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研究生： 黎展志
Li, Jhan-Jhih
論文名稱： 以氧氣電漿蝕刻的鑽石奈米管之電性研究
Electrical Properties of Diamond Nanotube Fabricated by Oxygen Plasma Etching
指導教授： 黃振昌
Hwang, J.
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： 2009
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 62
中文關鍵詞： 鑽石 、奈米管 、反應性離子蝕刻 、電阻 、電性
外文關鍵詞： diamond, nanotube, reactive ion etching, resistor, electrical property
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    • 本研究利用氧氣電漿來蝕刻P-型多晶鑽石膜，製作出鑽石奈米管林，刮下長度約8微米之鑽石奈米管後，使用聚焦離子束系統內的離子誘發式白金，噴灑蒸鍍在奈米鑽石管的兩端，再鍍上白金來連接鑽石奈米管與白金導電墊。其中，白金與鑽石的接點是歐姆接觸。經過兩點探針的電性量測方式得到的鑽石奈米管電阻率，其值小於P-型多晶鑽石膜的值三個數量級，而且鑽石奈米管的電阻率與直徑大小相關，透過不同溫度下的電流─電壓曲線圖而得知，兩個不同數值的激發能存在於鑽石奈米管內，其中之一是由塊材(載子受體能階)所貢獻，另一個則由表面(載子捕捉能階)所貢獻。

    總目錄 中文摘要 I Abstract II 總目錄 III 圖表目錄 VI 第一章 緒論 1 1-1 研究動機 1 1-2 論文架構 2 第二章 文獻回顧 3 2-1 常見的一維奈米結構之材料的製程與研究 3 2-1.1 奈米碳管（carbon nanotube） 3 2-1.2 矽（Silicon）奈米線 4 2-1.3 氧化鋅（Zinc Oxide）奈米線 4 2-1.4 氮化鎵（Gallium Nitride）奈米線 5 2-2 鑽石的性質及應用 5 2-2.1 鑽石的結構 5 2-2.2 鑽石的特性 6 2-2.3 鑽石的應用 6 2-3 一維奈米結構的鑽石之相關研究 7 2-3.1 反應性離子蝕刻(RIE) 7 2-3.2 電漿輔助式化學氣相沉積(PECVD) 8 2-3.3 一維奈米結構的鑽石之場發性質 9 第三章 實驗系統與分析技術簡介 17 3-1 電漿蝕刻實驗設備 17 3-1.1 氣體供應系統 17 3-1.2 真空腔體 17 3-1.3 抽氣裝置 18 3-1.4 電源供應系統 18 3-2 聚焦離子束設備 19 3-2.1 聚焦離子束原理 19 3-2.2 聚焦離子束沉積金屬原理 19 3-3 升溫電性量測系統 20 3-4 分析技術簡介 20 3-4.1 場發射掃描式電子顯微鏡(FESEM) 20 3-4.2 高解析度穿透式電子顯微鏡(HRTEM) 21 3-4.3 拉曼光譜分析儀(Raman Scattering Spectrometer) 22 3-4.4 X光繞射儀(XRD) 23 3-4.5 霍爾效應分析儀(Hall Effect Measurement System) 23 第四章 實驗原理與流程 29 4-1 實驗原理 29 4-2 實驗流程 29 第五章 實驗結果與討論 34 5-1 多晶鑽石薄膜試片的品質與特性 34 5-2 以氧氣電漿蝕刻而成的鑽石奈米管 35 5-2.1 SEM分析 36 5-2.2 Raman光譜分析 36 5-2.3 TEM分析 37 5-3 鑽石奈米管的電性分析與討論 37 5-3.1 Pt/diamond 歐姆接點 37 5-3.2 鑽石奈米管的電性分析 38 5-3.3 電傳導機制 39 第六章 結論 57 第七章 參考文獻 59   圖表目錄 圖2-1 FIB技術製做奈米碳管之四點電極的SEM影像 [3] 10 圖2-2 (a) 矽奈米線的FET元件示意圖；(b) 矽奈米線的FET元件之SEM影像 [11] 10 圖2-3 (a) ZnO奈米線排列的SEM影像；(b) GaN奈密管排列的SEM影像 [17] 10 表2-1 鑽石與其他常見半導體材料之電性比較 [19-23] 11 圖2-4 鑽石晶體模型 [19] 11 圖2-5 (a) 經氧氣電漿蝕刻過後的多晶鑽石膜之SEM影像；(b) 