Science & Technology Development Journal: NATURAL SCIENCES

An official journal of University of Science, Viet Nam National University Ho Chi Minh City, Viet Nam

Skip to main content Skip to main navigation menu Skip to site footer

 Original Research

HTML

385

Total

180

Share
Effect of the sputtering time on the characteristics of p-SnOx:Na films prepared by the reactive direct current magnetron sputtering method






 Open Access  

Downloads

Download data is not yet available.

Abstract

The fabrication of n- and p-type transparent oxide semiconductor films is critical in the production of transparent electrical and optoelectronic components on the p‒n junction, particularly the p-type, because the maximum of the valence band formed by the 2p orbitals of oxygen and their local (narrow) dispersions have formed deep levels, making difficult in doping of acceptor impurities in p-type oxide semiconductors. Among the p-type transparent oxide semiconductor films that have been studied so far, the p-type SnOx film which had outstanding electrical conductivity and optical transparency, is a good candidate for constructing a p‒n junction with another n-type semiconductor in homogeneous or heterogeneous form. In this paper, a Na-doped SnOx film was produced from Sn + 3 at% Na alloy target using the reactive sputtering process at a temperature of 200 0C. XRD, XPS, AFM, Hall, and UV-Visible techniques were used to evaluate the effect of sputtering duration on the structural and electro-optical properties of SnOx:Na films. The results of the survey showed that when the sputtering time increased from 7 minutes to 14 minutes, 21 minutes, and 35 minutes, the film thickness increased, resulting in an increase in the crystal size, a decrease in the grain boundary, and an increase in carrier mobility, all of which lead to a reduction in the film's resistivity. However, as the film thickness increased, the transmittance dropped and the optical bandgap shrinked.

MỞ ĐẦU

Ôxít bán dẫn trong suốt (TSO) được biết đến như là một loại vật liệu quan trọng bởi tính chất thú vị, trong suốt nhưng lại dẫn điện và đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực mang tính đột phá như: thiết bị quang, linh kiện quang điện tử… 1 , 2 . Kể từ báo cáo đầu tiên về CdO, vật liệu ôxít dẫn trong suốt vào năm 1907 cho đến nay các vật liệu SnO 2 , In 2 O 3 , ZnO 3 , 4 , 5 , 6 và các phiên bản pha tạp của chúng là TSO loại n nổi tiếng được nghiên cứu và triển khai làm lớp thụ động (điện cực quang) hoặc lớp hoạt động trong các thiết bị điện tử và quang điện tử trên cơ sở chuyển tiếp p-n. Tuy nhiên, phần lớn TSO đã biết đều là bán dẫn loại n, trong khi đó ôxít bán dẫn loại p vẫn còn hạn chế về chủng loại và ứng dụng do một số nguyên nhân sau đây. (1) Trong hầu hết các ôxít kim loại, đáy của vùng dẫn được hình thành bởi các obitan s kim loại, được mở rộng về mặt không gian; do đó, các điện tử trong ôxít kim loại có khối lượng hiệu dụng nhỏ và độ dẫn điện tử cao có thể đạt được bằng cách pha tạp các tạp chất cho (donor) dễ dàng. (2) Mặt khác, cực đại của vùng hóa trị được hình thành bởi các obitan 2p của oxy, chúng khá cục bộ làm cho khối lượng hiệu dụng của các lỗ trống lớn dẫn đến độ linh động của chúng rất thấp 7 . Hơn nữa, sự phân tán cục bộ (hẹp) của vùng hóa trị đã hình thành các mức sâu trong vùng hóa trị nên việc pha tạp các tạp chất nhận (acceptor) trong bán dẫn ôxít loại p gặp rất nhiều khó khăn 8 . Tuy nhiên, có sự lai hóa các giữa các obitan trong cấu tạo nguyên tử đã mở rộng đỉnh vùng hóa trị, giảm khối lượng hiệu dụng lỗ trống, và việc pha tạp các tạp chất nhận (acceptor) trở nên dễ dàng hơn, giúp tăng độ linh động và nồng độ hạt tải (lỗ trống). Ví dụ như vật liệu Cu 2 O, obitan 3d 10 của ion Cu + rất gần với obitan 2p 6 của O và có xảy ra sự lai hóa giữa hai obitan này 9 . Điều này cũng tương tự với vật liệu SnO, obitan 5s của Sn 2+ lai hóa với obitan 2p 6 của O. Vì các obitan s có khả năng mở rộng hơn so với các obitan d, sự lai hóa obitan 2p của O với các obitan s có thể dẫn đến sự phân bố vùng hóa trị lớn hơn và do đó khối lượng hiệu dụng của các lỗ trống thấp và dễ dàng pha tạp các tạp chất cho (acceptor) dẫn đến tăng độ linh động và nồng độ lỗ trống 10 , 11 , cho thấy SnO là một ứng cử viên sáng giá cho vật liệu ôxít loại p đã và đang thu hút được sự quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây.

