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研究生: 連德軒
Der-Hsien Lien
論文名稱: 單層奈米碳管薄膜之蕭基二極體及閃光效應研究
A Study of Single-Walled Carbon Nanotube Films in Schottky Diode and Flash Ignition Effect
指導教授: 徐文光
Wen-Kuang Hsu
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 69
中文關鍵詞: 奈米碳管光電流蕭基二極體蕭基光電二極體閃光燈
外文關鍵詞: carbon nanotube, photocurrent, Schottky diode, Schottky photodiode, flash
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  • 摘要

    在本論文的第一部分,我們研究波長為532 nm之綠光雷射照射在碳管薄膜和金屬間接面所產生的光電流;不同於文獻中奈米碳管的光電流研究,本實驗藉由微調平台控制光照射在不同位置,發現奈米碳管所產生光電流的大小及方向,會隨著綠光雷射照位置不同而有所改變,因此我們建立了兩個模型來解釋這個現象,並試著藉由低溫下的照光實驗以及量子效率量測來驗證模型的合理性。
    在第二部分中,我們研究照射閃光燈對於奈米碳管薄膜電性的影響,在本實驗中沒有觀察到文獻提到的燃燒以及光聲響現象,相反的,藉由電性量測以及電子顯微鏡下的觀察,發現奈米碳管照射閃光燈之後會有斷裂的現象;除此之外,我們在不同的氣體環境下將碳管薄膜照射閃光燈,也會觀察到其他不同於奈米碳管斷裂的現象。在實驗討論中,我們利用文獻中氣體吸附對奈米碳管電性的影響機制,以及並聯電阻的模型來解釋本實驗的結果。

    關於本論文的章節編排,第一章為文獻回顧,第二章是實驗動機,第三章討論碳管薄膜光電流的現象,第四章是閃光燈照射對於碳管薄膜電性的影響討論,第五章結論是論文最後的部份。


    Abstract

    We discover photo-current generation at SWNT-electrode contact at zero bias. The directions of this current can be controlled via focusing the laser bean (532 nm) on different position of the SWNTs film; meanwhile, current can be significantly amplified by a factor of 1.5 under bias voltage operation. Phenomenon resembles the conventional S-based Schottky diodes and underlying mechanism involves reduction of barrier height and widening of depletion region upon bias application.

    In addition, we have shown here that flashing of SWNT films in vacuum and air causes nanotube cutting and O2 desorption, followed by re-adsorption of O2. The cutting at Fe-defect entities is triggered via extra heat provided by photo-induced chemical reaction. Considerable amount of heat released by oxide and CO2 formations assists cutting process along tube circumference. Our systematical experiments consist of SWNT films flashed in vacuum, air and atmospheric N2 respectively, in conjunction with resistance measurements. The variation of film resistance with lighting shows stepwise profiles and similar effect is also present in treated SWNT film. In the end, we hope to establish possible models of the photo-generated current in SWNTs film and the flashing effect, furthermore, the rationalization of relevant mechanism has also been attempt.

