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研究生: 蔡豐印
論文名稱: 氟摻雜氧化錫奈米線的製備及單根奈米線電性研究
The Study of Synthesis of Fluorine-doped Tin Oxide Nanowires and the Electrical Property of a Single Fluorine-doped Tin Oxide 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: 74
中文關鍵詞: 氧化錫奈米線
外文關鍵詞: Fluorine, Tin Oxide, Nanowire
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  • 透明導電氧化物(transparent conductive oxides, TCOs),例如氧化錫(SnO2)、氧化銦(In2O3)、氧化鎘(CdO)和氧化鋅(ZnO)在近幾十年來在光電材料應用的重要性越來越顯著。為了增加這些材料的導電性,我們通常會摻雜入適當的元素來增加其導電載子濃度進而提昇材料的導電度。
    在透明導電氧化物的範疇中,氧化銦錫(tin-doped indium oxide, ITO)最常被研究與工業上的應用。然而,氧化銦錫材料暴露在有氧的高溫(>300℃)環境中,其導電度會因為材料中的氧空缺的減少而大幅度的下降。氟摻雜氧化錫(fluorine-doped tin oxide, FTO)比氧化銦錫有更佳的熱穩定性,且在材料價錢上更具有競爭力,因此,氟摻雜氧化錫材料是做為取代氧化銦錫材料的最佳選擇。
    隨著元件的尺寸越來越小,透明導電氧化物奈米材料的發展極具有潛力,並且,目前為止並沒有任何單晶氟摻雜氧化錫奈米線的研究。本實驗率先利用熱蒸鍍法成長氧化錫奈米線和氟摻雜氧化錫奈米線,接著使用各種分析儀器TEM、SEM、XRD、EDS量測合成之奈米線的定性和定量分析。之後使用TEM-STM電性量測系統分別測量單根氧化錫奈米線和氟摻雜氧化錫奈米線的電性並討論之。
    我們可以確定合成的氧化錫奈米線和氟摻雜氧化錫奈米線皆為成長方向[100]的單晶。此外,從TEM-STM系統量測到單根氟摻雜氧化錫奈米線的電阻率確實遠小於單根氧化錫奈米線,氟的摻雜的確對此材料的電性有顯著的影響。


    Transparent conductive oxides (TCO) ,such as SnO2, In2O3, CdO, and ZnO, have become increasingly important in a large variety of applications due to demands for optically-transparent, conductive materials.[1-2] To enhance the conductivity, we usually dope suitable atoms introduce more free carriers.[3] It has been widely used as electric leads in optoelectronic devices such as flat panel displays and thin film solar energy cells.

    A common TCO used in research and industry is tin-doped indium oxide (ITO). However, ITO experiences a reduction of electrical conductivity when exposed to oxygen at elevated temperatures (> 300 ℃). Therefore, FTO, which is much more thermally stable, is often used as an alternative to ITO. As device size continues to decrease, the potential use of nanoscaled structures of these TCOs grows. However, very little to no work has been published regarding the fabrication of FTO nanowires.[4]

    The authors report the growth of F-doped SnO2 single crystalline nanowires by carrying out the thermal evaporation of solid Sn and SnF2 powders a in an Ar/O2 ambient gas. We analyzed the samples with scanning electron microscopy, X-ray diffraction, transmission electron microscopy. From the EDS spectra, we can quantify fluorine-doping in the nanowires is about 2 at%. The electrical properties of rutile-type F-doped SnO2 low-dimensional structures were analysed using a scanning tunnelling microscopy (STM) in situ holder for transmission electron microscopes (TEM).The measured I-V curve obtained typically show Ohmic-like behavior between the gold electrode and F-doped SnO2 nanowires. And the resistivity of FTO NWs is 0.0278Ω-cm, much smaller than pure SnO2 NWs(289 Ω-cm).

