圓柱形及六角形氧化鋅奈米線的製備與基本性質比較

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研究生：	李昕宇
論文名稱：	圓柱形及六角形氧化鋅奈米線的製備與基本性質比較 Synthesis and Fundamental Properties comparison of Circular-shaped and Hexagonal-shaped ZnO nanowires
指導教授：	開執中陳福榮
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	原子科學院 - 工程與系統科學系 Department of Engineering and System Science
論文出版年：	2006
畢業學年度：	94
語文別：	中文
論文頁數：	104
中文關鍵詞：	氧化鋅、奈米線、氧空缺、電性量測、TEM-STM 、四點量測
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摘要
本論文的研究主題是在高溫退火爐中以熱蒸鍍的方式分別成長圓柱形以及六角形的ZnO奈米線，再利用分析儀器來了解兩種奈米線在外觀、結構、發光及導電性質上的差異。首先我們利用不同的製程條件來製備不同形貌的ZnO奈米線，在成長過程中也同時觀察不同製程溫度下奈米線型態的變化。接著為材料分析的部份，我們以場發射掃描式電子顯微鏡(FEGSEM)、穿透式電子顯微鏡(TEM)、X光繞射光譜儀(XRD)及X光能量分散光譜(EDS)分析奈米線的成分及微結構，同時利用光激發螢光光譜儀(PL)測量兩種不同形貌ZnO奈米線的光激發特性。最後使用TEM-STM系統及四點電極電性量測系統進行兩種ZnO奈米線的電性量測，並比較其微結構與電性的關係。
我們觀察到在成長過程中生成物的形態會隨基板溫度不同而產生變化，必須在適當的溫度及壓力條件下才能成長出ZnO奈米線。透過SEM、TEM及XRD的分析可知，雖然兩種奈米線在外觀形貌上有所不同，但結構均為wurzite結構，每根奈米線均為單晶結構且沿著[0001]方向成長。PL量測結果顯示ZnO奈米線有兩個激發帶，分別為UV emission及green emission，我們計算green/UV emission比值後可發現圓柱形ZnO奈米線中的缺陷濃度大於六角形ZnO奈米線，此外從PL結果中也看出在溫度降低時奈米線中的缺陷會減有所少。我們利用TEM-STM進行奈米線電性量測，測得圓柱形ZnO奈米線的電阻率為0.078□-cm，六角形ZnO奈米線的電阻率為0.676□-cm。四點電性量測工作是由交大林志忠老師實驗室所進行，測得圓柱形ZnO奈米線電阻率為0.019□-cm，六角形ZnO奈米線電阻率為52.8□-cm。由電性量測結果可進ㄧ步證實兩種ZnO奈米線中的氧空缺濃度確實有相當的差異。

目    錄

第一章、前言    1

第二章、文獻回顧    3
2.1 ZnO基本性質與應用    3
2.2發光機制    4
2.3電性    5
2.4奈米線簡介    6
2.4.1量子侷限效應    8
2.4.2表面效應    9
2.4.3奈米線成長機制    10
2.4.4 ZnO奈米線的製程    11
2.4.5 ZnO奈米線的應用    13
2.5 TEM-STM量測系統    14
2.6四點電性量測    15

第三章、實驗步驟與分析方法    28
3.1實驗流程    28
3.2 ZnO奈米線的合成    29
3.2.1實驗設備    29
3.2.2製備方法    29
3.3 TEM-STM電性量測    31
3.4分析設備    32
3.4.1掃描式電子顯微鏡    32
3.4.2穿透式電子顯微鏡    33
3.4.3 TEM試片製備    34
3.4.4掃描穿隧顯微鏡    34
3.4.5 TEM-STM試片製備    36
3.4.6 X光能量分散光譜    36
3.4.7光激發螢光光譜儀    37
3.4.8 X光繞射分析    37
3.4.9四點電性量測系統    38

第四章、實驗結果與討論    51
4.1 SEM分析    51
4.2 TEM、EDS分析    52
4.3 XRD分析    52
4.4 PL分析    53
4.5 ZnO奈米線成長機制探討    54
4.5.1圓柱型ZnO奈米線    54
4.5.2六角形ZnO奈米線    56
4.5.3結果討論    58
4.6電性量測分析    59
4.6.1 TEM-STM電性量測    60
4.6.2四點電性量測    66
4.6.3結果討論    67

