Báo cáo tóm tắt đề tài - Đặc tính điện tử và quang điện tử của các linh kiện điện tử hiệu suất cao có cấu trúc nano

IỆN ĐIỆN TỬ HIỆU SUẤT CAO CÓ CẤU TRÚC NANO MÃ SỐ: B2018-ĐN06-11 Đà Nẵng, tháng 07 năm 2020 DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH 1. ThS. Phạm Thị Thảo Khương, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật 2. TS. Nguyễn Thanh Hội, Khoa Công nghệ Hóa học - Môi trường, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật 3. ThS. Dương Quang Thiện, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật 4. TS. Yan-Wen Lan, Department of Physics, National Taiwan Normal University 5. Nhóm TRT-3C, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU INFORMATION ON RESEARCH RESULTS MỞ ĐẦU ................................................................................. 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................. 2 1.1. Vật liệu ZnO .................................................................... 2 1.1.1. Cấu trúc lục giác Wurtzite ............................................ 2 1.1.2. Cấu trúc vùng năng lượng và đặc tính quang điện của ZnO .......................................................................................... 2 1.2. Vật liệu MoS2 ................................................................... 2 1.2.1. Cấu trúc tinh thể của MoS2.......................................... 2 1.2.2. Cấu trúc vùng năng lượng và đặc tính quang điện của MoS2 ........................................................................................ 2 1.3. Tổng quan một số kết quả nghiên cứu ứng dụng vật liệu ZnO và MoS2 cấu trúc nano trong lĩnh vực điện tử và quang điện tử .......................................................................... 3 1.3.1. Một số ứng dụng của cấu trúc nano ZnO .................... 3 1.3.2. Một số ứng dụng của cấu trúc nano MoS2 .................. 3 CHƢƠNG 2: NỀN TẢNG KỸ THUẬT ............................... 4 2.1. Kỹ thuật phân tích vật liệu ............................................. 4 2.2. Kỹ thuật chế tạo linh kiện .............................................. 4 2.3. Kỹ thuật điều khiển nano ............................................... 4 2.4. Hệ thống đo điện tử ......................................................... 4 CHƢƠNG 3: QUY TRÌNH CHẾ TẠO LỖ NANO TRÊN MÀNG SI3N4 VÀ ĐẶC TÍNH QUANG HỌC LỖ NANO KIM LOẠI .............................................................................. 5 3.1. Quy trình chế tạo lỗ nano trên màng Si3N4 ................... 5 3.2. Nghiên cứu đặc tính quang của các lỗ nano kim loại Au và Ag ................................................................................. 5 CHƢƠNG 4: TRANSISTOR QUANG HIỆU SUẤT CAO ĐƠN HẠT NANO ZNO ......................................................... 7 4.1. Đặt vấn đề ........................................................................ 7 4.2. Chế tạo linh kiện FET đơn hạt nano ZnO .................... 7 4.3. Đặc tính hoạt động của linh kiện ................................... 7 CHƢƠNG 5: LINH KIỆN PHÁT HIỆN QUANG HIỆU SUẤT CAO DÙNG VẬT LIỆU MÀNG 3 LỚP MoS2 ...... 10 5.1. Đặt vấn đề ...................................................................... 10 5.2. Vật liệu và chế tạo linh kiện phát hiện quang ba lớp MoS2 ...................................................................................... 10 5.3. Đặc tính hoạt động của linh kiện ................................. 11 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .......................... 