Màng mỏng SnO là chất bán dẫn loại p tự nhiên, lỗ trống hình thành do nút khuyết thiếc (V Sn ) và nguyên tử oxy ngoài mạng (O i ) 12 , 13 , có độ rộng vùng cấm quang ứng với chuyển mức xiên là 0.7 eV hoặc chuyển mức thẳng nằm trong khoảng 2,5 – 3,4 eV 14 , 15 , 16 . Nhờ các tính chất điện quang thú vị nên màng mỏng SnO đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực chế tạo linh kiện điện tử như: transitor hiệu ứng trường (TFT) 17 , photodiode 18 , pin mặt trời 18 . Đối với pin mặt trời cấu trúc n-i-p, màng SnO được sử dụng như lớp đệm hoặc lớp thu lỗ trống nên lớp SnO phải đảm bảo yêu cầu có nồng độ lỗ trống và độ dẫn điện cao. Để tăng nồng độ lỗ trống thì các tạp chất kim loại nhóm hóa trị I hoặc phi kim hóa trị V được chèn vào trong mạng tinh thể thay thế cho Sn hoặc O trong mạng tinh thể màng SnO 19 . Thời gian gần đây, một số nhóm nghiên cứu đã có khảo sát về sự pha tạp cho màng SnO tuy nhiên kết quả công bố giữa các nhóm vẫn tồn tại các kết luận trái ngược hoặc các tính chất điện quang thu được không như mong đợi. Nhóm tác giả Y. Kim và cộng sự 20 sử dụng phương pháp phún xạ phản ứng dùng nguồn khí N để chế tạo màng SnO pha tạp N thì cho tính chất dẫn loại n trong khi đó nhóm M. Becker và cộng sự 14 dùng phương pháp phún xạ chùm điện tử với khí pha tạp N lại cho màng có tính dẫn loại p. Ngoài ra nhóm tác giả này cũng chỉ ra pha tạp hydro cũng làm tăng nồng độ lỗ trống song H có xu hướng khuếch tán ra khỏi màng sau một thời gian lưu mẫu. Mặc dù có tăng nồng độ lỗ trống nhưng độ truyền qua của màng giảm mạnh và sự giảm độ truyền qua cũng xảy ra tương tự khi pha tạp Ag 19 sự giảm độ truyền qua có thể liên quan đến tính đặc thù của kim loại quý và kim loại chuyển tiếp. Qua tìm hiểu của chúng tôi mới có duy nhất một báo cáo việc pha tạp Na vào màng SnO của Nhóm T. Yang và cộng sự 21 . Tuy nhiên, trong quá trình làm thực nghiệm nhóm này gặp khó khăn khi sử dụng phương pháp phún RF với bia gốm.Với rất nhiều nỗ lực họ đã pha tạp thành công Na vào màng SnO bằng phương pháp cấy ion và dừng lại ở khảo sát sơ bộ cấu trúc và tính chất điện của vật liệu.

Trong quá trình nghiên cứu và phát triển màng SnO x loại p nhiều phương pháp chế tạo màng đã được sử dụng như bốc bay bằng chùm electron trong chân không cao (electron beam) 22 , bốc bay nhiệt trong chân không cao 23 , lắng đọng lớp nguyên tử 24 , phún xạ magnetron rf 25 , và phún xạ phản ứng magnetron DC 26 , 27 . Trong đó phương pháp phún xạ phản ứng magetron DC có nhiều ưu điểm vượt hơn so với các phương pháp khác như: Bia kim loại Sn thuần và pha tạp dễ chế tạo, chủ động nguồn khí phản ứng oxi để điều khiển sự chuyển pha cấu trúc vật liệu... Đối với phún xạ phản ứng, các thông số chế tạo bao gồm công suất phún xạ (P = UI), nhiệt độ đế, tỉ lệ phần trăm oxi, thời gian phún xạ ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc và các tính chất đặc trưng của màng SnO x loại p. Trong số đó thông số thời gian phún xạ ảnh hưởng mạnh đến độ dày màng, sự gia tăng độ dày có thể góp phần cải thiện chất lượng tinh thể và độ linh động của hạt tải điện nên giảm điện trở suất. Tuy nhiên, độ dày cao hơn ảnh hưởng xấu đến tính chất quang học của màng SnO x . Do đó, việc khảo sát chi tiết các đặc tính quang điện tử phụ thuộc vào độ dày màng SnO x thông qua điều khiển thời gian phún xạ là cần thiết để tăng cường các đặc trưng quang điện của màng cho các hoạt động của linh kiện quang điện.

Trong báo cáo này chúng tôi chế tạo target hợp kim Sn+ 3% at Na và sử dụng phương pháp phún xạ phản ứng magnetron DC để chế tạo màng SnO x pha tạp Na ở nhiệt độ thấp. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phún xạ đến các đặc trưng cấu trúc, tính chất điện, tính chất quang của màng.

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

Vật liệu

Thiếc hạt có độ tinh khiết 99,95% (Sigma), natri khối có độ tinh khiết 99,99% (Sigma) là hai nguồn vật liệu chính chế tạo bia phún xạ hợp kim Sn +Na. Ngoài ra còn có các vật liệu khác như đế thủy tinh, dung dịch tẩy rửa đế như NaOH, aceton, khí phản ứng O 2­ , khí Ar phục vụ cho quá trình phún xạ chế tạo màng bằng phương pháp phún xạ phản ứng magetron DC.

