Tải bản đầy đủ - 53 (trang)
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Tải bản đầy đủ - 53trang

Hình 2.1.



Nguyên lý hoạt động của quá trình phún xạ



Cơ chế của quá trình phún xạ có thể được mô tả như sau: Các ion năng lượng

cao bắn phá lên bề mặt bia làm xảy ra quá trình va chạm giữa các nguyên tử của vật

liệu nguồn (trên bề mặt hay trong lòng khối vật liệu). Các nguyên tử tiếp tục va chạm

cho đến khi chúng có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết mạng tinh thể thì thoát

ra khỏi bề mặt của bia. Sự va chạm của các nguyên tử phụ thuộc rất nhiều vào năng

lượng của ion bắn phá do đó có thể mô tả quá trình phún xạ theo ba cơ chế sau như

trên hình 2.2:

a.



Năng lượng ion thấp : E ≅ Eb - (bonding energy).



Sự va chạm chỉ xảy ra ở những lớp nguyên tử trên bề mặt bia , vì sự va chạm

này giữa các nguyên tử rất yếu nên chỉ có một số lượng nhỏ các nguyên tử thoát ra

khỏi bia . Cơ chế phún xạ trong trường hợp này được gọi là cơ chế “ bóc một nguyên

tử “ với tốc độ phún xạ nhỏ

b.



Năng lượng ion trung bình : E > Eb.



Do năng lượng ion tới bắn phá lớn nên các nguyên tử trong cùng một lớp dao

động mạnh và số các nguyên tử có thể thoát ra khỏi bia đã tăng lên so với trước.

Trường hợp này được gọi là cơ chế “bóc lớp nguyên tử “

c.



Năng lượng ion cao : E >> Eb.



25



Nhờ sự va chạm rất mạnh của các lớp nguyên tử bề mặt và các lớp nguyên tử

bên trong nên một số lượng lớn các nguyên tử có thể thoát ra khỏi bia. Trường hợp này

được gọi là cơ chế “ bóc cụm “ với tốc độ phún xạ lớn.



Hình 2.2.



Sơ đồ mô tả a)Cơ chế bóc một nguyên tử, b)Cơ chế bóc lớp nguyê tử,

c)Cơ chế bóc cụm



2.4 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc

2.4.1 Nghiên cứu cấu trúc vi mô bằng kính hiển vi

2.4.1.1 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)

Kính hiển vi lực nguyên tử cho phép ta quan sát cấu trúc vi mô của bề mặt vật

rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử (lực Van der waals) giữa một

đầu nhọn của mũi dò với bề mặt mẫu. Có thể dùng kính hiển vi lực nguyên tử để khảo

sát những mẫu rất mỏng, bởi vì ảnh được tạo ra chủ yếu là do lực nguyên tử của lớp

ngoài cùng là chính.



26



Hình 2.3.



Sơ đồ giải thích nguyên lý hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử



Bộ phận chính của kính hiển vi lực nguyên tử là một mũi nhọn (đầu tip) thường

được làm bằng Si hay SiN được gắn trên thanh rung (cantilever). Bán kính của đầu tip

thường nhỏ hơn 400 Å. Khi mũi nhọn quét gần bế mặt mẫu, sẽ xuất hiện lực Van der

waals giữa các nguyên tử tại bề mặt mẫu và nguyên tử tại đầu mũi nhọn (lực nguyên

tử) làm rung thanh cantilever. Lực này phụ thuộc vào khoảng cách giữa đầu mũi dò và

bề mặt của mẫu. Dao động của thanh rung do lực tương tác được ghi lại nhờ một tia

laser chiếu qua bề mặt của thanh rung, dao động của thanh rung làm thay đổi góc lệch

của tia laser và được đầu dò (detector) ghi lại. Việc ghi lại lực tương tác trong quá

trình thanh rung quét trên bề mặt sẽ cho hình ảnh cấu trúc bề mặt của mẫu vật.

Kính hiển vi lực nguyên tử có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau, nhưng

có thể chia thành các nhóm chế độ: Chế độ tĩnh (Contact mode), chế độ động (Noncontact mode) hoặc chế độ đánh dấu (Tapping mode).

Chế độ tiếp xúc (chế độ tĩnh) : là chế độ mà khoảng cách giữa đầu mũi dò và bề

mặt mẫu được giữ không đổi trong quá trình quét, tín hiệu phản hồi từ tia laser sẽ là tín

27



hiệu tĩnh. Ở khoảng cách này, lực hút sẽ trở nên mạnh và cantilever bị kéo lại rất gần

bề mặt (gần như tiếp xúc). Tuy nhiên, bộ điều khiển phản hồi sẽ điều chỉnh để khoảng

cách giữa mũi và bề mặt là không đổi trong suốt quá trình quét.