13 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. (a) Cấu trúc tinh thể của ZnO, (b) Ba định hướng bề mặt khác nhau trong mạng ZnO .............................................. 2 Hình 1.2. Cấu trúc vùng năng lượng của MoS2 ở dạng khối (trái) và ở dạng màng (phải) ....................................................2 Hình 1.3. Transistor hiệu ứng trường dây nano ZnO .............. 3 Hình 1.4. Quá trình chế tạo MoS2 một lớp FET (a-c) và đặc tính dòng - áp của linh kiện (d, e) ............................................ 3 Hình 2.1. Ảnh SEM của bốn đầu dò vonfram của hệ thống điều khiển nano ........................................................................ 4 Hình 2.2. Cấu trúc hệ thống đo điện ........................................ 4 Hình 3.1. Ảnh mặt trên (a) và mặt dưới (b) của màng Si3N4. Ảnh SEM và 3D-TEM lỗ nano trên màng Si3N4 ....................... 5 Hình 3.2. Sự thay đổi mặt cắt tán xạ theo bước sóng của các lỗ nano Ag và Au có đường kính 145 nm và 170 nm ............... 5 Hình 3.3. Phân bố trường E xung quanh các lỗ nano Ag và Au ................................................................................................. 6 Hình 4.1. (a-c) Ảnh SEM khi điều khiển hạt nano ZnO (d) Cấu trúc linh kiện (e) Đặc tính dòng áp I-VD và đặc tính truyền dẫn của linh kiện ...................................................................... 7 Hình 4.2. (a-d) Sự phụ thuộc nhiệt độ vào đặc tính hoạt động của linh kiện FET đơn hạt nano ZnO....................................... 8 Hình 4.3. Khảo sát đặc tính hoạt động của linh kiện khi được chiếu sáng bởi nguồn UV-365 nm với cường độ sáng khác nhau ......................................................................................... 9 Hình 5.1. Ảnh TEM và Phổ năng lượng Raman hiển thị cấu trúc 3 lớp của màng MoS2 ..................................................... 10 Hình 5.2. Linh kiện MoS2 trên cấu trúc lỗ nano .................... 10 Hình 5.3. Đặc tính I-V của linh kiện ba lớp MoS2 trong tối và dưới tác động chiếu sáng ....................................................... 11 Hình 5.4. Phản ứng quang của linh kiện ba lớp MoS2 dưới tác động của nguồn LED 620 nm tại (a) Vb=1V và 2V, (b) Vb=- 5V và -10V.............................................................................. 12 Hình 5.5. Kết quả xác định thời gian tăng và giảm tại Vb=- 5V. .......................................................................................... 12 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 4.1. Kết quả phân tích thành phần nguyên tử của hạt cầu ZnO .................................................................................... 8 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VIẾT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT TẮT VLS Vapour Liquid Solid Bay hơi lỏng pha rắn SEM Scanning Electron Kính hiển vi điện tử Microscope quét TEM Tunneling Electron Kính hiển vi điện tử Microscope đường hầm FET Field Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường UV Ultraviolet Tia cực tím LED Light Emitting Diode Diode phát quang EDXS Energy Dispersive X-ray Phổ tán sắc năng Spectroscopy lượng tia X XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X PL Photoluminescence Huỳnh quang VIS Visible light Ánh sáng khả kiến 1D, 2D One Dimension, Two Một chiều, Hai Dimension chiều TMD Transition-metal Vật liệu lớp chuyển dichalcogenides tiếp kim loại LSPR Localized Surface