第五章、結論    97

第六章、未來研究方向    100

參考文獻    101










圖表目錄

圖2 - 1.ZnO結構示意圖。    17
圖2 - 2.ZnO的green emission強度與Vo*數量及自由載子濃度隨溫度變化關係圖‎。    18
圖2 - 3.E. G. Bylandern及B. Lin所提出的ZnO各種缺陷能帶圖。    19
圖2 - 4.Y. W. Heo等人利用兩點電極方式量測單根ZnO奈米線電性‎。    20
圖2 - 5.不同尺寸ZnO奈米線之PL圖譜，其中a、b、c奈米線尺寸分別為100nm、50nm及25nm‎。    21
圖2 - 6.VLS成長機制。    22
圖2 - 7.藉由螺旋差排結構說明氣相沉積凝核機制‎。    23
圖2 - 8.TEM-STM系統及原理示意圖‎。    24
圖2 - 9.兩點電極電性量測示意圖。    25
圖2 - 10.金屬-半導體-金屬結構的能帶關係示意圖。    25
圖2 - 11.金屬-半導體-金屬結構中量測訊號關係圖。V1、V3為接觸面能障所貢獻的訊號，V2為奈米線本身貢獻的訊號。    26
圖2 - 12.四點電極電性量測示意圖‎。    26
表2 - 1.ZnO基本性質。    27
圖3 - 2.高溫爐管配置圖。    41
圖3 - 3.成長六角形ZnO奈米線之製程示意圖。    41
圖3 - 4.成長六角形ZnO奈米線之高溫爐升溫及持溫曲線。    42
圖3 - 5.成長圓柱型ZnO奈米線之製程示意圖。    42
圖3 - 6.成長圓柱型ZnO奈米線之高溫爐實際溫度分布曲線。    43
圖3 - 7.成長圓柱型ZnO奈米線之高溫爐升溫及持溫曲線。    43
圖3 - 8.掃描式電子顯微鏡之結構示意圖。    44
圖3 - 9.穿透式電子顯微鏡之結構示意圖。    45
圖3 - 10.TEM-STM試片座配置示意圖。    46
圖3 - 11.Au探針製作流程圖。    46
圖3 - 12.TEM-STM試片結構圖。    47
圖3 - 13.EDS訊號處理流程圖。    48
圖3 - 14.PL量測系統架構圖。    49
圖3 - 15.四點電極電性量測的SEM影像。    50
圖4 - 1.圓柱型ZnO奈米線的FEGSEM影像。    68
圖4 - 2.圓柱型ZnO奈米線的高倍FEGSEM影像。    68
圖4 - 3.圓柱型ZnO奈米線線端Au顆粒的FEGSEM影像及其EDS成分分析結果。    69
圖4 - 4.六角形ZnO奈米線的FEGSEM影像。    70
圖4 - 5.六角形ZnO奈米線頂端剖面的FEGSEM影像。    70
圖4 - 6.圓柱型ZnO奈米線的TEM影像。    71
圖4 - 7.圓柱型ZnO奈米線頂端Au顆粒的TEM影像。    71
圖4 - 9.圓柱形ZnO奈米線的EDS分析譜圖。    72
圖4 - 10.圓柱型ZnO奈米線表面二維缺陷的TEM影像。    73
圖4 - 11.六角形ZnO奈米線的TEM影像。    73
圖4 - 12.六角形ZnO奈米線頂端的TEM影像。    74
圖4 - 14.六角形ZnO奈米線的EDS分析譜圖。    75
圖4 - 15.圓柱型及六角形ZnO奈米線的線徑分布圖。    75
圖4 - 16.圓柱型及六角形ZnO奈米線的XRD分析結果。    76
(a)圓柱型ZnO奈米線在室溫下及6.7K下的PL分析譜圖。    77
(b)六角型ZnO奈米線在室溫下及6.7K下的PL分析譜圖。    77
圖4 - 17.圓柱型及六角形ZnO奈米線的PL分析結果。    77
圖4 - 18.金鋅合金相圖。    78
圖4 - 19.金的熔點與尺寸關係圖‎。    78
(a).成長溫度為600℃的ZnO奈米線成長情形。    79
(b).成長溫度為550℃的ZnO奈米線成長情形。    79
(c).成長溫度為500℃的ZnO奈米線成長情形。    80
圖4 - 20.圓柱型ZnO奈米線成長狀況與溫度分布關係圖。    80
(a)位於試片最外端表面成長出的六角形ZnO奈米線。    81
(b)位於試片中央成長出的六角形ZnO奈米線。    81
圖4 - 21.在不同試片位置上成長出的六角形ZnO奈米線。    81
圖4 - 22.六角形ZnO奈米線試片剖面圖及其EDS分析。    82
(a)成長溫度為400℃的六角形ZnO奈米線成長狀況。    83
(b)成長溫度為450℃的六角形ZnO奈米線成長狀況。    83
(c)成長溫度為500℃的六角形ZnO奈米線成長狀況。    84
(d)成長溫度為550℃的六角形ZnO奈米線成長狀況。    84
圖4 - 23.六角型ZnO奈米線成長狀況與溫度分布關係圖。    84
圖4 - 24.D. F. Liu等人提出之六角形ZnO奈米線成長過程示意圖‎。    85
圖4 - 25.六角形ZnO奈米線於不同成長階段的SEM影像。    85
圖4 - 26.Bravais - Friedel law之平面示意簡圖。    86
圖4 - 27.TEM-STM電性量測系統示意圖。    87
圖4 - 28.ZnO奈米線與Au探針接觸時的TEM影像。    87
圖4 - 29.線性及非線性的I-V曲線圖。    88
圖4 - 30金屬與n-type半導體接觸之能帶圖。    89
圖4 - 31.探針與待測物之接觸面示意圖。    90
圖4 - 32.利用探針摩擦待測物後接觸表面示意圖。    90
圖4 - 33.接觸電阻隨探針壓應力變化之關係圖。    90
圖4 - 34.數根ZnO奈米線的TEM-STM量測結果。    91
圖4 - 35.圓柱型ZnO奈米線的R vs. L/A圖。    92
圖4 - 36.六角型ZnO奈米線的R vs. L/A圖。    93
表4 - 1.圓柱形ZnO奈米線的TEM-STM電性量測結果。    94
表4 - 2.六角形ZnO奈米線的TEM-STM電性量測結果。    95
圖4 - 37.利用四點量測方法量測不同ZnO結構材料的電阻率隨溫度變化關係圖。    96
表4 - 3.四點電極電性量測結果。    96

                                

參考文獻
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