Chế độ không tiếp xúc (chế độ động): là chế độ mà cantilever bị kích thích bởi

ngoại lực, dao động với tần số gần với tần số dao động riêng của nó. Tần số, biên độ

và pha của dao động sẽ bị ảnh hưởng bởi tương tác giữa mẫu và mũi dò, do đó sẽ có

thêm nhiều thông tin về mẫu được biến điệu trong tín hiệu. Chế độ không tiếp xúc là

kỹ thuật tạo ảnh độ phân giải cao đầu tiên được thực hiện trên AFM trong môi trường

chân không cao.

Tapping mode thực chất là một cải tiến của chế độ động không tiếp xúc. Trong

chế độ này, cantilever được rung trực tiếp bằng bộ dao động áp điện gắn trên

cantilever với biên độ lớn tới 100-200 nm, và tần số rất gần với tần số dao động riêng

[51, 52, 53].

Thiết bị kính hiển vi lực nguyên tử được sử dụng trong luận văn của hãng NTMDT (Nga ) đặt tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ micro-nano, Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN. Hệ này có độ phân giải theo phương ngang trên bề mặt mẫu là 0.1 nm, độ

phân giải theo phương vuông góc với bề mặt mẫu là 0.01 nm và độ phóng đại của ảnh

có thể điều chỉnh từ vài nghìn đến hàng triệu lần.

2.4.1.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Kính hiển vi điện tử quét là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với

độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét

trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và

phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu.

Các chùm điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt

hay phát xạ trường, …), sau đó được tăng tốc. Tuy nhiên, thế tăng tốc của SEM

thường chỉ từ 10 kV đến 50 kV vì sự hạn chế của thấu kính từ, việc hội tụ các chùm

điện tử có bước sóng quá nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ sẽ rất khó khăn. Điện tử

được phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Å đến vài

nm) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh

điện.

28



Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, mà

kích thước của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chính vì thế mà SEM không

thể đạt được độ phân giải tốt như TEM. Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc

vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử.



Hình 2.4.



Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét



Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh

trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các bức xạ

này.

Các bức xạ chủ yếu gồm:

- Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): Đây là chế độ ghi ảnh thông dụng nhất của

kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn

50 eV) được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì chúng có năng lượng thấp

nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu với độ sâu chỉ vài nm, do vậy chúng

tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu.

- Điện tử tán xạ ngược (Back scattered electrons): Điện tử tán xạ ngược là chùm

điện tử ban đầu khi tương tác với bề mặt mẫu bị bật ngược trở lại, do đó chúng thường

có năng lượng cao. Sự tán xạ này phụ thuộc rất nhiều vào vào thành phần hóa học ở bề

29



mặt mẫu, do đó ảnh điện tử tán xạ ngược rất hữu ích cho phân tích về độ tương phản

thành phần hóa học. Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược có thể dùng để ghi nhận ảnh nhiễu

xạ điện tử tán xạ ngược, giúp cho việc phân tích cấu trúc tinh thể (chế độ phân cực

điện tử) [54, 63].

Các ảnh SEM sử dụng trong luận văn được chụp từ kính hiển vi điện tử quét có độ

phân giải cao FE-SEM Hitachi S-4800 (Nhật Bản) đặt tại Viện Khoa học Vật liệu,

Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

2.4.2 Nghiên cứu cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X (XRD)

XRD (X-Ray Difraction) hay còn gọi là nhiễu xạ tia X là thiết bị sử dụng phổ

nhiễu xạ tia X để xác định thành phần cấu trúc, pha tinh thể hay xác định gần đúng

kích thước hạt tinh thể.

Bước sóng đặc trưng của tia X thường nằm trong khoảng 1Å (ví dụ của đồng là

1.5406 Å). Bước sóng này nhỏ hơn hoặc cùng thứ bậc với khoảng cách giữa các mặt

mạng tinh thể, cho nên khi chiếu một chùm tia X song song hẹp, đơn sắc vào bề mặt

mẫu chúng ta sẽ nhận được hình ảnh nhiễu xạ của tia X với mặt mạng tinh thể. Bằng

cách sử dụng mẫu và đầu thu được quay trên đường tròn đồng tâm để ghi lại cường độ

chùm tia phản xạ và phổ nhiễu xạ bậc 1 (n = 1). Phổ nhiễu xạ sẽ là sự phụ thuộc của

cường độ nhiễu xạ vào 2 lần góc nhiễu xạ (2θ). Đối với các mẫu màng mỏng, cách

thức thực hiện có một chút khác, người ta chiếu tia X tới dưới góc rất hẹp (để tăng

chiều dài tia X tương tác với màng mỏng, giữ cố định mẫu và chỉ quay đầu thu (xem

hình 2.7).



Hình 2.5.