參雜硼的多晶鑽石膜蝕刻前(□)蝕刻後(◆)的場發特性圖 [31] 12 圖2-6 垂直於基板的鑽石奈米鬚之SEM影像：(a)側視圖； 12 圖2-8 電漿蝕刻前後SEM影像：(a)奈米晶鑽石薄膜；(b)低密度的鑽石奈米角錐；(c) 高密度的鑽石奈米角錐；(d) 單晶鑽石角錐 [35] 13 圖2-9 電漿蝕刻前後SEM影像：(a)未蝕刻鑽石薄膜；(b)氫氣電漿蝕刻過後鑽石奈米角錐的陣列圖；甲烷和氫氣之混和電漿蝕刻出不同的角錐密度：(c) 2 x 108； (d) 1 x 107； (e) 2 x 106 [36] 14 圖2-10 鑽石奈米柱的SEM影像：(a)側視圖；(b)頂視圖。(c) 鑽石奈米柱的製作流程示意圖 [37] 14 圖2-11 不同形狀之鑽石奈米柱的SEM影像：(a)三角形之鑽石奈米柱的頂視圖；(b) 三角形之鑽石奈米柱的側視圖；(c) 正方形之鑽石奈米柱的頂視圖。(d) 鑽石奈米柱的製作流程示意圖 [38] 15 圖2-12 (a)在多晶鑽石試片上的鑽石奈米管之SEM影像；(b)鑽石奈米管的SEM影像；(c)圖(d)的選區電子繞射圖，晶軸方向[011] ；(d)鑽石奈米管的TEM影像 [39] 15 圖2-13 鑽石奈米針尖的SEM影像，成長於：(a)125℃；(b)200℃；(c)350℃。(d)鑽石奈米針尖的TEM影像；(e)鑽石奈米針尖不同位置的電子繞射圖 [40] 16 圖3-1 CCP裝置示意圖 24 圖3-2 FIB工作原理示意圖 25 圖3-3 FIB沉積金屬原理示意圖 25 圖3-4升溫電性量測系統示意圖 26 圖3-5 SEM工作原理示意圖 27 圖3-6 Raman工作原理示意圖 28 圖3-7霍爾效應原理示意圖 28 圖4-1 實驗流程圖 33 表5-1 氧氣電漿蝕刻製程參數表 35 圖5-1 Thermal CVD多晶鑽石膜之Raman光譜分析圖 42 圖5-2 MWCVD多晶鑽石膜之Raman光譜分析圖 43 圖5-3 MWCVD多晶鑽石膜之XRD繞射圖 43 圖5-4多晶鑽石膜經氧氣電漿蝕刻3 hr後之SEM圖：(a)、(b)為側視圖；(c)、(d)為頂視圖 44 圖5-5多晶鑽石膜經氧氣電漿蝕刻3 hr後之Raman光譜分析圖 44 圖5-6多晶鑽石膜經氧氣電漿蝕刻6 hr後之SEM圖：(a)、(b)為側視圖；(c)、(d)為頂視圖 45 圖5-7多晶鑽石膜經氧氣電漿蝕刻6 hr後之Raman光譜分析圖 45 圖5-8 多晶鑽石膜經氧氣電漿蝕刻9 hr後之SEM圖：(a)、(b)為側視圖；(c)、(d)為頂視圖 46 圖5-9多晶鑽石膜經氧氣電漿蝕刻9 hr後之Raman光譜分析圖 46 圖5-10多晶鑽石膜經氧氣電漿蝕刻前後之Raman光譜分析比較圖 47 圖5-11 (a)鑽石奈米管的明場TEM影像；(b)和(c)分別為鑽石奈米管中間與頂端的選區電子繞射圖，鑽石的{111} and {220}面以兩個繞射環的形式出現在電子繞射圖中 47 圖5-12使用FIB於鑽石奈米管兩端沉積白金之SEM影像，圖中鑽石奈米管中間圈選區為Auger分析儀之電子束聚焦處 48 圖5-13 圖5-11圈選區的Auger分析圖 48 圖5-14 鑽石奈米管斷裂之SEM影像 48 圖5-15單根鑽石奈米管跨越於兩個圖案畫的白金墊之間的間隙上之SEM影像：(a) 使用FIB沉積二氧化矽覆蓋層之前；(b) 使用FIB沉積二氧化碳覆蓋層於鑽石奈米管上之後 49 圖5-16 FIB接點與電極結構示意圖 50 圖5-17 鑽石奈米管A (外徑：386nm)於室溫下的I-V cuvre 51 圖5-18鑽石奈米管B (外徑：465nm)於室溫下的I-V cuvre 51 圖5-19 單一SiO2覆蓋層之SEM影像 52 圖5-20 SiO2覆蓋層於室溫下的I-V cuvre 52 圖5-21鑽石奈米管A (外徑：386nm)於不同溫度下的I-V cuvre 53 圖5-22鑽石奈米管B (外徑：465nm)於不同溫度下的I-V cuvre 53 圖5-23鑽石奈米管A (外徑：386nm)的電阻率與溫度關係圖 54 圖5-24鑽石奈米管B (外徑：465nm)的電阻率與溫度關係圖 54 圖5-25鑽石奈米管A (外徑：386nm)的lnσ與 1000/T關係圖 55 圖5-26鑽石奈米管B (外徑：465nm) 的lnσ與 1000/T關係圖 55 表5-2 不同直徑大小的鑽石奈米管之相關物理尺度與電性參數 56

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