay thế vị trí của nguyên từ Zn cũng như chiếm các vị trí xen kẽ.

- Tính chất Nhiệt điện:

+ Kết quả Hall xác định nồng độ hạt tải và độ linh động hạt tải tương ứng với các màng mỏng là: ZnO (3.2 x1019 cm -3 , 8.3 cm2 /V.s), GZO (65.0 x1019 cm- 3 , 21.6 cm2 /V.s) và IGZO (42.0 x1019 cm -3 , 16.5 cm2 /V.s). Sự gia tăng giá trị của hạt tải (do Ga và In có hóa trị +3 so với Zn là +2 nên là tạp chất donor) và độ linh động (kích thước của tạp chất Ga và In) có tương quan chặt chẽ với cấu trúc tinh thể của các màng mỏng như trình bày ở trên.

+ Kết quả độ dẫn điện, hệ số Seebeck và độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ đo: Màng mỏng ZnO thể hiện tính bán dẫn điện môi do nồng độ hạt tải và độ linh động thấp (độ dẫn tăng theo nhiệt độ), màng mỏng GZO và IGZO thể hiện tính kim loại (do chất pha tạp). Do vậy, màng mỏng ZnO có độ dẫn điện thấp nhất tương ứng với hệ số Seebeck cao nhất, màng mỏng GZO có độ dẫn điện cao nhất và hệ số Seebeck thấp nhất. Hệ số Seebeck của các màng mỏng đều có giá trị âm tương ứng với thành phần hạt tải chính là điện tử. (do có nút khuyết ô xi và chất pha tạp donor). Hệ số công suất PF của các màng mỏng có giá trị tương ứng là ZnO (0.495 × 10^-4 Wm^-1 K^-2), GZO (0.814 × 10^-4 Wm^-1 K^-2) và IGZO (0.886 × 10^-4 Wm^-1 K^-2). Độ dẫn nhiệt của các màng mỏng là: ZnO (4.7 Wm^-1 K^-1), GZO (2.5 Wm^-1 K^-1) và IGZO (1.8 Wm^-1 K^-1). Hệ số độ phẩm chất ZT đạt được ở 110 ^oC là ZnO (0.004), GZO (0.012) và IGZO (0.019). Màng mỏng IGZO có độ dẫn nhiệt thấp nhất và hệ số ZT lớn nhất cho thấy vai trò của đồng pha tạp Ga và In: sự pha tạp Ga và In vào màng mỏng ZnO đã tạo ra các khuyết tật điểm VZn, GaZn, VO, Oi, OZn… và không gian xung quanh các khuyết tật này bị biến dạng cục bộ (vùng định xứ tác động đến sự truyền dẫn nhiệt và điện tích). Màng mỏng IGZO có 02 tạp chất Ga và In nên sự biến dạng lớn hơn, do đó có độ dẫn nhiệt thấp hơn.

Trong nội dung này, nhóm nghiên cứu đã chế tạo được các màng mỏng; Xác định được các thông số về cấu trúc tinh thể, độ kết tính, tính chất điện, nhiệt và nhiệt-điện của màng mỏng IGZO/Si theo tỷ lệ Ga/In; Luận giải tương quan giữa cấu trúc tinh thể, độ kết tinh và tính chất điện, nhiệt điện của màng IGZO theo tỷ lệ Ga/In. Kết quả nghiên cứu này đã được công bố thành công trên tạp chí ACS Applied Materials and Interfaces.

3. Tổng hợp và khảo sát cấu trúc, tính chất điện, nhiệt, và nhiệt-điện của màng mỏng ôxít IGZO chế tạo bằng phương pháp phún xạ theo nhiệt độ chế tạo. Nội dung nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ủ (400 ^oC và 500 ^oC) lên tính chất nhiệt điện của các màng mỏng. Nhiệt độ ủ đã làm tăng độ kết tinh của vật liệu cũng như hình thành thêm một số loại khuyết tật điểm mới (được xác định thông qua phổ quang phát quang PL): màng mỏng GZO có sự xuất hiện thêm 02 loại khuyết tật so với màng mỏng IGZO

Hệ số chuyển đổi nhiệt điện ZT 7 của màng mỏng GZO và IGZO được ủ ở nhiệt độ 500 ^oC là 0.114 (GZO) và 0.186 (IGZO). So sánh với các công bố khoa học trong cùng chủ đề nghiên cứu, chúng tôi đã chế tạo đươc màng mỏng ZnO đồng pha tạp Ga và In có giá trị ZT lớn nhất là 0.186 ở nhiệt độ 300 ^oC. Kết quả nhiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Journal of Alloys and Compound.

Hiện nhóm nghiên cứu tiếp tục thực hiện các nghiên cứu chuyên sâu cũng như mở rộng với các đối tượng vật liệu mới ở cùng chủ đề này.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 15439/2018) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)