Nguyên lý của nhiễu xạ tia X

30



Công thức cơ bản sử dụng trong nhiễu xạ tia X là phương trình Bragg, phương

trình này mô tả định luật nhiễu xạ tia X (xem hình 2.8).



2 d hkl sin θ = n λ



(2.1)



trong đó:

dhkl là khoảng cách giữa hai mặt mạng liền kề ( với chỉ số (hkl) đặc trưng cho

đối xứng mạng )

θ là góc nhiễu xạ

λ là bước sóng tia X sử dụng

n =1, 2, 3,… là bậc nhiễu xạ

Thông thường trong thực nghiệm chỉ nhận được nhiễu xạ bậc một ứng với n = 1.

Vì với bậc nhiễu xạ lớn hơn thì tín hiệu rất yếu.



Hình 2.6.



Hiện tượng nhiễu xạ tia X trên mặt mạng tinh thể



Phương trình Bragg là phương trình cơ bản để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh

thể. Mỗi một tinh thể được tạo bởi một chất nào đó đều có hằng số mạng và kiểu đối

xứng riêng và do đó cũng có một giản đồ nhiễu xạ đặc trưng cho chất đấy. Ngược lại,

khi có giản đồ nhiễu xạ chúng ta cũng có thể suy ngược ra dạng tinh thể của nó. Dựa

vào nguyên tắc trên, có thể có 2 cách tiếp cận để phân tích giản đồ nhiễu xạ.

-Lý thuyết: Từ vị trí các đỉnh nhiễu xạ có thể xác định được hằng số mạng và

các kiểu đối xứng của nó thông qua định luật Bragg và các phép tính toán khác. Như

vậy về mặt nguyên tắc, khi đã biết những thông tin đó, chúng ta có thể tái hiện lại

“hình ảnh” của tinh thể. Đối chiếu với các tinh thể trong tự nhiên chúng ta sẽ biết tinh

thể đó là gì

31



- Thực nghiệm: Bằng thực nghiệm trên các mẫu chuẩn, chúng ta có thể xây

dựng giản đồ nhiễu xạ cho các mẫu này. Khi có giản đồ nhiễu xạ của một chất mà ta

chưa biết thì ta chỉ việc so sánh nó với thư viện phổ chuẩn, nếu trùng với chất chuẩn

thì tinh thể của chất cần tìm sẽ cùng loại với tinh thể có trong thư viện phổ chuẩn.

Đối với hầu hết các vật liệu với chiều dày nhỏ (<1μm) và các màng đa lớp thì

việc thực hiện phép đo gặp nhiều khó khăn do tín hiệu yếu và ảnh hưởng của vật liệu

đế. Để khắc phục vấn đề này các phép đo thường được thực hiện với góc tia tới nhỏ.

Bằng cách sử dụng giản đồ phổ nhiễu xạ ta có thể tính gần đúng kích thước hạt

tinh thể dựa theo công thức Sherrer:



τg =



0.9λ

β . cos θ



(2.2)



trong đó:

τg : là kích thước hạt tinh thể

β : là độ bán rộng phổ ( tính theo radian ) của đỉnh nhiễu xạ

θ : là góc nhiễu xạ tia X

λ : là bước sóng tia X sử dụng

Từ công thức trên ta thấy nếu phổ nhiễu xạ có độ bán rộng càng lớn thì kích

thước của hạt tinh thể càng nhỏ và ngược lại [55, 58, 60, 61].

Các phép đo thực nghiệm nhiễu xạ tia X đối với màng mỏng được nghiên cứu

trong luận văn này được tiến hành trên máy XRD D8 Advance-Bruker (Đức) đặt tại

Phòng Thí nghiệm Công nghệ micro-nano, Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN.

2.5 Nghiên cứu tính chất từ bằng từ kế mẫu rung (VSM)

Từ kế mẫu rung là thiết bị phổ biến dùng để đo từ độ và các tính chất từ khác

như từ độ bão hòa, độ từ dư, lực kháng từ, ... Từ kế mẫu rung hoạt động theo nguyên

tắc cảm ứng điện từ, đo mômen từ của mẫu cần đo dưới tác dụng của từ trường ngoài

[56, 62].