Plasmon Cộng hưởng Resonance plasmon định xứ bề mặt SPP Surface Plasmon Polariton Phân cực plasmon bề mặt EQE External Quantum Hiệu suất lượng tử Efficiency, Photogain bên trong, Hệ số khuếch đại quang THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Đặc tính điện tử và quang điện tử của các linh kiện điện tử hiệu suất cao có cấu trúc nano - Mã số: B2018-ĐN06-11 - Chủ nhiệm: TS. Nguyễn Linh Nam - Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Thời gian thực hiện: 24 tháng, từ 8/2018 đến 7/2020 2. Mục tiêu: Thiết kế, chế tạo và khảo sát đặc tính các linh kiện điện tử dựa trên dựa trên màng nano MoS2, đơn hạt nano ZnO. Kết quả nghiên cứu sẽ làm nền tảng cho việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu bán dẫn màng nano MoS2, hạt nano ZnO để chế tạo linh kiện điện tử hiệu suất cao ứng dụng trong lĩnh vực điện tử và quang điện tử. 3. Tính mới và sáng tạo: Đề tài nghiên cứu thiết kế, chế tạo linh kiện điện tử dựa trên cấu trúc lỗ nano là đề tài mới. Cấu trúc linh kiện với kênh dẫn ngắn, đơn tinh thể, loại bỏ tán xạ hạt dẫn sẽ giúp các linh kiện điện tử dựa trên cấu trúc này có khả năng hoạt động với hiệu suất cao. 4. Kết quả nghiên cứu: Chế tạo thành công các linh kiện điện tử có cấu trúc nano dựa trên dựa trên màng nano MoS2, đơn hạt nano ZnO. Kết quả đo đạc và khảo sát cho thấy các linh kiện này hoạt động ổn định, có hiệu suất hoạt động cao. 5. Sản phẩm: Sản phẩm bài báo: Nhóm tác giả công bố 1 bài báo quốc tế thuộc danh mục tạp chí SCIE; 2 bài báo trong nước; 1 bài báo hội thảo quốc gia được tính điểm công trình khoa học trong danh mục tạp chí Hội đồng Giáo sư Nhà nước, cụ thể: - Bài báo tạp chí quốc tế: “Superior phototransistors based on a single ZnO nanoparticle with high mobility and ultrafast response time”, Linh-Nam Nguyen, Wen-Hao Chang, Chii-Dong Chen and Yann-Wen Lan, Nanoscale Horizons (SCIE, Q1, IF 2020: 9.927), No: 1, Pages: 82-88, Year: 2020. - Bài báo tạp chí trong nước: “High performance trilayer MoS2 photodetector”, Nguyễn Linh Nam, Journal of Science and Technology, Issue on Information and Communication Technology, Số: 18,Trang: 21; Năm: 2020. - Bài báo hội thảo quốc gia: “So sánh đặc tính quang của đơn lỗ nano bạc và vàng”, Phạm Thị Thảo Khương, Nguyễn Linh Nam, Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Quốc gia - ATiGB2019 lần thứ 5, Số: 5, Trang: 313, Năm: 2019. - Bài báo tạp chí trong nước: “Researching on fabrication and optical properties of a single Au nanohole”, Thien Q. Duong, Khuong T. T. Pham, Nam L. Nguyen, Journal of Science and Technology, The University of Danang; Vol 11;Page: 74-78;Year: 2018. Sản phẩm ứng dụng: 03 linh kiện điện tử nano hoạt động gồm 02 linh kiện điện tử dùng hạt nano ZnO và 01 linh kiện điện tử dùng vật liệu màng nano MoS2. 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Các kết quả nghiên cứu đạt được là cơ sở khoa học cho việc chế tạo các linh kiện điện tử hiệu suất cao ứng dụng vật liệu bán dẫn có cấu trúc nano. - Đề tài góp phần cung cấp nền tảng kỹ thuật công nghệ trong nghiên cứu đặc tính điện tử, quang điện tử của các loại vật liệu bán dẫn nano khác nhau. - Đề tài góp phần thúc đẩy việc nghiên cứu và triển khai ứng dụng vật liệu mới cũng như lĩnh vực điện tử. - Đề tài góp phần năng cao năng lực nghiên cứu thực tiễn cũng như trình độ chuyên môn cho các cán bộ tham gia, qua đó góp phần nâng cao chất lượng đào tạo. - Đề tài góp phần tăng cường hợp tác quốc tế trong nghiên cứu và công bố các bài báo