單根氧化鋅奈米線一氧化氮氣體感測器製作與吸附動力學研究

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研究生：	鄭宜驊 Jheng, Yi-Hua
論文名稱：	單根氧化鋅奈米線一氧化氮氣體感測器製作與吸附動力學研究 Fabrication of a Nitric Oxide Gas Sensor Based on a Single ZnO Nanowire and Study of its Adsorption Kinetics
指導教授：	林鶴南 Lin, Heh-Nan
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：	2011
畢業學年度：	99
語文別：	中文
論文頁數：	58
中文關鍵詞：	氧化鋅奈米線、一氧化氮、氣體感測器
外文關鍵詞：	ZnO nanowire, nitric oxide, gas sensor
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本實驗以傳統光學微影技術，製作以單根氧化鋅奈米線為基礎的電阻式氣體感測元件，且架設一套氣體感測系統，並挑選四個具有不同奈米線線徑(半徑分別為75nm、83nm、兩根平行的80nm與60nm，以及220nm)的感測元件，進行一系列的一氧化氮氣體感測實驗，其感測氣體濃度範圍為從最低5ppm到最高25ppm。藉由即時偵測奈米線的電流於感測過程中的下降變化情況，來研究探討其一氧化氮氣體分子化學吸附在氧化鋅奈米線上的行為機制並推算出反應方程式中的重要參數，包含表面氧空缺濃度約為1011 cm-2、吸附速率常數為10-3~10-2 ppm-1 s-1，而脫附速率常數則皆為零值，其零值表示一氧化氮與氧化鋅奈米線的吸附反應在室溫下並無脫附作用的發生。因此，實驗中利用室光照射(約20秒)的方式，就成功將感測過的元件回復到初始的電流值，克服了在因吸附物無法從奈米線表面脫附，而導致元件無法再度使用的缺點。
從實驗結果中，觀察到對於同一根奈米線，當感測氣體濃度越高，則電流降到剩下初始值10 %所需的反應時間就越短，例如半徑為220nm的奈米線，對感測5ppm、15ppm與25ppm的一氧化氮氣體，其從初始電流1μA降到100nA所需的時間分別為50秒、27秒以及17秒，此表示氣體感測元件具有判別不同氣體濃度的能力。而對於感測相同濃度的一氧化氮氣體，觀察到有奈米線線徑越小，反應速度越快的趨勢，例如同為對5ppm作感測，其半徑75nm僅僅只需要4秒電流就降到初始值的10%，而對半徑220nm的奈米線則需要50秒。另外，讓元件做快速的連續氣體感測循環，發現其對相同氣體濃度的反應極為一致，而對不同濃度的反應則有所改變，表示元件穩定性佳，靈敏度高。因此，此氣體感測器具有低成本簡單製程、室溫下可操作、高靈敏度、反應穩定，以及可回復性，對於實際氣體感測應用上有極大潛力。

總目錄
目錄    I
圖目錄    IV
表目錄    VIII
Chapter 1 緒論    1
1.1 前言    2
1.1.1 一維奈米結構對氣體感測的優勢    2
   1.1.2 一氧化氮氣體感測的重要性    2
1.2 研究動機    4
Chapter 2 文獻回顧    6
2.1 氧化鋅奈米線概論    7
2.1.1 晶體結構    7
2.1.2 成長機制與方法    8
2.1.3 氧空缺本質摻雜形成n□type半導體    9
2.2  氣體感測原理    12
2.2.1 氧空缺與氣體吸附作用    12
2.2.2 氧化性氣體反應機制    14
2.2.3 還原性氣體反應機制    16
2.2.4 氧化鋅對一氧化氮的反應機制    17
2.3  感測元件光激發回復特性    18
2.4  NO及NO2氣體感測奈米元件    21
Chapter 3 實驗製程與量測    25
3.1  感測元件製作流程    26
3.1.1氧化鋅奈米線成長    26
3.1.2散佈奈米線於矽基板    27
3.1.3定義電極圖樣    28
3.1.4鈦/金電極蒸鍍    28
3.1.5去除光阻    29
3.1.6元件組裝    29
3.2  一氧化氮氣體感測    31
3.2.1氣體感測系統架構    31
3.2.2一氧化氮濃度計算    32
3.2.3氣體感測操作流程    33
Chapter 4實驗結果與討論    34
4.1  氧化鋅奈米線與電極    35
4.2  一氧化氮(NO)氣體感測    40
4.2.1氧化鋅奈米線對NO氣體的反應    41
4.2.2反應機制的分析    42
4.3  不同NO濃度的感測結果    45
4.4  不同氧化鋅奈米線線徑的NO感測比較    48
4.5  感測元件對NO的一致性與高靈敏度    50
Chapter5 結論    53
Reference      56