Chế tạo bia phún xạ

Bia phún xạ sử dụng trong phún xạ phản ứng magnetron DC là kim loại Sn hoặc hợp kim giữa Sn và các kim loại cần pha tạp như Ag, Cu, Mg, Na…. Trong bài báo này bia phún xạ được sử dụng là bia hợp kim Sn và Na được chế tạo bởi phương pháp đúc (nấu chảy kim loại và đổ khuôn) gồm các bước sau: (i) Chuẩn bị vật liệu gồm thiếc hạt và natri khối được bảo quản trong dầu hỏa; (ii) Cân khối lượng thiếc Sn và Na sao cho lượng Na trong hợp kim Na+Sn là 3 at%; (iii) Bỏ hỗn hợp Sn+Na vào cốc graphite và nấu chảy chúng trong chân không, khuấy đều hỗn hợp kim loại lỏng, loại bỏ xỉ và đổ chúng vào khuôn; (iv) Các bia phún xạ vừa đúc xong được gia công cơ khí (tiện, phay) để tạo bề mặt phẳng và loại bỏ lớp ôxít bề mặt. Sản phẩm cuối cùng là các target tròn với đường kính 7,5 cm và dày 0,5 cm.

Chế tạo màng Na pha tạp SnO x

Các thông số chế tạo được giữ cố định gồm: công suất phún xạ (P = UI) 30 W, nhiệt độ đế (Ts) 200 o C, áp suất phún xạ 5.10 -3 torr, tỉ lệ phần trăm oxi 12 % (là các thông số đã được tối ưu hóa trong quá trình thực nghiệm), chỉ có thông số thời gian phún xạ thay đổi từ 7 phút, 14 phút, 21 phút và 35 phút tương ứng với kí hiệu mẫu là T7, T14, T21 và T35 để tiện theo dõi trong bài viết. Đế thủy tinh được rửa sạch bằng NaOH, kết hợp với siêu âm trong khoảng 10 phút, sau đó được rửa trôi bằng nước khử ion, sau cùng là đánh siêu âm trong dung dịch aceton và ethanol tỉ lệ 1:1. Đế được sấy khô trong môi trường chân không. Trong quá trình phún xạ chế tạo màng buồng phún xạ được giải hấp bởi việc nâng nhiệt thành buồng và hút chân không đến áp suất 10 -6 torr. Phép đo Talorstep profilometer (Rank- Taylor-Hobson, UK) được sử dụng xác định bề dày màng. Tính chất điện và tính chất quang của màng SnO x được đánh giá thông qua phép đo Hall (BIO-RAD HL5500IU) và phổ truyền qua UV-Vis (DS5 Edinburgh Instruments). Vi cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt và trạng thái điện tử của các nguyên tố trong màng SnO x được đánh giá bởi phép đo nhiễu xạ tia X (D8-ADVANCE), Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM, Nanocute, SII Nano Technology), và phổ điện tử tia X (Thermo Scientific), tương ứng.

KẾT QUẢ THẢO LUẬN

Phân tích phổ quang điện tử tia X (XPS)

Figure 1 a trình bày phổ XPS tổng quát của màng SnO x pha tạp Na phún xạ trong 21 phút cho thấy sự hiện diện của các đỉnh phổ đặc trưng cho các nguyên tố Sn (39,84 at%), O (48,53 at%), và Na (2,56 at%). Kết quả này cho biết thành phần nguyên tố hóa học có trong mẫu gồm Sn, O và Na. Bên cạnh đó có sự dịch đỉnh phổ (0,9 eV) về vùng năng lượng liên kết thấp của lõi Sn3d và lõi O1s của màng SnO x pha tạp Na so với màng SnO x không pha tạp (được trình bày trong một công bố khác của chúng tôi) 28 . Sự dịch đỉnh phổ này cho thấy Na đã chèn vào trong mạng tinh thể màng SnO x . Vì năng lượng liên kết của Na-O là -377.1 KJ/mol nhỏ hơn năng lượng liên kết của Sn-O (-229.5 KJ/mol) 29 , 30 . Hơn nữa, phổ XPS giải chập của lõi Sn 3d 5/2 trình bày trong Figure 1 b cho thấy trạng thái ion của Sn trong màng SnO x gồm: Sn 0 , Sn 2+ , Sn 4+ tương ứng Sn nằm xen kẽ ngoài mạng, Sn liên kết với O trong thù hình SnO và thù hình SnO 2 . Kết quả giải chập đỉnh O1s ( Figure 1 c) cũng cho thấy trong màng tồn tại hai trạng thái ion O 2- và O 4- của Oxi tương ứng với trạng thái liên kết SnO và SnO 2 của màng SnO x :Na. Figure 1 d là phổ XPS đặc trưng cho nguyên tố Na, và khi giải chập chỉ ra đỉnh phổ có năng lượng liên kết 1071 eV đặc trưng cho Na 0 và đỉnh phổ có năng lượng 1070 eV đặc trưng cho Na + 31 , 32 , về định tính cho thấy diện tích đỉnh phổ Na + lớn hơn so với diện tích đỉnh của Na 0 . Điều này cho thấy, khi pha tạp Na vào trong màng SnO x thì Na có xu hướng chèn vào nút mạng tinh thể nên tăng hiệu hiệu suất pha tạp và độ dẫn lỗ trống của màng loại p SnO x . Kết quả XPS là bằng chứng đáng tin cậy minh chứng cho sự hiện diện của Na, nói cách khác đã pha tạp được Na vào màng SnO x từ bia hợp kim Sn +3% at Na thông qua phương pháp phún xạ phản ứng magnetron một chiều (DC).