    總目錄 中文摘要………………………………………………………......…...……I 英文摘要……………………………………………………....…..…..……II 總目錄…………………………………………………………...…....……III 圖目錄……………………………………….…………………......………VI 表目錄……………………………………………………………….......….X 第一章 文獻回顧…………………………..…………….….…..……1 1-1奈米碳管的電子結構及電性………………………………………….1 1-2奈米碳管的光電特性及文獻回顧…………………………………….2 1-3奈米碳管作為光電元件的應用…………………………….…………6 1-4 奈米碳管的氣體吸附特性……………………………….…………..9 1-5氧氣吸附的文獻回顧……………………………….………..……….9 1-6 奈米碳管的熱電性質應用………………………………………….13 1-7 奈米碳管在閃光燈照射下的反應………………………..…….…..14 1-8 本實驗單層碳管的合成方法:化學氣相沉積流動觸媒法……….15 第二章 實驗動機………………………………………..….……….16 第三章 單層奈米碳管薄膜之光電流實驗…………….……18 3-1 實驗設置、步驟……………………………………………………..18 3-1-1實驗儀器…………………………………………..………….18 3-1-2 奈米碳管薄膜元件的製作………………………….……….18 3-1-3 實驗設置……………………………………………………..20 3-1-4實驗步驟…………………………………………….………..21 3-2 實驗結果……………………………………………………….……23 3-2-1在A-B電極兩端加不同偏壓…………………….…….……23 3-2-2 小結論,改變偏壓在不同位置量測電流變化的整理表..…27 3-2-3在A-C電極兩端加不同偏壓………………………………..28 3-2-4 不加偏壓的量測結果………………………….…………….30 3-2-5 於液態氮中(77 K)的光電流實驗結果………….…….…….31 3-2-6量子效率的量測…………………………..…….……………31 3-3 結果與討論………………………………………………………….33 第四章 閃光燈照射碳管薄膜電性量測………………..……48 4-1 閃光燈照射單層奈米碳管薄膜之電性量測實驗設置、流程.……48 4-1-1實驗設置…………………………………………….…..……48 4-1-2 實驗流程…………………………………….…….…………48 4-1-3實驗步驟…………………………………………...…………49 4-2 四種不同環境下閃光燈照射前後的電性變化結果……...……..…50 4-2-1大氣環境的實驗………………………….………..…………50 4-2-2真空環境的實驗………………………….…….….…………50 4-2-3浸泡雙氧水的實驗………………………….….….…………52 4-2-4氮氣環境下的實驗………………………….….…….………52 4-3四種實驗的分析與討論………………………………..……………52 4-3-1大氣環境的實驗………………………………..….…………52 4-3-2真空環境的實驗………………………………..….…………55 4-3-3浸泡雙氧水的實驗……………………….…….….…………58 4-3-4氮氣環境下的實驗…………………….……….….…………59 4-3-5 碳管發生斷裂的機制……………………..…………………60 4-3-6 使用IR紅外線光譜儀分析浸泡過雙氧水的奈米碳管….…61 第五章 結論…………………………………………………...………64 參考資料…………………………………………..……………………66 圖目錄 圖1.1 奈米碳管的結構及結構電性影響示意圖…………….………….2 圖1.2 理想中塊材、量子井、量子線、量子點之能量與狀態密度間的關係……………………………..………..……….….…….……...4 圖1.3 (a)奈米碳管照射紅外光產生光電流或光電壓;(b)照射紫外光則會有電導下降的現象…………………….…………..…..….……6 圖1.4 奈米碳管場效電晶體的示意圖………………………….……….7 圖1.5 (a)加偏壓使碳管能帶結構彎曲,光能轉換成光電流,(b)另外光的極化方向會影響光電流的大小………………….…………….8 圖1.6 (a)奈米碳管在抽真空的過程會有電阻下降的效果,(b)且熱電係數也會由正值變成負值……………………………….…..…….10 圖1.7 氧氣對於CNT-FET導電特性的影響………….……...…….…..12 圖1.8 CNT-FET其導電特性中ambipolar的行為………….……….…..12 圖1.9 (a)熱電係數量測示意圖,(b)不同氣體的吸附對於奈米碳管的熱電係數造成的影響…………………………………….…….…..13 圖2.1 奈米碳管產生的光電流之第一個機制….