Mẫu đo được gắn vào một thanh rung không có từ tính, và được đặt vào một

vùng từ trường đều tạo bởi hai cực của nam châm điện. Khi ta rung mẫu với một tần số

32



nhất định, từ thông xuyên qua cuộn dây thu tín hiệu sẽ biến thiên và sinh ra suất điện

động cảm ứng V, có giá trị tỉ lệ thuận với độ từ hoá M của mẫu theo quy luật:



V ∝ 4.π .n.S m .M



(2.3)



trong đó: M là mômen từ (độ từ hoá) của mẫu đo

Sm là tiết diện vòng dây, n là số vòng dây của cuộn dây thu tín hiệu

Trong các từ kế phổ thông, người ta sử dụng 2 cuộn dây thu tín hiệu đối xứng

nhau, gọi là cặp cuộn dây pick-up (pick-up coil), là hệ 2 cuộn dây đối xứng nhau, cuốn

ngược chiều trên lõi là một vật liệu từ mềm. Ngoài ra, để tăng độ nhạy cho từ kế,

người ta có thể thay cuộn dây thu tín hiệu bằng thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu dẫn

(superconducting quantum interference device - SQUID), là một tiếp xúc chui hầm

Josephson có thể đo các lượng tử từ thông, do đó độ nhạy của thiết bị được tăng lên rất

nhiều. Với cuộn dây thu này, ta có từ kế SQUID, thường hoạt động ở nhiệt độ thấp (vì

hiện nay chỉ có các vật liệu siêu dẫn đạt trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ thấp).

Trong đo đạc bằng từ kế, ngưòi ta thường dùng đơn vị của mômen từ là emu

hay μemu (1emu=1Am2/1000). Độ mạnh của từ kế được quyết định bởi 3 yếu tố: từ

trường cực đại của cuộn nam châm điện , độ nhạy của từ kế và dải nhiệt độ hoạt động.



Hình 2.7.



Sơ đồ nguyên lý hoạt động từ kế mẫu rung



Nam châm điện trong từ kế là một bộ phận rất quan trọng để tạo ra từ trường từ

hóa vật liệu cần đo. Nếu nam châm điện là cuộn dây tạo từ trường bằng dòng điện một

33



chiều ổn định, thì từ trường tạo ra là một chiều ổn định, nhưng thường không lớn, do

bị hạn chế bởi từ độ bão hòa của lõi thép và cuộn dây một chiều không thể cho dòng

điện lớn chạy qua (sẽ tỏa rất nhiều nhiệt). Loại nam châm kiểu này chỉ sử dụng từ

trường cực đại cỡ 3 Tesla.

Người ta có thể tạo ra từ trường lớn bằng cách sử dụng từ trường xung, tức là

dùng một dòng điện cực lớn dạng xung phóng qua cuộn dây, để tạo ra từ trường lớn có

thể tới hàng chục Tesla, trong một thời gian cực ngắn. Tuy vậy, hạn chế của cách này

là vì thời gian của từ trường ngắn cỡ μs đến ms nên phải có cách ghi tín hiệu khác vì từ

trường quá ngắn có thể ảnh hưởng đến khả năng cảm ứng của vật liệu trong từ trường

ngoài.

Cuộn dây siêu dẫn cũng là một cách tạo từ trường một chiều lớn và ổn định.

Người ta sử dụng những cuộn dây siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ thấp để tạo ra từ

trường cực lớn ổn định. Hạn chế của cách này là cuộn dây phải hoạt động ở nhiệt độ

thấp nên chi phí hoạt động thường cao. Cuộn dây siêu dẫn thường sử dụng trong từ kế

SQUID.

Độ nhạy của từ kế được quyết định bởi cách thức thu tín hiệu cảm ứng. Có hai

cách thông dụng đang sử dụng phổ biến hiện nay:

- Cuộn dây pick-up trong từ kế kiểu flux-gate: Loại từ kế này có thể cho độ

nhạy không quá 10-8 emu, nhưng ưu điểm là không cần môi trường hoạt

động đặc biệt, sử dụng đơn giản và rất rẻ tiền (thông dụng nhất).

- Từ kế SQUID: SQUID là từ viết tắt của Superconducting Quantum

Inteference Device - Thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu dẫn. Do cấu trúc

SQUID được làm từ chất siêu dẫn nên có thể đo dòng điện rất nhỏ (có thể

đến dưới 10-12A) hoặc có thể đo được một lượng tử từ thông (từ thông nhỏ

nhất), và được sử dụng trong từ kế độ nhạy cao. Độ nhạy của từ kế SQUID

có thể đạt tới 10-9 emu, thậm chí tới 10-12 emu.

Từ kế mẫu rung có thể hoạt động được ở nhiều dãi nhiệt độ khác nhau tùy vào

điều kiện về thiết bị. Để đo ở nhiệt độ cao có thể dùng lò đốt hoặc đốt nóng các khí

thổi. Để đo ở nhiệt độ thấp ta có thể dung khí hóa lỏng như N2, He, …



34



Phép đo từ trong luận văn được thực hiện trên máy VSM LakeShore 7404 đặt

tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ micro-nano, Đại học Công nghệ - ĐHQGHN. Các

đường cong từ hóa và từ trễ được thực hiện trong từ trường lên đến 10 kOe. Mômen từ

của mẫu được đo theo hai phương song song và vuông góc với mặt phẳng mẫu.



35



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Tải bản đầy đủ ngay(53 tr)

×