Figure 1 . Phổ XPS tổng quát màng SnO x pha tạp Na (a), phổ giải chập lõi Sn(3d 5/2 ) (b), lõi O(1s) (c) và lõi Na(1s) (d)

Figure 1 ) (b), lõi O(1s) (c) và lõi Na(1s) (d)

[Download figure]

Phân tích kết quả giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD)

Figure 2 trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của các màng T7, T14, T21, T35 tương ứng với thời gian phún xạ tạo màng SnO x :Na trong 7 phút, 14 phút, 21 phút, và 35 phút. Kết quả ở Figure 2 cho thấy tất cả các màng SnO x :Na đều xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ tại góc 2θ là 29,9 o , 33,4 o , 47,8 o và 57,4 o tương ứng với mặt mạng (101), (110), (200), và (211) của cấu trúc tinh thể bốn phương ( 4/nmm group). Điều này cho thấy màng có cấu trúc đa tinh thể và mặt (110) là mặt ưu tiên phát triển trong quá trình hình thành màng khi thời gian phún xạ màng tăng. Ngoài ra, đỉnh nhiễu xạ của mẫu T7 có cường độ yếu và độ rộng đỉnh phổ lớn ngược với đỉnh nhiễu xạ của mẫu T35 có cường độ tăng mạnh và độ rộng đỉnh phổ hẹp. Điều này cho thấy khi tăng thời gian phún xạ thì màng có tính tinh thể cao và kích thước hạt lớn ( Table 1 ). Hơn nữa, phổ nhiễu xạ của mẫu T7 còn xuất hiện đỉnh phổ ở góc 2θ = 30,5 o đặc trưng cho pha β-Sn, cho thấy với thời gian lắng đọng ngắn thì một số nguyên tử Sn được bứt ra từ bia kim loại Sn chưa ôxi hóa hoàn toàn.

Từ giản đồ XRD xác định được kích thước tinh thể của màng SnO x :Na, theo công thức Debye- Scherer (1) là kích thước của tinh thể (Å), β là độ bán rộng của đỉnh phổ (FWHM) (rad), θ là góc nhiễu xạ (rad) tại vị trí đỉnh phổ, và λ là bước sóng của tia X (Å). Bên cạnh đó, từ kết quả XRD các giá trị mật độ sai hỏng (δ), sai hỏng trên đơn vị diện tích tinh thể, và biến dạng dãn (ε) sẽ được xác định bởi công thức (2) và (3) tương ứng:

Figure 2 . Phổ XRD của màng SnO x pha tạp Na với thời gian phún xạ khác nhau

Figure 2 pha tạp Na với thời gian phún xạ khác nhau

[Download figure]

Các giá trị của D, δ và ε tính được đã được trình bày trong Table 1 . Kết quả thu được cho thấy kích thước tinh thể tăng từ 36,9 nm tới 51,1 nm ứng với mặt (101) và từ 69,6 nm, tới 75,4 nm ứng với mặt (110) khi thời gian phún xạ tăng tương ứng từ 7 phút, lên 35 phút tương ứng với bề dày màng 100 nm, 200 nm, 300 nm và 600 nm. Kết quả này phù hợp với sự tăng cường độ và giảm độ bán rộng của đỉnh nhiễu xạ được chỉ ra trong kết quả nhiễu tia X ( Figure 2 ). Nói khác đi, khi tăng thời gian phún xạ thì bề dày màng tăng đồng thời với thời gian phún xạ kéo dài hơn thì số lượng nguyên tử, phân tử sẽ bay tới bề mặt đế nhiều hơn làm tăng hoạt tính bề mặt màng, xảy ra quá trình tái cấu trúc, tăng liên kết giữa các hạt tinh thể nhỏ hình thành các hạt tinh thể lớn hơn, làm giảm biên hạt và các sai hỏng trong màng 33 . Nhận xét này phù hợp với kết quả tính mật độ sai hỏng δ và ứng suất dãn ε giảm. Cụ thể mật độ sai hỏng giảm từ 7,34.10 14 m -2 xuống 3,83.10 14 m -2 và ứng suất dãn giảm 9,29.10 -4 xuống 6,71.10 -4 tương ứng với thời gian phún xạ tăng từ 7 phút đến 35 phút. Như vậy với thời gian phún xạ tăng sẽ làm tăng bề dày màng, dẫn đến tăng kích thước tinh thể, giảm biên hạt và các sai hỏng trong mạng tinh thể của màng SnO x :Na.