……………………....16 圖2.1 奈米碳管產生的光電流之第二個機制….……………………....17 圖3.1 網狀碳管薄膜(as prepared SWNTs film)低倍率SEM影像.…....19 圖3.2 網狀碳管薄膜(as prepared SWNTs film)高倍率SEM影像.…....19 圖3.3 重製碳管薄膜(re-organized film)之低倍率SEM影像……...…..20 圖3.4 重製碳管薄膜(re-organized film)之高倍率SEM影像.………....20 圖3.5 碳管薄膜光電流實驗設置示意圖.……………………………....21 圖3.6實驗I、II、III的電路設置示意圖。圖3.6實驗I、II、III的電路設置示意圖………………………………………..………..…..22 圖3.7 (a) 以波長532 nm之綠光雷射,照射薄膜不同位置所得電流對時間變化之圖譜,其中,於A與B二電極處加0.5 mV之正偏壓(b) 光電流量測之電路示意圖……………………………...24 圖3.8 以波長532 nm之綠光雷射,照射薄膜不同位置所得電流對時間變化之圖譜,其中,於A與B二電極處加1 mV之正偏壓..25 圖3.9 (a) 以波長532 nm之雷射,照射薄膜不同位置所得電流對時間變化之圖譜,其中,於A與B二電極處加0.5 mV之負偏壓(b) 光電流量測之電路示意圖………………………………….…..26 圖3.10以波長532 nm之雷射,照射薄膜不同位置所得電流對時間變化之圖譜,其中,於A與C二電極處加0.5 mV之正偏壓..…..29 圖3.11 零偏壓下光電流量測的實驗結果及示意圖……………...……30 圖3.12 室溫以及低溫環境下光電流大小的比較………..………….....31 圖3.13 (a)兩種光在半導體中產生載子的途徑,(b)文獻上碳管薄膜對於不同波長的光的量子效率………………………………….…..33 圖3.14 鋅-奈米碳管接面的能帶結構圖………..…………………….34 圖3.15 傳統PN二極體作為光偵測器的能帶結構圖及其IV特性…...35 圖3.16 蕭基光電二極體產生光電流的兩個機制(a)光激發造成價帶和導帶分別形成電洞與電子,產生光電流;(b)光激發金屬中的電洞,使其跳過能障產生光電流;(c)光電二極體元件的符號及光電流產生的方向……………………………………….………..36 圖3.17 Model 1:將金屬-奈米碳管-金屬的兩個接面視為反方向的蕭基二極體,其中一個照光的元件會有光電流產生……….…..37 圖3.18 不同偏壓下,內建電場及內建電位和位置的關係圖………...39 圖3.19 偏壓下金屬-半導體-金屬能帶結構中電場和位置的關係圖,在相同偏壓下P型和N型半導體內部感受到的正偏或是逆偏是相反的……………………………………………………...41 圖3.20 模型1和模型2蕭基能障變化的比較,相較於模型1,模型2多考慮了氧化層的存在………………………………………...42 圖3.21 CASE 1的情況:照光在加正偏壓的金屬-碳管接面上,此處碳管能帶結構彎曲較大…………………………….…………...45 圖3.22 CASE 2的情況:照光在加負偏壓的金屬-碳管接面上,此處碳管能帶結構彎曲較小……………………………….…….…..46 圖4.1 大氣底下使用閃光燈照射碳管薄膜的電阻變化……….…..…..50 圖4.2在真空環境下使用閃光燈照射碳管薄膜的電阻變化…………..51 圖4.3雙氧水處理過後的碳管薄膜,在大氣環境下照射閃光燈的電阻變化…………………………………………………………..…..51 圖4.4 氮氣環境下照射碳管薄膜的電阻變化…..……………...………52 圖4.5 比較閃光燈照射(a)兩次、(b)四次、(c)六次及(d)八次的碳管薄膜SEM影像…………………..………………………….…………54 圖4.6 碳管薄膜於閃光燈照射過後局部放大的SEM影像……….…..54 圖4.7並聯電阻中各電阻分別斷裂後的有效電阻示意圖……………..55 圖4.8 將圖5-2局部放大之示意圖……………………………………..56 圖4.9 六連環結構中心點間距為2.46 Å,氧氣分子太大無法吸附在兩個相連的六連環上…………………………………………..…..57 圖4.10 (a)不同氣體對於碳管電阻的影響[17],(b)是氧氣以及氮氣環境下照射閃光燈的電阻變化放大圖……………………………..…..59 圖4.11 奈米碳管會從缺陷處開始斷裂,斷裂方向是沿徑向………...61 圖4.12 經過雙氧水處理的碳管和未經處理碳管之紅外線光譜比較...62 圖4.13 不同浸泡時間的碳管薄膜之紅外線光譜比較………………...63 表目錄 表3-1 不同偏壓下,照光在不同位置造成的電流變化……………….28 表3-2 將表3.1兩個實驗中量測電流的方向變成一致之整理表…..…28 表3-3 綠光雷射照在碳管薄膜不同位置造成的電流變化………….…29

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