trên các tạp chí uy tín quốc tế cho tổ chức chủ trì. 7. Hình ảnh minh họa: INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Electronic and optoelectronic properties of high- performance nanostructured electronic devices Code number: B2018-ĐN06-11 Coordinator: Linh-Nam Nguyen, PhD Implementing institution: University of Technology and Education Duration: 24 months (from 8/2018 to 7/2020) 2. Objective(s): Research on design, manufacture and measure the characteristics of nano-structured electronic devices based on few layered MoS2, single ZnO nanoparticle. 3. Creativeness and innovativeness: The research topic of designing and manufacturing electronic devices based on nanohole structure is a new topic. 4. Research results: Design and manufacture of nanostructured electronic devices based on few layered MoS2, single ZnO nanoparticle. 5. Products: 1 international article on the SCIE, 2 domestic articles, 1 national conference article, 3 nano electronic devices are fabricated and measured. 6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability: - The project contributes to provide technology platform for research and application of new nano materials as well as applied electronics. - This work contributes to improve practical research and strengthen in international cooperation in research and publishing articles in quality international journals. MỞ ĐẦU Hiện nay, vật liệu bán dẫn ZnO, MoS2 đang được nghiên cứu ngày càng nhiều do các tính chất độc đáo của nó. Ôxít kẽm (ZnO) với các tính chất điện và quang điện như độ rộng vùng cấm lớn (3.37 eV), năng lượng liên kết exiton cao tại nhiệt độ phòng (60 meV). Đặc biệt, khi vật liệu ZnO hình thành ở cấu trúc nano, nó sẽ thể hiện nhiều đặc tính lý hóa mới mà cũng vật liệu đó ở kích thước lớn hơn không thể hiện được. Một loại vật liệu bán dẫn khác có cấu trúc màng 2D gần đây cũng rất được quan tâm nghiên cứu, bên cạnh graphene, là molybdenum disulfide (MoS2) với rất nhiều công trình nghiên cứu được xuất bản trên các tạp chí khoa học có uy tín hàng đầu thế giới. MoS2 là vật liệu có cấu trúc lớp và là chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm trực tiếp với mức năng lượng 1.8eV. Với những tính chất đặc biệt này, MoS2 có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực điện tử và quang điện tử và là một vật liệu đặc biệt rất đáng được quan tâm nghiên cứu. Căn cứ vào điều kiện nghiên cứu của phòng thí nghiệm, cũng như khả năng phối hợp, hợp tác nghiên cứu với các cơ sở trong và ngoài nước, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu “Đặc tính điện tử và quang điện tử của các linh kiện điện tử hiệu suất cao có cấu trúc nano”. - Mục đích của đề tài: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và khảo sát đặc tính của các linh kiện điện tử có cấu trúc nano dựa trên dựa trên đơn tinh thể nano MoS2, đơn hạt nano ZnO. - Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chế tạo và đo đạc khảo sát đặc tính hoạt động của linh kiện điện tử dựa trên cấu trúc hạt nano ZnO và màng nano MoS2. - Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Linh kiện điện tử sử dụng đơn hạt nano ZnO và vật liệu màng mỏng MoS2. - Phƣơng pháp nghiên cứu: thực nghiệm, xử lý và phân tích dữ liệu. Trang 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Vật liệu ZnO 1.1.1. Cấu trúc lục giác Wurtzite Hình 1.1. (a) Cấu trúc tinh thể của ZnO, (b) Ba định hướng bề mặt khác nhau trong mạng ZnO. 1.1.2. Cấu trúc vùng năng lượng và đặc tính quang điện của ZnO Vật liệu ZnO có cấu trúc năng lượng vùng cấm trực tiếp, với độ rộng vùng cấm 3.37 eV ở nhiệt độ phòng. 