Table 1 Các thông số cấu trúc màng SnO x :Na theo thời gian phún xạ

Phân tích ảnh AFM

Figure 3 . Ảnh 2 chiều (2D) và 3 chiều (3D) của màng SnOx:Na với thời gian phún xạ khác nhau (a) 7 phút (b) 14 phút, (c) 21 phút, và (d) 35 phút, tương ứng

Figure 3 <i></i>

[Download figure]

Figure 3 trình bày ảnh AFM của màng SnO x :Na với thời gian phún xạ khác nhau, với kết quả AFM 2D cho thấy kích thước hạt tăng tương ứng với thời gian phún xạ tăng còn AFM 3D cho thấy độ gồ ghề bề mặt tăng tương ứng từ 8,5 nm lên 9,6 nm và 13,4 nm khi thời gian phún xạ tăng từ 7 phút lên 14 phút và 21 phút. Điều thú vị là khi tiếp tục tăng thời gian phún xạ lên 35 phút kích thước hạt tăng nhưng độ gồ ghề không tăng nữa hay lúc này biên hạt giảm và bề mặt màng trở nên đồng đều ( Table 1 ). Kết quả AFM hoàn toàn phù hợp với kết quả khảo sát phổ nhiễu xạ tia X khi thời gian phún xạ tăng làm tăng cường độ đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho mặt (101) và (110), giảm độ bán rộng, tương ứng với việc tăng bề dày màng, tăng kích thước hạt, giảm biên hạt. Các thay đổi về cấu trúc tinh thể sẽ ảnh hưởng đến tính chất điện và tính chất quang của màng.

Phân tích phổ truyền qua UV-Vis

Figure 4 . Phổ truyền qua (a) và đường ngoại suy Tauce (b) xác định năng lượng vùng cấm quang của màng SnO x :Na với thời gian phún xạ khác nhau

Figure 4 :Na với thời gian phún xạ khác nhau

[Download figure]

Figure 4 a là phổ truyền qua UV-Vis của các mẫu T7, T14, T21, và T35 các màng có độ truyền qua trung bình khoảng 55% trong dải bước sóng từ 600 nm đến 1100 nm và giảm dần khi thời gian phún xạ tăng. Bênh cạnh đó số vân giao thoa tăng khi thời gian phún xạ tăng vì: (i) Khi thời gian phún xạ tăng làm bề dày màng tăng và bề mặt màng đồng nhất; (ii) Sự khác nhau về chiết suất giữa lớp màng mỏng và đế nền (thủy tinh) 3 . Năng lượng vùng cấm quang của các màng SnO x :Na được xác định thông qua phương pháp ngoại suy Tauce vẽ đường biểu diễn (αh𝜈) 2 theo năng lượng photon (h𝜈) từ bờ hấp thụ của phổ truyền qua UV-Vis. Kết quả chỉ ra trong Figure 4 b cho thấy khi thời gian phún xạ tăng từ 7 phút, lên 14 phút, 21 phút và 35 phút thì năng lượng vùng cấm quang giảm từ 2,88 eV, 2,78 eV, 2,62 eV đến 2,53 eV tương ứng. Độ lớn năng lượng vùng cấm của màng SnO x :Na nằm trong khoảng giá trị năng lượng vùng cấm quang của SnO với cấu trúc bốn phương (2.5-3.4 eV) 14 , 15 , 16 . Kết quả này cho thấy độ rộng vùng cấm của màng SnO x :Na giảm khi độ dày màng tăng lên. Độ rộng vùng cấm giảm với độ dày màng tăng có thể do nhiều yếu tố khác nhau như: hiệu ứng giam giữ lượng tử, tăng cường độ kết tinh, giảm tạp chất và khuyết tật, sự thay đổi kích thước tinh thể và ứng suất dãn. Trong bài báo này, tất cả các màng mỏng chế tạo được đều là đa tinh thể với kích thước tinh thể lớn hơn 10 nm. Do đó, hiệu ứng giam hãm lượng tử không phải là lý do thích hợp trong trường hợp này. Do đó, chúng tôi cho rằng độ rộng vùng cấm phụ thuộc vào độ dày của màng có liên quan đến độ kết tinh và kích thước hạt của màng. Cụ thể theo kết quả thu được từ Table 1 thì khi chiều dày màng tăng, kích thước tinh thể và kích thước hạt của màng cũng tăng. Kết quả làm giảm biên hạt và các khuyết tật dẫn đến giảm chiều cao rào thế ở biên hạt 34 . Suy luận này phù hợp với kết quả XRD và AFM của chúng tôi.

Phân tích kết quả đo Hall

Figure 5 biểu diễn nồng độ hạt tải (N H ), độ linh động (μ) và điện trở suất (ρ) của màng SnO x :Na theo thời gian phún xạ khác nhau. Khi thời gian phún xạ tăng từ 7 phút lên 14 phút thì nồng độ hạt tải tăng từ 1,95.10 19 cm -3 lên 2,98.10 19 cm -3 (tăng 52,8%) và độ linh động hạt tải tăng từ 1,46 cm 2 /VS lên 2,11 cm 2 /VS dẫn đến điện trở suất của màng giảm mạnh từ 2,15.10 -1 Ωcm xuống 1,01.10 -1 Ωcm. Kết quả tăng nồng độ hạt tải có thể được giải thích là khi tăng thời gian phún xạ sẽ cung cấp đủ thời gian để ôxít hóa Sn, giảm pha β-Sn, giảm sự mất mát hạt tải lỗ trống, hơn nữa khi thời gian phún xạ tăng sẽ tăng kích thước hạt, giảm biên hạt nên tăng độ linh động hạt tải tăng làm cho điện trở suất màng giảm. Tuy nhiên khi tiếp tục tăng thời gian phún xạ lên 21 phút và 35 phút thì nồng độ hạt tải có xu hướng giảm nhẹ về 2,75.10 19 cm -3 và 2,35.10 -19 cm -3 và độ linh động hạt tải cũng tăng nhẹ từ 2,41 cm 2 /VS lên 2,81 cm 2 /VS dẫn đến điện trở suất thay đổi rất nhỏ 9,39.10 -2 Ωcm và 9,46.10 -2 Ωcm. Kết quả này có thể giải thích khi kéo dài thời gian phún xạ thì có sự tái phún xạ, có sự sắp xếp lại các nguyên tử, phân tử trong cấu trúc tinh thể màng nên giảm lượng Na pha tạp trong màng dẫn đến nộng hạt giảm, tuy nhiên điều này làm tăng độ linh động, dẫn đến điện trở suất không đổi. Do đó để cân đối giữa tính chất điện và tính chất quang của màng thì trong quá trình phún xạ cần chọn thời gian phún xạ thích hợp.