    章節 頁次 致謝 I 摘要 II 章節目錄 III 圖目錄 V 表目錄 VIII 第一章 前言 1 第二章 文獻回顧 3 2-1研究動機 3 2-2氟摻雜氧化錫材料基本特性 4 2-3 氟摻雜氧化錫結構 4 2-4 氟摻雜氧化錫電性 5 2-5 氟摻雜氧化錫奈米線的製備 6 2-5-1模板填滿法(Template-filling method) 6 2-5-2熱蒸鍍(thermal evaporation)法 7 2-6 單根奈米線電性量測 7 2-6-1電極式電性量測系統 8 2-6-2TEM-STM電性量測系統 10 第三章 實驗步驟與方法 20 3-1 實驗方向 20 3-2 製備氧化錫奈米線 20 3-3 製備氟摻雜氧化錫奈米線 21 3-4 奈米線分析設備與方法 22 3-4-1穿透式電子顯微鏡(TEM) 22 3-4-2掃描式電子顯微鏡(SEM) 23 3-4-3 X光能量分散光譜儀 (EDS) 24 3-4-4電子能量損失能譜儀(EELS) 24 3-4-5 X光粉末繞射儀(XRD) 25 3-5奈米線電性量測 26 3-5-1掃描探針電子顯微鏡系統(TEM-STM system) 26 3-5-1-1 STM探針以及樣品製備 26 3-5-1-2 TEM-STM量測 27 第四章 實驗結果與討論 38 4-1奈米線的成長 38 4-1-1初步觀察生成的氧化錫奈米線 38 4-1-2初步觀察生成的氟摻雜氧化錫奈米線 39 4-2奈米線結構及成份分析 40 4-2-1 XRD結構定性分析 40 4-2-2 TEM結構分析 41 4-2-2-1氧化錫奈米線 41 4-2-2-2氟摻雜氧化錫奈米線 42 4-2-3氟摻雜氧化錫奈米線定量分析 43 4-3摻雜氟氧化錫奈米線電性量測結果 44 4-3-1 TEM-STM電性量測系統 44 4-3-1-1改善接觸電阻 44 4-3-1-2 TEM-STM量測方法建立 46 4-3-1-3 TEM-STM量測結果 46 第五章 結論 67 第六章 未來研究方向 69 參考文獻 70 圖目錄 圖2-1將單根氧化錫奈米線跨接在電極上所測量到的I-V曲線 13 圖2-2單根銻摻雜氧化錫奈米線的I-V曲線。插入的為純的氧化錫奈米線的I-V曲線 13 圖2-3氧化錫的結構示意圖 14 圖2-4電子在(a) diffusive transport (b) ballistic transport運動情況的示意圖 14 圖2-5電極式電性量測系統的示意圖 15 圖2-6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 15 圖2-7使用兩點電極量測銅奈米線之I-V曲線 16 圖2-8金接觸點的電導與接觸面積的關係圖 16 圖2-9TEM-STM系統量測InAs奈米線 17 圖2-10 STM探針接觸半導體奈米線形成的接面示意圖 18 圖3-1成長奈米線之高溫爐管示意圖 29 圖3-2成長SnO2奈米線時,爐管中成長源與基板的相對位置 29 圖3-3高溫爐管成長SnO2奈米線的升溫曲線圖 30 圖3-4成長FTO奈米線時,爐管中成長源與基板的相對位置 30 圖3-5高溫爐管成長FTO奈米線的升溫曲線圖 31 圖3-6入射電子束與樣品作用後,產生不同的訊號 31 圖3-7入射電子與原子內層軌域的電子作用形成(a)非彈性散射電子、(b)特徵X光、(c)歐傑電子 32 圖3-8穿透式電子顯微鏡構造示意圖 32 圖3-9掃描式電子顯微鏡構造示意圖 33 圖3-10 X光能量分散光譜儀示意圖 33 圖3-11 X光與試片作用形成的布拉格繞射條件示意圖 34 圖3-12用電化學蝕刻法製造金針的示意圖 34 圖3-13直流電化學蝕刻完成之Au探針SEM影像 35 圖3-14 TEM-STM 樣品的製備的示意圖 35 圖3-15 (a)TEM-STM系統中,樣品和金探針的相對位置 36 圖3-15 (b)TEM-STM系統中,Nanofactory的試片座照片 36 圖4-1以直徑20nm的金顆粒當催化劑,得到的奈米線成長情況 50 圖4-2(a)成長出來的氧化錫奈米線形貌,氧化錫奈米線的尾端有金顆粒殘留 51 圖4-2(b)成長出來的氧化錫奈米線形貌,尾端呈平坦狀的奈米線形貌 51 圖4-2(c)成長出來的氧化錫奈米線形貌,氧化錫奈米線線徑分佈長條圖 52 圖4-3成長出來氧化錫奈米線的EDS能譜圖 52 圖4-4氟摻雜氧化錫奈米線表面形貌 53 圖4-5(a)成長出來的氟摻雜氧化錫奈米線形貌,氟摻雜氧化錫奈米線的尾端有金顆粒殘留 53 圖4-5(b)成長出來的氟摻雜氧化錫奈米線形貌,尾端呈平坦狀的奈米線形貌 54 圖4-5(c)成長出來的氟摻雜氧化錫奈米線形貌,氟摻雜氧化錫奈米線線徑分佈長條圖 54 圖4-6氟摻雜氧化錫奈米線的EDS能譜圖 55 圖4-7成長出來的氧化錫奈米線、氟摻雜氧化錫奈米線的XRD繞射圖,與氧化錫的XRD資料[42]比對 55 圖4-8 (a)氧化錫奈米線TEM圖 56 圖4-8 (b)[001]為zone-axis的擇區繞射圖 56 圖4-8 (c)奈米線的高分辨原子影像圖 57 圖4-9(a)奈米線尾端有顆粒存在 57 圖4-9(b)針對氧化錫奈米線尾端顆粒的EDS分析 58 圖4-10(a)氟摻雜氧化錫奈米線TEM圖 58 圖4-10(b)[001]為zone-axis的擇區繞射圖 59 圖4-10(c)奈米線的高分辨原子影像圖 59 圖4-11針對氟摻雜氧化錫奈米線做EELS mapping 60 圖4-12(a)TEM-STM兩點量測系統示意圖 60 圖4-12(b)由TEM螢幕投影得到奈米線的長度為4.36μm 60 圖4-12(c)由TEM螢幕投影得到奈米線的寬度為62.03 nm 61 圖4-13接觸面之間的放大圖 61 圖4-14經由TEM-STM系統量測氧化錫奈米線而得的I-V曲線圖 62 圖4-15經由TEM-STM系統量測氟摻雜氧化錫奈米線而得的I-V曲線圖 62 圖4-16將氧化錫(黑)奈米線與氟摻雜氧化錫(紅)奈米線得到的I-V曲線相比較 63 圖4-17每一點為不同長寬的氟摻雜氧化錫奈米線及其相對應的電阻值 63 圖4-18每一點為不同長寬的氧化錫奈米線及其相對應的電阻值 64 表目錄 表2-1經由TEM-STM系統得到的不同半導體材料的電性特性 19 表3-1實驗用藥品規格 37 表4-1 XRD計算氧化錫奈米線晶格常數的數據整理 65 表4-2 XRD計算氟摻雜氧化錫奈米線晶格常數的數據整理 65 表4-3 FTO電性結果比較 66

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