1.2. Vật liệu MoS2 1.2.1. Cấu trúc tinh thể của MoS2 Molybdenum disulfide (MoS2) vật liệu bán dẫn có cấu trúc màng 2D tương tự như graphene trong đó nguyên tử Mo liên kết cộng hoá trị xen kẽ với hai nguyên tử S, mỗi lớp có độ dày 0.72nm và khoảng cách giữa các lớp là 0.65nm. 1.2.2. Cấu trúc vùng năng lượng và đặc tính quang điện của MoS2 Hình 1.2. Cấu trúc vùng năng lượng của MoS2 ở dạng khối (trái) và ở dạng màng (phải). Trang 2 1.3. Tổng quan một số kết quả nghiên cứu ứng dụng vật liệu ZnO và MoS2 cấu trúc nano trong lĩnh vực điện tử và quang điện tử 1.3.1. Một số ứng dụng của cấu trúc nano ZnO Vật liệu ZnO có cấu trúc màng được dùng làm kênh dẫn trong cấu trúc FET có hoạt động với ổn định hiệu suất cao: tỉ số đóng mở lớn, độ linh động hạn dẫn cao, điện áp hoạt động thấp (hình 1.3). Cũng đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng thành công các cấu trúc nano ZnO được trình bày, ví dụ như: máy phát DC nano, pin năng lượng mặt trời, điot phát quang Hình 1.3. Transistor hiệu ứng trường dây nano ZnO. 1.3.2. Một số ứng dụng của cấu trúc nano MoS2 Đặc tính bán dẫn với băng tần trực tiếp 1,8eV cùng với cấu trúc 2D làm cho vật liệu màng MoS2 có khả năng ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực điện tử và quang điện tử. Hình 1.4. Quá trình chế tạo MoS2 một lớp FET (a-c) và đặc tính dòng - áp của linh kiện (d, e). Trang 3 CHƢƠNG 2: NỀN TẢNG KỸ THUẬT 2.1. Kỹ thuật phân tích vật liệu Các kỹ thuật phân tích vật liệu gồm phân tích hình thái SEM, phân tích cấu trúc TEM, nhiễu xạ tia X, Raman, các kỹ thuật quang. 2.2. Kỹ thuật chế tạo linh kiện Linh kiện được chế tạo chủ yếu dựa trên kỹ thuật quang khắc, các kỹ thuật ăn mòn hóa học và vật lý rắn. 2.3. Kỹ thuật điều khiển nano Hình ảnh điều khiển nano thông qua các đầu dò quan sát từ SEM được hiển thị trong hình 2.1 với bốn đầu dò vonfram của hệ thống. Hình 2.1. Ảnh SEM của bốn đầu dò vonfram của hệ thống điều khiển nano. 2.4. Hệ thống đo điện tử Hệ thống đo được thực hiện bằng cách sử dụng PPMS, nơi các mẫu được đặt bên trong chân không. Hình 2.2. Cấu trúc hệ thống đo điện. Trang 4 CHƢƠNG 3: QUY TRÌNH CHẾ TẠO LỖ NANO TRÊN MÀNG SI3N4 VÀ ĐẶC TÍNH QUANG HỌC LỖ NANO KIM LOẠI 3.1. Quy trình chế tạo lỗ nano trên màng Si3N4 Quy trình chế tạo gồm 2 bước: đầu tiên, màng Si3N4 được chế tạo trên đế chip Si; tiếp theo là chế tạo lỗ nano trên màng Si3N4. Hình 3.1. Ảnh mặt trên (a) và mặt dưới (b) của màng Si3N4. Ảnh SEM và 3D-TEM lỗ nano trên màng Si3N4. 3.2. Nghiên cứu đặc tính quang của các lỗ nano kim loại Au và Ag Hình 3.2. Sự thay đổi mặt cắt tán xạ theo bước sóng của các lỗ nano Ag và Au có đường kính 145 nm và 170 nm. Hình 3.2 so sánh phổ tán xạ của các lỗ nano kim loại Ag và Au với đường kính 145 nm và 170 nm. Kết quả tính toán Trang 5 cho thấy, phổ tán xạ của cả hai kim loại Ag và Au đều thể hiện đỉnh cộng hưởng khi giá trị của mặt cắt tán xạ đạt đỉnh tại một bước sóng cố định của ánh sáng tới. Đây là biểu hiện của hiện tượng plasmon định sứ bề mặt. Như đã đề cập ở trên, plasmon bề mặt không chỉ mang lại trạng thái cực đại trong phổ tán xạ mà còn dẫn đến sự tăng cường điện trường xung quanh bề mặt lỗ nano ở bước sóng cộng hưởng. Kết quả được thể hiện trong hình 3.2 thể hiện: thứ nhất, các lưỡng cực điện trường xuất hiện xung quanh bề mặt của lỗ; thứ hai, sự gia tăng điện trường E, được xác định là E/E0 với E0 là cường