Figure 5 . Đường biểu diễn điện trở suất (ρ), nồng độ hạt tải (N H ), và độ linh động Hall (μ H ) theo thời gian phún xạ khác nhau trong màng SnO x :Na

Figure 5 <b> </b>

[Download figure]

KẾT LUẬN

Từ bia hợp kim Sn + 3% at Na thông qua phương pháp phún xạ phản ứng magnetron DC đã chế tạo được màng mỏng SnO x pha tạp Na trên đế thủy tinh ở nhiệt độ thấp là bán dẫn loại p. Trạng thái ion Sn 2+ , Sn 4+ , O 2- , O 4+ , và Na 0 , Na + phân tích từ phổ XPS cho thấy Na đã chèn vào trong mạng tinh thể màng SnO x . Màng SnO x :Na có cấu trúc bốn phương và phát triển theo các định hướng ưu tiên dọc theo mặt mạng (101) và (110) có xu hướng tăng kích thước tinh thể khi thời gian phún xạ tăng. Màng SnO x :Na là bán dẫn chuyển mức thẳng, có năng lượng vùng cấm quang và độ truyền qua giảm khi thời gian phún xạ tăng. Thời gian phún xạ tăng, tương ứng bề dày màng tăng, làm cho nồng độ hạt tải, độ linh động tăng mạnh, dẫn đến điện trở suất của màng giảm mạnh. Tuy nhiên, nếu tiếp tục kéo dài thời gian phún xạ thì điện trở suất của màng SnO x :Na giảm không đáng kể trong khi đó độ truyền qua và năng lượng vùng cấm quang giảm cho nên việc kéo dài thời gian phún xạ là không cần thiết. Do đó để cân đối giữa tính chất điện và tính chất quang thì thời gian phún xạ trong quá trình tạo màng SnO x :Na bằng phương pháp phún xạ phản ứng được chọn trong khoảng 14 phút đến 21 phút.

Lời cảm ơn

Nghiên cứu này được tài trợ kinh phí từ Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam với mã số GUST.STS.ĐT2020-KHVL07. Nhóm tác giả xin chân thành cám ơn.

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AFM: Kính hiển vi lực nguyên tử

UV–Vis: Phổ tử ngoại khả kiến

XRD: Nhiễu xạ tia X

XPS: Phổ Quang điện tử tia X

DC: Dòng một chiều

XUNG ĐỘT LỢI ÍCH

Nhóm tác giả cam kết không có xung đột lợi ích.

ĐÓNG GÓP CỦA TÁC GIẢ

Phạm Hoài Phương, Trần Quang Trung, Nguyễn Mạnh Tuấn : Chế tạo bia phún xạ, tổng hợp, đánh giá kết quả, viết báo.

Phạm Ngọc Yến Nhi, Bùi Trung Hiếu, Nguyễn Ngọc Phương : Chế tạo màng, tiến hành các phép do phân tích màng, viết báo cáo.

