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研究生: 陳政琦
Cheng-Chi Chen
論文名稱: 銅摻雜氧化釕奈米線的製備與單根奈米線電性研究
The Study of Synthesis of Cu-Doped RuO2 Nanowires and the Electrical Property of a Single Cu-Doped RuO2 Nanowire
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: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 93
中文關鍵詞: 氧化釕奈米線
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  • 本論文運用離子佈植的方法,將 Cu 離子佈植入 RuO2 奈米線中
    ,成功合成銅摻雜 RuO2 奈米線,離子佈植之後接著進行退火熱處理,用以修復離子佈植時所產生的損傷。論文主題在於了解不同劑量的銅離子對於 RuO2 奈米線室溫電性的影響;以及對於 RuO2 奈米線結構的影響。實驗所用的分析儀器包括:掃描式電子顯微鏡-分析佈植前後奈米線表面形貌的變化、穿透式電子顯微鏡-分析銅摻雜 RuO2 奈米線的晶體結構、X 光能量分散光譜-成份分析以及元素的定量、超導量子干涉磁量儀-研究銅摻雜 RuO2 奈米線磁性質變化;以及TEM-STM 系統-兩點量測技術,量測奈米線在室溫時的電性。
    我們觀察到佈植 Cu 離子會影響 RuO2 奈米線的結構,並且隨著佈植劑量的增高,RuO2 奈米線被破壞的情況也越嚴重。運用 EDS定量各不同佈植劑量奈米線 Cu 之成分百分比,發現隨著佈植劑量的增加,在銅摻雜 RuO2 奈米線中 Cu 成分百分比確實增加,並利用 X 光能量分散光譜做成之成份分佈影像圖( EDS-mapping )來觀察 Cu 在奈米線中分佈的情況,發現 Cu 在奈米線中並沒有特別聚集的現象。利用 TEM-STM 系統量測銅摻雜 RuO2 奈米線室溫的電性,發現奈米線的電性受到 Cu 離子佈植的影響,使得電阻率變高,而退火熱處理之後因為晶格的回復導致電阻率的下降。所量測到的電阻率變化,最後與快速傅立葉轉換的影像處理方法做結合,可以合理的解釋退火熱處理對於電阻率的影響。最後利用超導量子干涉磁量儀比較 Cu 佈植前後奈米線磁性的變化,發現其反磁訊號的增強。


    章節目錄 章節 頁次 致謝 I 摘要 II 章節目錄 III 圖目錄 V 表目錄 IX 第一章 前言 1 第二章 文獻回顧 3 2-1 RuO2基本性質 3 2-1-1晶體結構與特性 3 2-1-2能帶結構、費米面、電子有效質量 4 2-1-3 RuO2晶體的製備方式 5 2-1-4應用 6 2-2 RuO2奈米結構 8 2-3單根奈米線電性量測 9 2-3-1電極式電性量測系統 9 2-3-2 TEM-STM電性量測系統 11 第三章 實驗步驟與分析方法 25 3-1實驗流程 25 3-2實驗步驟 25 3-2-1化學氣相傳輸爐管系統設計 25 3-2-2爐管內溫度量測 26 3-2-3材料之準備 26 3-2-4基板前處理 27 3-2-5奈米線成長步驟 27 3-2-6離子佈植與理論模擬 28 3-2-6-1加速器 29 3-3分析設備與方法 29 3-3-1 X光能量分散譜儀 (EDS) 29 3-3-2場發射掃瞄式電子顯微鏡 (SEM) 30 3-3-3穿透式電子顯微鏡 (TEM) 31 3-3-3-1奈米線穿透式電子顯微鏡試片的製備 32 3-4掃描探針電子顯微鏡系統 (TEM─STM system) 33 3-4-1 STM探針以及樣品製備 33 3-4-2 TEM─STM系統 34 3-5超導量子干涉磁量儀 (SQUID) 35 第四章 實驗結果與討論 46 4-1 SEM分析 46 4-2 TEM與EDS分析 48 4-3銅摻雜RuO2奈米線電性量測 51 4-3-1 TEM-STM電性量測系統 51 4-3-1-1改善接觸電阻 52 4-3-1-2 TEM-STM量測方法建立 53 4-3-1-3 TEM-STM量測結果 53 4-4快速傅立葉轉換 55 4-4-1不同條件之亂度係數比較 56 第五章 結論 87 第六章 未來研究方向 88 參考文獻 89 圖目錄 圖2-1 RuO2 rutile structure 晶體結構 15 圖2-2 (a) rutile RuO2在六個對稱方向的色散關係 15 圖2-2 (b) rutile RuO2的態密度對能量圖 16 圖2-3 rutile RuO2的費米面 16 圖2-4電極式電性量測系統示意圖,(a) 奈米線跨接上電極、(b)電極跨接上奈米線 17 圖2-5隨著電子束照射時間增加,亦即電子束的照射劑量增加,奈米碳管的電阻下降 17 圖2-6使用兩點電極量測銅奈米線,(a) Cu奈米線的I-V曲線,(b) 經過氧化後形成Cu2O的I-V曲線 18 圖2-7金接觸點的電導與接觸面積的關係圖 19 圖2-8以TEM-STM系統量測InAs奈米線,其中分別使用(a)金、(b)鎢金屬當STM探針得到的I-V曲線圖 