圖目錄
圖2-1：(a)氧化鋅晶體結構，為六方最密堆積 (b)上方為氧化鋅奈米線上視圖，其截面呈六角形代表為[0001]方向成長；下方左邊的HRTEM與右邊的 SAED圖證實此結果    7
圖2-2：氧化鋅奈米線成長機制示意圖    9
圖2-3：在FTO基板上成長氧化鋅奈米線SEM剖面圖，在底部可觀察到自然形成的晶種層    9
圖2-4：室溫下氧化鋅各種缺陷能階示意圖    10
圖2-5：帶負電表面吸附物造成能帶彎曲    13
圖2-6：在不同溫度下SnO2表面吸附氧氣之後的生成物總整理    15
圖2-7：SnO2晶粒與氧氣反應後的示意圖    15
圖2-8：(a) CO氣體感測示意圖 (b)感測CO之後，材料電導值上升 16
圖2-9：感測20 ppm NO(溫度423 K)，In2O3-SeO2薄膜電阻上升   17
圖2-10：氧化鋅感測完NO氣體，關閉氣體源(NO off)並無法使元件電流回升，表示元件並無可重複性。    18
圖2-11：(a)利用UV light照射使感測過NO2的元件降低的電流快速回升，其A點為UV on；B點為UV off；C點為NO2 on。(b)ZnO奈米線在UV light (325nm)照射下電流值大於其處於黑暗狀態下的    19
圖2-12:金屬氧化物半導體奈米線表面所吸附的負電離子在光激發產生電子電洞對之後產生回復反應    20
圖2-13：(a)ZnO nanoline製作流程示意圖 (b)SEM影像：前者為thin film，中間為寬度400 nm的nanoline，後者寬度100 nm     21
圖2-14：室溫下對NO2和H2氣體的感測結果    22
圖2-15：SAMFET的操作原理示意圖    23
圖2-16：SAMFET的轉導特性曲線圖，為p-type表現    24
圖2-17：SAMFET對NO感測結果    24
圖3-1：三區升溫爐管系統示意圖    26
圖3-2：氧化鋅奈米線懸浮液配製    27
圖3-3：電子束蒸鍍系統示意圖    29
圖3-4：單根氧化鋅奈米線氣體感測器製作流程示意圖    30
圖3-5：一氧化氮氣體感測系統示意圖    31
圖4-1：(a)氣體感測器實際照片 (b)為圖(a)中的圓圈標示物的SEM影像    35
圖4-2：單根氧化鋅奈米線氣體感測元件的(a)SEM影像，奈米線半徑(NW radius)為220 nm；電極間距(gap)為2.77μm。 (b)I-V curve    36
圖4-3：單根氧化鋅奈米線氣體感測元件的(a)SEM影像，NW radius為83 nm；gap為2.72μm。 (b)I-V curve    37
圖4-4：單根氧化鋅奈米線氣體感測元件的(a)SEM影像，NW radius為75 nm；gap為3.93μm。 (b)I-V curve    37
圖4-5：含有兩根彼此相互平行的氧化鋅奈米線氣體感測元件的(a)SEM影像，NW radius為60和80 nm；gap為2.51μm。 (b) 圖(a)方框區放大圖。 (c)I-V curve    38
圖4-6：三個不同奈米線徑的I-V curve比較圖    39
圖4-7：氣體感測元件感測氮氣的結果，顯示並無反應性    40
圖4-8：氧化鋅奈米線(r = 220nm)感測5 ppm NO的電流下降對時間關係圖    41
圖4-9：氧化鋅奈米線(r = 220nm)感測5 ppm NO的電導改變量絕對值對時間變化關係圖    44
圖4-10：氧化鋅奈米線(r = 220nm)對不同濃度的NO感測電流與時間關係圖    45
圖4-11：與NO濃度的線性關係圖    46
圖4-12：半徑為75 nm的氧化鋅奈米線氣體感測結果    48
圖4-13：半徑為83 nm的氧化鋅奈米線氣體感測結果    48
圖4-14：半徑為60nm和80 nm的氧化鋅奈米線氣體感測結果    49
圖4-15：連續五次對5 ppm的NO進行感測    51
圖4-16：五次5 ppm NO感測結果比較圖    51
圖4-17：連續對5 ppm以及25 ppm的NO進行感測    52
圖4-18：為圖4-17的感測結果比較圖    52

表目錄
表2-1：氧化鋅中的Schottky defect 平衡反應方程式總表    11
表4-1：四種線徑氧化鋅奈米線氣體感測各項實驗數據列表    49

                                

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