Bài giảng Công nghệ chế tạo các vật liệu từ cấu trúc Nano

Bài giảng Công nghệ chế tạo các vật liệu từ cấu trúc Nano giới thiệu tới các bạn những nội dung về kỹ thuật mạ điện, phương pháp bay bốc nhiệt, Epitaxy chùm phân tử, ứng dụng, phún xạ catốt (sputtering), bản chất quá trình phún xạ,... Mời các bạn tham khảo.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Công nghệ chế tạo các vật liệu từ cấu trúc Nano CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC VẬT LIỆUTỪ CẤU TRÚC NANOKỹ thuật mạ điệnquá trình điện hóaphủ lớp kim loại lênmột vật. Kim loạimạ thường là vàng,bạc, đồng, niken vàđược dùng trongviệc sản xuất đồtrang sức, linh kiệnđiện tử, tế bào nhiênliệu, đồ gia dụngkhông gỉ, Phương pháp bay bốc nhiệt (Thermal evaporation)Bay bốc nhiệt hoặcbay bốc nhiệt trongchân không là kỹ thuậttạo màng mỏng bằngcách bay hơi các vậtliệu cần tạo trong môitrường chân không caovà ngưng tụ trên đế(được đốt nóng hoặckhông đốt nóng). Kỹthuật này đôi khi cònđược gọi là bay hơitrong chân không. Sơ đồ nguyên lý hệ bay bốc nhiệt Epitaxy chùm phân tử• Epitaxy chùm phân tử (tiếng Anh: Molecular beam epitaxy, viết tắt là MBE) Một kỹ thuật chế tạo màng mỏng bằng cách sử dụng các chùm phân tử lắng đọng trên đế đơn tinh thể trong chân không siêu cao, để thu được các màng mỏng đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể gần với cấu trúc của lớp đế. Kỹ thuật này được phát minh vào những năm 60 của thế kỷ 20 tại Phòng thí nghiệm Bell (Bell Telephone Laboratories) bởi J.R. Arthur và Alfred Y. Cho. Ứng dụng• Kỹ thuật MBE được sử dụng nhiều trong vật lý chất rắn, khoa học và công nghệ vật liệu, đặc biệt trong công nghệ bán dẫn để chế tạo các màng đơn tinh thể với chất lượng rất cao, với độ dày có thể thay đổi từ vài lớp nguyên tử đến vài chục nanomet. Với sự phát triển của công nghệ nano hiện nay, MBE là một trong những kỹ thuật chủ đạo của công nghệ nano để chế tạo các vật liệu nano Phún xạ catốt (sputtering)Phún xạ (Sputtering) hay Phún xạ catốt (Cathode Sputtering) là kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa trên nguyên lý truyền động năng bằng cách dùng các iôn khí hiếm được tăng tốc dưới điện trường bắn phá bề mặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động năng cho các nguyên tử này bay về phía đế và lắng đọng trên đế.Nguyên lý của quá trình phún xạ Bản chất quá trình phún xạKhác với phương pháp bay bốc nhiệt, phún xạ không làmcho vật liệu bị bay hơi do đốt nóng mà thực chất quá trìnhphún xạ là quá trình truyền động năng. Vật liệu nguồnđược tạo thành dạng các tấm bia (target) và được đặt tạiđiện cực (thường là catốt), trong buồng được hút chânkhông cao và nạp khí hiếm với áp suất thấp (cỡ 10-2mbar). Dưới tác dụng của điện trường, các nguyên tử khíhiếm bị iôn hóa, tăng tốc và chuyển động về phía bia vớitốc độ lớn và bắn phá bề mặt bia, truyền động năng cho cácnguyên tử vật liệu tại bề mặt bia. Các nguyên tử đượctruyền động năng sẽ bay về phía đế và lắng đọng trên đế.Các nguyên tử này được gọi là các nguyên tử bị phún xạ.Như vậy, cơ chế của quá trình phún xạ là va chạm và traođổi xung lượng, hoàn toàn khác với cơ chế của phươngpháp bay bốc nhiệt trong chân không.Kỹ thuật phún xạ phóng điện phát sáng Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ catốt xoay chiềuLà kỹ thuật phún xạ sử dụng hiệu điện thế một chiều đểgia tốc cho các iôn khí hiếm. Bia vật liệu được đặt trênđiện cực âm (catốt) trong chuông chân không được hútchân không cao, sau đó nạp đầy bởi khí hiếm (thường làAr hoặc He...) với áp suất thấp (cỡ 10-2 mbar). Người tasử dụng một hiệu điện thế một chiều cao thế đặt giữa bia(điện cực âm) và đế mẫu (điện cực dương). Quá trìnhnày là quá trình phóng điện có kèm theo phát sáng (sựphát quang do iôn hóa). Vì dòng điện là dòng điện mộtchiều nên các điện cực phải dẫn điện để duy trì dòngđiện, do đó kỹ thuật này thường chỉ dùng cho các biadẫn điện (bia kim loại, hợp kim...).Phún xạ phóng điện phát sáng xoay chiều (RF dischargesputtering)Ảnh chụp thiết bịsputtering Univex450 tại trường Đạihọc Khoa học Tựnhiên, Đại họcQuốc gia Hà NộiLà kỹ thuật sử dụng hiệu điện thế xoay chiều để gia tốccho iôn khí hiếm. Nó vẫn có cấu tạo chung của các hệphún xạ, tuy nhiên máy phát là một máy phát cao tần sửdụng dòng điện tần số sóng vô tuyến (thường là 13,56MHz). Vì dòng điện là xoay chiều, nên nó có thể sửdụng cho các bia vật liệu không dẫn điện. Máy phát caotần sẽ tạo ra các hiệu điện thế xoay chiều dạng xungvuông. Vì hệ sử dụng dòng điện xoay chiều nên phải điqua một bộ phối hợp trở kháng và hệ tụ điện có tác dụngtăng công suất phóng điện và bảo vệ máy phát. Quátrình phún xạ có hơi khác so với phún xạ một chiều ởchỗ bia vừa bị bắn phá bởi các iôn có năng lượng cao ởnửa chu kỳ âm của hiệu điện thế và bị bắn phá bởi cácđiện tử ở nửa chu kỳ dương Phún xạ magnetronLà kỹ thuật phún xạ (sử dụng cả với xoay chiều vàmột chiều) cải tiến từ các hệ phún xạ thông dụng bằngcách đặt bên dưới bia các nam châm. Từ trường củanam châm có tác dụng bẫy các điện tử và iôn lại gầnbia và tăng hiệu ứng iôn hóa, tăng số lần va chạmgiữa các iôn, điện tử với các nguyên tử khí tại bề mặtbia do đó làm tăng tốc độ lắng đọng, giảm sự bắn phácủa điện tử và iôn trên bề mặt màng, giảm nhiệt độ đếvà có thể tạo ra sự phóng điện ở ...