độ trường tác động, đạt giá trị tối đa ở các cạnh của lỗ nano mà nguyên do dưới tác động của ánh sáng các điện tích có xu hướng tích lũy ở các vị trí cạnh; thứ ba, sự gia tăng trường E do plasmon bề mặt tăng theo đường kính của lỗ. Hình 3.3. Phân bố trường E xung quanh các lỗ nano Ag và Au. Trang 6 CHƢƠNG 4: TRANSISTOR QUANG HIỆU SUẤT CAO ĐƠN HẠT NANO ZNO 4.1. Đặt vấn đề Trong nghiên cứu này, để đánh giá độ linh động hạt dẫn của ZnO và khám phá những tính chất của các linh kiện đơn hạt nano ZnO, chúng tôi đã thiết kế, chế tạo và khảo sát các linh kiện này dựa trên cấu trúc FET. Các hạt nano được bao quanh bởi một điện cực cổng và kẹp giữa các điện cực trên/dưới để đo điện. 4.2. Chế tạo linh kiện FET đơn hạt nano ZnO Trong nghiên cứu này, các hạt nano có kịch thước 50 nm đến 100 nm có cấu trúc tinh thể rất cao được sử dụng làm thành phần chính cấu thành linh kiện. Cấu trúc linh kiện và quy trình chế tạo được minh họa trong hình 4.1. Hình 4.1. (a-c) Ảnh SEM khi điều khiển hạt nano ZnO (d) Cấu trúc linh kiện (e) Đặc tính dòng áp I-VD và đặc tính truyền dẫn của linh kiện. 4.3. Đặc tính hoạt động của linh kiện Kết quả đo cho thấy linh kiện hoặc động ổn định theo đặc tính FET loại n với hỗ dẫn đạt giá trị 2,56 μS. Độ linh động hạt dẫn là khoảng 273 ~ 569 cm2/Vs; cao hơn 1 ~ 2 hệ số so với FET dùng màng mỏng ZnO, tinh thể ZnO và các FET Trang 7 ZnO có cấu trúc 1D khác. Bảng 4.1 tóm tắt thông số kỹ thuật của linh kiện. Hình 4.2. (a-d) Sự phụ thuộc nhiệt độ vào đặc tính hoạt động của linh kiện FET đơn hạt nano ZnO. Sự phụ thuộc nhiệt độ vào hoạt động của linh kiện (hình 4.2) được đo đạc và khảo sát cho thấy đặc tính bán dẫn của linh kiện. R C g μ n Linh kiện G m (nm) (aF) (μS) (cm2/Vs) (cm-3) ZnO1 35 5~9 2.56 273~492 4.4~8.0 × 1017 ZnO2 40 6~11 2.7 310~569 3.7~6.8 × 1017 Bảng 4.1. Thông số hoạt động của các linh kiện FET đơn hạt nano ZnO. Để nghiên cứu ảnh hưởng độ linh động hạt dẫn cao tác động đến hiệu suất của linh kiện quang điện tử, phản ứng quang của linh kiện cũng được khảo sát, phân tích và báo cáo. Kết quả tìm được cho thấy linh kiện có hệ số EQE đạt đến 5,6 × 107 tại cường độ công suất sáng 0,42 mWcm-2. Độ nhạy R và hệ số chọn lọc D* đối với linh kiện hạt nano ZnO lần Trang 8 lượt là 1,39 × 106 AW-1 và 6,69 × 1012 Jones. Đặc tính đóng/mở của linh kiện đơn hạt ZnO được khảo sát và cho thấy linh kiện có phản ứng ổn định dưới tác động của nguồn sáng. Kết quả phân tích cho thấy thời gian lần lượt là 0,21 ms và 0,09 ms cho thời gian lên và 0,37 ms và 0,35 ms cho thời gian xuống tương ứng với cường độ ánh sáng 4.13 mW/cm2 and 8.39 mW/cm2. Hình 4.3. Khảo sát đặc tính hoạt động của linh kiện khi được chiếu sáng bởi nguồn UV-365 nm với cường độ sáng khác nhau. Trang 9 CHƢƠNG 5: LINH KIỆN PHÁT HIỆN QUANG HIỆU SUẤT CAO DÙNG VẬT LIỆU MÀNG 3 LỚP MoS2 5.1. Đặt vấn đề Trong nghiên cứu này, chúng tôi chế tạo và đo bộ phát hiện quang làm từ vật liệu lớp nguyên tử MoS2. Quá trình tổng hợp và phân tích đặc tính của vật liệu cũng như các bước chế tạo linh kiện được trình bày và thảo luận. Kết quả đo cho thấy bộ phát hiện quang ba lớp MoS2 dựa trên cấu trúc lỗ nano có hệ số khuếch đại quang cao và thời gian phản ứng nhanh. 