Tổng quan về một số phương pháp chế tạo vật liệu bán dẫn hệ thấp chiều

Trong bài báo "Tổng quan về một số phương pháp chế tạo vật liệu bán dẫn hệ thấp chiều", tác giả liệt kê các phương pháp phổ biến hiện nay trên thế giới để chế tạo vật liệu bán dẫn với cấu trúc nano, bao gồm có phương pháp phún xạ, đồng phún xạ, phương pháp bốc bay nhiệt, phương pháp ăn mòn hóa học, phương pháp ăn mòn điện hóa, phương pháp sử dụng ba pha rắn-lỏng-khí. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tổng quan về một số phương pháp chế tạo vật liệu bán dẫn hệ thấp chiều HỘI NGHỊ TOÀN QUỐC KHOA HỌC TRÁI ĐẤT VÀ TÀI NGUYÊN VỚI PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG (ERSD 2022) Tổng quan về một số phương pháp chế tạo vật liệu bán dẫn hệ thấp chiều Nguyễn Xuân Chung* Trường Đại học Mỏ - Địa chấtTÓM TẮTCác vật liệu bán dẫn hệ thấp chiều là các vật liệu có kích thước cỡ nanomet như màng mỏng, dây nano,thanh nano hay chấm lượng tử, chúng có nhiều ứng dụng trong ngành Khoa học Vật liệu cũng như nhiềungành khác. Các vật liệu này được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau với những thiết bị, quy trìnhcông nghệ và yêu cầu về kỹ năng vận hành hệ thống khác nhau. Trong bài báo này, tác giả liệt kê cácphương pháp phổ biến hiện nay trên thế giới để chế tạo vật liệu bán dẫn với cấu trúc nano, bao gồm cóphương pháp phún xạ, đồng phún xạ, phương pháp bốc bay nhiệt, phương pháp ăn mòn hóa học, phươngpháp ăn mòn điện hóa, phương pháp sử dụng ba pha rắn-lỏng-khí. Mỗi phương pháp chế tạo được phântích và giải thích chi tiết về các thiết bị, nguyên lý hoạt động, quy trình kỹ thuật, các ưu và nhược điểm.Tình hình thực tế về ứng dụng của các phương pháp này tại các phòng thí nghiệm trên thế giới và tại ViệtNam cũng được bàn luận.Từ khóa: Bán dẫn hệ thấp chiều, cấu trúc nano, phương pháp chế tạo mẫu, phún xạ, ăn mòn, bốc bay nhiệt.1. Mở đầu Vật liệu bán dẫn có rất nhiều ứng dụng trong các ngành khoa học, kỹ thuật như ngành điện tử, quangđiện tử, y sinh… Các linh kiện truyền thống trong một mạch điện phổ biến là các transistor, diode,photodiode, tụ điện, điện trở có kích thước nhỏ để có thể được lắp ghép với nhau để tạo ra mạch điện, tuynhiên chúng có thể được chế tạo kích thước khoảng vài chục micromet và được tích hợp trong một mạchđiện nhỏ gon được gọi là mạch tích hợp (IC). Với sự phát triển của khoa học công nghệ cũng như nhu cầusử dụng, các thiết bị điện tử ngày càng cần thông minh hơn với nhiều yêu cầu như nhiều tính năng, tốc độxử lý cao để giải được nhiều phép tính phức tạp, hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn để có thể tích hợp nhiềutrong thiết bị và dễ mang đi, độ ổn định tốt hơn, tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao,… Điều này đồng nghĩa vớiviệc cần tích hợp nhiều linh kiện hơn, và việc giảm kích thước các linh kiện. Theo định luật Moore, sốlượng transistor có trong mỗi chip tích hợp được tăng gấp đôi sau hai năm (Thompson, 2006). Định luật đãđược nghiệm đúng trong các năm sau khi định luật ra đời. Ngày nay, kích thước của transistor đã được chếtạo từ 7-14 nm, điều này cho phép một số lượng rất lớn linh kiện có trong mỗi chip xử lý. Vật liệu bán dẫnvới kích thước nano có thể đáp ứng được yêu cầu nói trên. Bán dẫn hệ thấp chiều thông dụng là các màngmỏng với độ dày vài chục nm, các dây, ống nano với đường kính vài chục nm và các chấm lượng tử vớibán kính từ vài đến vài chục nm. Các vật liệu này có nhiều ứng dụng như đèn LED dùng màng mỏng chếtạo bằng phương pháp quang khắc (Mikulics, 2020), các hạt nano vàng được sử dụng trong việc trị liệu vớibệnh nhân ung thư thông qua hiệu ứng plasmonics (Huang, 2010)… Khi vật liệu được chế tạo với kíchthước nano, nhiều đặc tính mới xuất hiện, kích thước càng nhỏ thì hiệu ứng này càng rõ. Việc điều chỉnhkích thước được thông qua việc thay đổi các thông số chế tạo như thời gian chế tạo mẫu, tốc độ tạo vật liệu,nhiệt độ chế tạo, các chất xúc tác, điều kiện ánh sáng, dòng điện …. tùy thuộc vào từng phương pháp. Trong một số ứng dụng sử dụng hiện tượng khuếch tán, vật liệu dạng hạt truyền thống có kích thước cỡmicromet khuếch tán không hiệu quả do kích thước lớn, tuy nhiên với công nghệ nano, các hạt nano đượcchế tạo với kích thước vài chục nm giúp cho quá trình khuếch tán diễn ra nhanh hơn. Như vậy có thể nóicông nghệ nano sẽ cải thiện rất nhiều lĩnh vực trong khoa học, kỹ thuật và đời sống, vì vậy việc áp dụng vàtìm hiểu về các phương pháp chế tạo bán dẫn hệ thấp chiều là rất quan trọng. Có rất nhiều phương phápchế tạo với những phạm vi áp dụng, ưu nhược điểm khác nhau. Các vấn đề liên quan đến các phương phápchế tạo sẽ được thảo luận dưới đây.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu bán dẫn thấp chiều2.1. Phương pháp bốc bay nhiệt Phương pháp này được ứng dụng nhiều trong việc chế tạo các loại màng mỏng như các màng chế tạo*Tác giả liên hệEmail: nguyenxuanchung@humg.edu.vn 1122pin mặt trời perovskite (Vaynzof, 2020), màng silic (Yu, 2019)... Trong phương pháp này, một chuôngchân không cao được sử dụng để tạo ra môi trường chân không trong quá trình vật liệu bốc bay. Vật liệutạo màng được nung nóng chảy trên một thuyền đặt ở đáy của chuông nhờ vào dòng điện lớn chạy qua điệntrở ở dưới đáy thuyền. Đế được đặt đối diện với thuyền ở khoảng cách nhất định. Trên gá giữ đế có gắncảm biến đ ...