References

  1. Ellmer K. Past achievements and future challenges in the development of optically transparent electrodes. Nat Photonics. 2012;6(12):809-17. . ;:. Google Scholar
  2. Kim JH, Kim UK, Chung YJ, Hwang CS. Correlation of the change in transfer characteristics with the interfacial trap densities of amorphous In-Ga-Zn-O thin film transistors under light illumination. Appl Phys Lett. 2011;98(23). . ;:. Google Scholar
  3. Sakthivel P, Asaithambi S, Karuppaiah M, Yuvakkumar R, Hayakawa Y, Ravi G. Improved optoelectronic properties of Gd doped cadmium oxide thin films through optimized film thickness for alternative TCO applications. Journal of Alloys and Compounds. 2020;820. . ;:. Google Scholar
  4. Abbas S, Kumar M, Ban DK, Yun JH, Kim J. Transparent and flexible In2O3Thin film for multilevel nonvolatile photomemory programmed by light. ACS Appl Electron Mater. 2019;1(3):437-43. . ;:. Google Scholar
  5. Zhu BL, Zhao XZ, Su FH, Li GH, Wu XG, Wu J et al. Structural and optical properties of ZnO thin films on glass substrate grown by laser-ablating Zn target in oxygen atmosphere. Phys B. 2007;396(1-2):95-101. . ;:. Google Scholar
  6. Doyan A, Susilawati, Imawanti YD. Synthesis and characterization of SnO2 thin layer with a doping aluminum is deposited on quartz substrates. AIP Conf Proc. 2017;1801(January). . ;:. Google Scholar
  7. Kawazoe H, Yasukawa M, Hyodo H, Kurita M, Yanagi H, Hosono H. P-type electrical conduction in transparent thin films of CuAlO2. Nature. 1997;389(6654):939-42. . ;:. Google Scholar
  8. Hautier G, Miglio A, Ceder G, Rignanese GM, Gonze X. Identification and design principles of low hole effective mass p-type transparent conducting oxides. Nat Commun. 2013;4:2292. . ;:. PubMed Google Scholar
  9. Yanagi H, Inoue SI, Ueda K, Kawazoe H, Hosono H, Hamada N. Electronic structure and optoelectronic properties of transparent p-type conducting CuAlO2. J Appl Phys. 2000;88(7):4159-63. . ;:. Google Scholar
  10. Jia J, Sugane T, Nakamura S, Shigesato Y. "p -type conduction mechanism in continuously varied non-stoichiometric SnO x thin films deposited by reactive sputtering with the impedance control p-type conduction mechanism in continuously varied non-stoichiometric SnO x thin films deposited by reactive", vol. 185703, no. Journal of Applied Physics. April 2020;127(18). . ;:. Google Scholar
  11. Guillén C, Herrero J. Comparing metal oxide thin films as transparent p-type conductive electrodes. Mater Res Express. 2020;7(1). . ;:. Google Scholar
  12. Togo A, Oba F, Tanaka I, Tatsumi K. First-principles calculations of native defects in tin monoxide. Phys Rev B. 2006;74(19):195128. . ;:. Google Scholar
  13. Granato DB, Caraveo-Frescas JA, Alshareef HN, Schwingenschlögl U. Enhancement of p-type mobility in tin monoxide by native defects. Appl Phys Lett. 2013;102(21):212105. . ;:. Google Scholar
  14. Phys JA et al. "Controlling the p-type conductivity of SnO by doping with nitrogen and hydrogen", vol. 085703. 2018, 2019(August). . ;:. Google Scholar
  15. Priyanka L, Hymavathi B, Kumar BR. Effect of rotational speed on structural and optical properties of spin coated SnO thin films. IOP Conf Ser Mater Sci Eng. 2020;998(1). . ;:. Google Scholar
  16. Becker M, Michel F, Polity A, Klar PJ. Assessing the growth window of stannous oxide by ion beam sputter deposition (IBSD). J Cryst Growth. 2018;498:17-24. . ;:. Google Scholar
  17. Lee AW, Le D, Matsuzaki K, Nomura K. Hydrogen-defect termination in SnO for p-channel TFTs. ACS Appl Electron Mater. 2020;2(4):1162-8. . ;:. Google Scholar
  18. Esteves B, Pimenta S, Vieira EMF, Freitas JR, Rodrigues JA, Correia JH. SnOx and a-Si thin-films based photodiode in a flexible substrate for visible spectral region. Mater Lett. 2021;286:129251. . ;:. Google Scholar
  19. Pham HP, Nguyen THY, Nguyen AH, Vo NT, Thuy TGL, Nguyen HH et al. Effects of substrate temperature on characteristics of the p-type Ag-doped SnOx thin films prepared by reactive DC magnetron sputtering. J Photochem Photobiol A. 2020;388:112157. . ;:. Google Scholar
  20. Kim Y, Jang JH, Kim JS, Kim SD, Kim SE. Nitrogen doped p -type SnO thin films deposited via sputtering. Mater Sci Eng B. 2012;177(16):1470-5. . ;:. Google Scholar
  21. Yang TY, Zhao J, Li XL, Gao XY, Xue CF, Wu YQ et al. Improve the P-type conductivity of SnO films by Na ion implantation. Mater Sci Forum. 2016;848(100):477-81. . ;:. Google Scholar
  22. Pan L, Li W, Yang S, Zang J, Guo H, Xia T et al. Effects of annealing conditions on the properties of SnO films deposited by e-beam evaporation process. Mater Lett. 2019;257:126737. . ;:. Google Scholar
  23. Wasly HS, Abd El-Sadek MS, Elnobi S, Abuelwafa AA. Morphological, structural, and optical properties of flexible tin oxide(II) thin film via thermal evaporation technique. Eur Phys J Plus. 2022;137(1). . ;:. Google Scholar
  24. Kim HY, Nam JH, George SM, Park J, Park BK, Kim GH et al. Phase-controlled SnO2 and SnO growth by atomic layer deposition using Bis(N-ethoxy-2,2-dimethyl propanamido)tin precursor. Ceram Int. 2019;45(4):5124-32. . ;:. Google Scholar
  25. Hien VX, Lee JH, Kim JJ, Heo YW. Structure and NH3 sensing properties of SnO thin film deposited by RF magnetron sputtering. Sens Actuators B. 2014;194:134-41. . ;:. Google Scholar
  26. Guillén C, Herrero J. P-type SnO thin films prepared by reactive sputtering at high deposition rates. J Mater Sci Technol. 2019;35(8):1706-11. . ;:. Google Scholar
  27. Pham HP, Thuy TGL, Tran QT, Nguyen HH, My Hoa HT, Thi Thu H et al. Characterization of Ag-doped p-type SnO thin films prepared by DC magnetron sputtering. J Nanomater. 2017;2017:1-6. . ;:. Google Scholar
  28. Hoai Phuong P, Ngo HD, Bui HT, Phuong NN, Thuy Nguyen AH, Nguyen THY et al. Effect of sodium doping on characteristics of p-SnOx films prepared by reactive direct current magnetron sputtering. Ceram Int. 2022;48(9):13047-54. . ;:. Google Scholar
  29. Ke NH, Khoa NLD, Loan PTK, Tuan DA, Le PH, Tran CV et al. Characteristics of Cu 2 O:Na thin films prepared by DC magnetron sputtering method at low temperature. J Nanosci Nanotechnol. 2018;18(10):7170-6. . ;:. PubMed Google Scholar
  30. Yin T, Lee J, Moosavi-Khoonsari E, Jung IH. Critical evaluation and the thermodynamic optimization of the Sn-O system. Ceram Int. 2021;47(20):29267-76. . ;:. Google Scholar
  31. Lu Y, Cai Y, Zhang Q, Liu L, Niu Z, Chen J. A compatible anode/succinonitrile-based electrolyte interface in all-solid-state Na-CO2 batteries. Chem Sci. 2019;10(15):4306-12. . ;:. PubMed Google Scholar
  32. Seh ZW, Sun J, Sun Y, Cui Y. A highly reversible room-temperature sodium metal anode. ACS Cent Sci. 2015;1(8):449-55. . ;:. PubMed Google Scholar
  33. Dhivya P, Prasad AK, Sridharan M. Magnetron sputtered nanostructured cadmium oxide films for ammonia sensing. J Solid State Chem. 2014;214:24-9. . ;:. Google Scholar
  34. Yadav AA. Influence of film thickness on structural, optical, and electrical properties of spray deposited antimony doped SnO2 thin films. Thin Solid Films. 2015;591:18-24. . ;:. Google Scholar