20 圖2-9 STM探針接觸半導體奈米線形成的接面示意圖 21 圖3-1實驗流程圖 37 圖3-2主要爐管系統裝置 38 圖3-3 RuO2粉末、基板位置與爐管溫度分佈示意圖 39 圖3-4 9SDH串級加速器的構造圖 40 圖3-5入射電子束與樣品作用後,產生的各種訊號 40 圖3-6入射電子與原子內層軌域的電子作用形成各種訊號 41 圖3-7電化學蝕刻法製造金探針的示意圖 42 圖3-8電化學蝕刻法得到的金探針SEM影像 42 圖3-9 TEM-STM 樣品的製備的示意圖 43 圖3-10 TEM-STM系統中 (a) 樣品和金探針的相對位置 (b) Nanofactory的試片座照片 44 圖4-1 (a)為未佈植RuO2高倍率SEM影像、(b)為未佈植RuO2低倍率SEM影像 58 圖4-2佈植劑量為1×1016cm-2的RuO2奈米線之SEM影像 59 圖4-3佈植劑量為3×1016cm-2的RuO2奈米線之SEM影像 59 圖4-4佈植劑量為5×1016cm-2的RuO2奈米線之SEM影像 60 圖4-5佈植劑量為1×1016cm-2的RuO2奈米線經過700℃、1小時退火熱處理後之SEM影像 60 圖4-6佈植劑量為3×1016cm-2的RuO2奈米線經過700℃、1小時退火熱處理後之SEM影像 61 圖4-7佈植劑量為5×1016cm-2的RuO2奈米線經過700℃、1小時退火熱處理後之SEM影像 61 圖4-8佈植劑量為1×1016cm-2的RuO2奈米線經過350℃、120小時退火熱處理後之SEM影像 62 圖4-9佈植劑量為3×1016cm-2的RuO2奈米線經過350℃、120小時退火熱處理後之SEM影像 62 圖4-10佈植劑量為5×1016cm-2的RuO2奈米線經過350℃、120小時退火熱處理後之SEM影像 63 圖4-11純RuO2奈米線的高解析TEM影像 64 圖4-12純RuO2奈米線的EDS成分分析 65 圖4-13 (a) Cu佈植劑量1×1016cm-2奈米線的EDS成分分析 65 圖4-13 (b) Cu佈植劑量3×1016cm-2奈米線的EDS成分分析 66 圖4-13 (c) Cu佈植劑量5×1016cm-2奈米線的EDS成分分析 66 圖4-14各元素在奈米線中的分佈圖 67 圖4-15 (a) 為bright field 影像 (b) 為紅框處的放大圖 (c) 為dark field 影像 (d) 為該點處nanobeam EDS結果 68 圖4-16 (a) Cu佈植劑量1×1016cm-2的RuO2奈米線之影像,插入的圖形為繞射圖形、(b) 為紅框處的放大影像 70 圖4-17 (a) Cu佈植劑量1×1016cm-2的RuO2奈米線且經過350℃120小時退火之影像,插入的圖形為繞射圖形、(b) 為紅框處的放大影像 71 圖4-18 (a) Cu佈植劑量3×1016cm-2的RuO2奈米線之影像,插入的圖形為繞射圖形、(b) 為紅框處的放大影像 72 圖4-19 (a) Cu佈植劑量3×1016cm-2的RuO2奈米線且經過350℃120小時退火之影像,插入的圖形為繞射圖形、(b) 為紅框處的放大影像 73 圖4-20 (a) Cu佈植劑量5×1016cm-2的RuO2奈米線之影像,插入的圖 形為繞射圖形、(b) 為 (a) 紅框處的放大影像 74 圖4-21 (a) Cu佈植劑量5×1016cm-2的RuO2奈米線且經過350℃120小時退火之影像,插入的圖形為繞射圖形、(b) 為 (a) 紅框處的放大影像 75 圖4-22 (a) TEM-STM兩點量測系統示意圖,由TEM螢幕投影得到 (b) 低倍率影像,可量測奈米線長度、(c)高倍率影像,可量 測奈米線直徑 76 圖4-23接觸面之間的放大圖,由於表面粗糙度,使得有效接觸面積 並不會是所有的針尖面積 77 圖4-24經由TEM-STM系統量測銅摻雜RuO2奈米線而得的I-V曲 線圖 77 圖4-25 (a)~(i) 每一點為不同長寬的銅摻雜RuO2奈米線及其相對應 的電阻值,直線為對所有數據點做最小平方線性迴歸得到 的。上方為TEM-STM操作時所得到的影像 78 圖4-26 選擇512 X 512 pixel區域進行傅立葉轉換後的繞射圖形 82 圖4-27 由圖4-26的繞射點,垂直投影 (Projection) 疊加至同一橫軸上 83 圖4-28 利用高斯函數進行最佳fitting,左方為未佈植,右方為Cu佈植劑量5×1016cm-2的函數圖形。 83 圖4-29 為未佈植與Cu佈植劑量5×1016cm-2的RuO2奈米線 ( 350℃120小時退火)之M-T圖 86 表目錄 表2-1 一般常見的金屬電阻率 22 表2-2 RuO2的電傳導性質 22 表2-3 以RuO2做為電極之電化學電容應用 23 表2-2 經由TEM-STM系統量測的半導體材料之電性特性 24 表3-1 第一片基板到第十片基板的溫度分佈 45 表4-1 各種劑量與各種退火條件下的銅摻雜RuO2奈米線TEM- STM量測結果 84 表4-2 無序係數σ與電阻率ρ的關係 85

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