5.2. Vật liệu và chế tạo linh kiện phát hiện quang ba lớp MoS2 Vật liệu lớp nguyên tử MoS2 qua hai bước ủ trong lò nung. Quan sát bằng kính hiển vi điện tử và phân tích cấu trúc vật liệu lớp bằng thiết bị đo phổ tán xạ không đàn hồi Raman chỉ rõ màng MoS2 này do 3 lớp MoS2 tạo thành. Hình 5.1. Ảnh TEM và Phổ năng Hình 5.2. Linh kiện MoS2 trên lượng Raman hiển thị cấu trúc 3 cấu trúc lỗ nano lớp của màng MoS2. Trang 10 Hình 5.2 minh họa cấu trúc hoàn chỉnh của linh kiện MoS2. Đặc tính điện tử của linh kiện sẽ được đo và khảo sát. 5.3. Đặc tính hoạt động của linh kiện Đặc tính I-V của linh kiện MoS2 được trình bày trong hình 5.3, có thể thấy rằng đặc tính I-V linh kiện ba lớp MoS2 có tiếp xúc Ohmic tốt. Kết quả khảo sát tác động của ánh sáng vào đặc tính I-V của linh kiện cho thấy dòng quang điện được tạo ra tăng theo cường độ chiếu sáng trong cả hai chế độ điện áp đặt âm và dương. Hình 5.3. Đặc tính I-V của linh kiện ba lớp MoS2 trong tối và dưới tác động chiếu sáng. Hai thông số quan trọng để đánh giá hiệu suất của các linh kiện quang điện tử, đó là độ nhạy quang học (R) và hệ số khuếch đại quang (G) có giá trị rất cao đạt đến tương ứng là 105 AW-1 và 105. Các thông số quang này cao hơn so với các linh kiện quang điện tử dựa trên vật liệu MoS2 đơn lớp đã từng được nghiên cứu và báo cáo. Ngoài ra, so với các thiết bị MoS2 đa lớp khác có độ nhạy quang học khoảng 50-120 -1 mAW thì linh kiện ba lớp MoS2 trong nghiên cứu này có hiệu suất cao hơn 5 ~ 6 hệ số. Phản ứng dưới tác động ánh sáng của linh kiện phát hiện quang ba lớp MoS2 cũng được nghiên cứu. Kết quả đo (hình 5.4) cho thấy rằng dòng quang chạy qua linh kiện MoS2 ba lớp phản ứng ngay lập tức dưới tác động của nguồn sáng khi Trang 11 nguồn bật và khi nguồn sáng tắt dòng quang điện sẽ nhanh chóng trở về mức ban đầu. Thời gian tăng và thời gian phục hồi cũng được xác định lần lượt là 27 ms và 3,8 ms (hình 5.5). Hình 5.4. Phản ứng quang của linh Hình 5.5. Kết quả xác định kiện ba lớp MoS2 dưới tác động của thời gian tăng và giảm tại nguồn LED 620 nm tại (a) Vb=1V và Vb=-5V. 2V, (b) Vb=-5V và -10V. Trang 12 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Đề tài đã nghiên cứu thành công và đạt được một số kết quả cơ bản như sau: - Thực hiện thành công quy trình chế tạo lỗ nano Al/Al2O3. Bên cạnh đó, các lỗ nano kim loại như Ag và Au được chế tạo và các tính chất quang học của lỗ nano kim loại cũng được nghiên cứu và báo cáo. - Các linh kiện FET đơn hạt nano ZnO với độ linh động hạt dẫn cao được nghiên cứu chế tạo thành công có độ nhạy và hệ số EQE cao đến 1,39 × 106 và 5,6 × 107, mà thời gian phản ứng cũng nhanh đạt 0,09 ms. - Các linh kiện phát hiện quang làm từ vật liệu lớp nguyên tử MoS2 cũng được chế tạo và khảo sát. Kết quả thực nghiệm cho thấy, dưới tác động của ánh sáng linh kiện có độ nhạy quang rất cao với thời gian phản ứng nhanh. Độ nhạy quang điện và hệ số khuếch đại quang đạt gần 105 A/W và 105. Thời gian phản hồi của linh kiện trong khoảng mili giây. Hƣớng phát triển đề tài - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thực nghiệm khảo sát hiệu ứng plasmon bề mặt của các cấu trúc nano kim loại tuần. Các cấu trúc nano kim loại tuấn hoàn có khả năng điều khiển bước sóng cũng như năng lượng sóng quang học, thể hiện hiệu ứng phân cực plasmon bề mặt (SPP) sẽ là cơ sở quan trọng để kết hợp quang học, kỹ thuật nano, công nghệ điện tử để tạo ra những thiết bị mới có tính ứng dụng trong thực tiễn. - Dựa trên cấu trúc linh kiện lỗ nano, chúng ta có thể mở rộng nghiên cứu nhiều loại vật liệu bán dẫn nano mới. Cấu trúc này đã chứng minh thông qua các kết quả nghiên cứu cho thấy linh kiện hoạt động với hiệu suất rất cao mở ra những ứng dụng đột phá về vật liệu bán dẫn mới trong lĩnh vực điện tử và quang điện tử. Trang 13