Author's Affiliation

  • Pham Hoai Phuong

    Graduate Universty of Science and Technology, Vietnam Academy of Science and Technology, 18, Hoang Quoc Viet Street, Cau Giay, Ha Noi 100000, Vietnam; Institute of Applied Materials Science, Vietnam Academy of Science and Technology (VAST) 29TL Street, Ward Thanh Loc, District 12, Ho Chi Minh City 700000, Vietnam; VKTECH Research Center, Nguyen Tat Thanh University, 298-300A Nguyen Tat Thanh Street, District 4, Ho Chi Minh City, 700000, Vietnam
    Email I'd for correspondance: phphuong@ntt.edu.vn
    Google Scholar Pubmed

  • Pham Ngoc Yên Nhi

    VKTECH Research Center, Nguyen Tat Thanh University, 298-300A Nguyen Tat Thanh Street, District 4, Ho Chi Minh City, 700000, Vietnam; Department of Solid State Physics, University of Science, Vietnam National University, Ho Chi Minh City (VNU-HCM) 227 Nguyen Van Cu Street, District 5, Ho Chi Minh City, Vietnam
    Google Scholar Pubmed

  • Bui Trung Hieu

    VKTECH Research Center, Nguyen Tat Thanh University, 298-300A Nguyen Tat Thanh Street, District 4, Ho Chi Minh City, 700000, Vietnam
    Google Scholar Pubmed

  • Nguyen Ngoc Phuong

    Institute of Applied Materials Science, Vietnam Academy of Science and Technology (VAST) 29TL Street, Ward Thanh Loc, District 12, Ho Chi Minh City 700000, Vietnam
    Google Scholar Pubmed

  • Tran Quang Trung

    Department of Solid State Physics, University of Science, Vietnam National University, Ho Chi Minh City (VNU-HCM) 227 Nguyen Van Cu Street, District 5, Ho Chi Minh City, Vietnam
    Google Scholar Pubmed

  • Nguyen Manh Tuan

    Institute of Applied Materials Science, Vietnam Academy of Science and Technology (VAST) 29TL Street, Ward Thanh Loc, District 12, Ho Chi Minh City 700000, Vietnam
    Google Scholar Pubmed
Article Details

Issue: Vol 6 No 3 (2022)
Page No.: 2297-2305
Published: Sep 30, 2022
Section: Original Research
DOI: https://doi.org/10.32508/stdjns.v6i3.1182

 Copyright Info

Creative Commons License

Copyright: The Authors. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License CC-BY 4.0., which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited.

 How to Cite
Hoai Phuong, P., Yên Nhi, P., Hieu, B., Phuong, N., Trung, T., & Tuan, N. (2022). Effect of the sputtering time on the characteristics of p-SnOx:Na films prepared by the reactive direct current magnetron sputtering method. Science & Technology Development Journal: Natural Sciences, 6(3), 2297-2305. https://doi.org/https://doi.org/10.32508/stdjns.v6i3.1182


 Download Citation
 Cited by

Article level Metrics by Paperbuzz/Impactstory
Article level Metrics by Altmetrics

 Article Statistics
HTML = 385 times
PDF   = 180 times
XML   = 0 times
Total   = 180 times