學位論文
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Item 稀土鐵石榴石與鈣鈦礦奈米材料之結構、磁性和應用(2023) 劉仕渝; Liu, Shi-Yu鈣鈦礦和稀土石榴(REIG)薄膜具有優異的光學和磁光特性。因此，將這兩種材料結合在一起可以創造出具有可調控光學和磁性性能的異質結構，並應用於光學通信、光學記憶和磁光元件等領域。在本研究中，我們將深入探討鈣鈦礦和REIG薄膜各自的潛在價值。近年來，一些研究表明使用稀土元素(RE)元素代替釔(Y)來調節石榴石薄膜的應變誘導磁異向性。REIG薄膜(~100 nm)藉由脈衝雷射沉積法製備於(111)取向的釔鋁石榴石(YAG)基板上。釤、钬和釔鐵石榴石(SmIG, HoIG, and YIG)具有垂直於膜面的壓縮應變，而鉺和铥鐵石榴石(ErIG and TmIG)具有弱的拉伸應變。由於負磁致伸縮常數，因此SmIG和HoIG薄膜表現出相對強的垂直磁異向性(PMA)。隨著技術的發展，對高存儲容量和快訪問速度的需求不斷增加。因此我們選擇對擁有相對強PMA的SmIG薄膜進一步研究。藉由降低SmIG薄膜厚度，可使其具有更強的壓縮應變，進而獲得更強的PMA。相比之下，YIG在30-120奈米區間仍展現水平磁異向性(IMA)。這一發現表明磁性能受Y:Sm比的顯著影響。隨後，我們製備了一系列不同厚度、Sm摻雜濃度的SmYIG薄膜。振動樣品磁力計揭露隨著厚度的遞減和Sm摻雜濃度的增加，可使SmYIG薄膜具有較強的PMA。此外，我們展示了在不同Sm摻雜濃度下，SmYIG薄膜的臨界厚度。為基於REIG薄膜的高密度磁信息存儲鋪平道路。YIG與反鐵磁材料的結合因其在自旋泵等應用中的潛力而備受關注。因此，我們於YIG薄膜上沉積氧化鈷(CoOx)薄膜以研究介面效應。由於CoOx薄膜於高溫缺氧環境下製備，所以其表面區域由純CoO組成，界面區域則為CoO和Co的混合物。CoOx/YIG薄膜不僅表現出低溫下由CoO提供的磁耦合，還表現出由鐵磁Co提供室溫負交換偏置(RT-NEB)。與CoOx/YIG薄膜相比，我們於YIG薄膜上製造了進一步氧化的CoO薄膜，並觀察到室溫正交換偏置(RT-PEB)。RT-PEB隨著外加磁化場增加而增加，並在外加磁化場為500 Oe時飽和。隨著溫度降低，PEB 逐漸轉變為 NEB。這些結果清楚地表明 CoO/YIG 雙層系統中PEB和NEB共存，而PEB歸因於CoO界面自旋的反平行耦合，而NEB歸因於AFM-FM耦合。有機-無機鈣鈦礦(MAPbBr3)/鐵磁異質結構在光控自旋電子元件中已被廣泛探討。然而使用金屬鐵磁層作為底部電極仍然是一個挑戰。因此，我們提出插入氧化鋁(AlOx)或石墨烯(Gr)層的超薄異質界面來改善均勻性。通過原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡，我們觀察到MAPbBr3層成功地形成了緻密的連續薄膜。此外，AlO¬x或Gr層的存在可以有效地防止鈣鈦礦和鐵磁金屬薄膜之間的氧化和界面擴散。然而，MAPbBr3層在環境下很容易受溫度、濕度、氧氣濃度影響而分解。因此，我們製備了全無機銫鉛溴化物鈣鈦礦量子點(CsPbBr3 QDs)來替代鐵磁層上方的 MAPbBr3，並研究了藍光雷射對磁性的影響。隨著雷射照射時間的增加，CsPbBr3 QDs的表面形貌和特徵尺寸發生了顯著變化並逐漸演變，引發了一系列氧化還原和界面擴散過程，特別是在 CsPbBr3 QDs/Co異質結構的界面處。這些結果開啟了鈣鈦礦/鐵磁異質結構在自旋電子學應用研究。Item 二維材料石墨烯與過渡金屬雙硫屬化合物之光譜性質研究(2014) 沈稚強; Chih-Chiang Shen我們量測摻雜三聚氰胺分子的石墨烯薄膜及單層過渡金屬硫屬化合物(MoS2,MoSxSey)薄膜樣品的兆赫波吸收能譜與橢圓偏光光譜，探究這些樣品的電荷傳輸行為與電子結構。我們使用化學氣相沉積法(CVD)與電化學剝離法(ECE)製作摻雜三聚氰胺分子的石墨烯薄膜樣品，並以化學氣相沉積法製作單層過渡金屬硫屬化合物薄膜樣品。 我們發現摻雜後的石墨烯薄膜樣品，在頻率位置155 cm-1有一個吸收峰，此應與摻雜了三聚氰胺分子後所造成的晶格結構無序性有關。此外，居德電漿頻率(摻雜後的石墨烯薄膜與單層二硫化鉬薄膜分別為21和7 THz) 隨著溫度降低而下降，載子的鬆弛時間(13和26 fs)並不隨著溫度改變有顯著的變化。這些結果顯示摻雜後的石墨烯薄膜與單層二硫化鉬薄膜樣品具有半導體的特性。 此外，以電化學剝離法製作的石墨烯薄膜樣品，其居德電漿頻率大於使用化學氣相沉積法製作的樣品。相反的，以電化學剝離法製作的石墨烯薄膜樣品，其載子的鬆弛時間(10 fs)短於使用化學氣相沉積法製作的樣品(84 fs)。有趣的是，單層MoSxSey薄膜樣品的居德頻率由6.5到8 THz，載子鬆弛時間從19到26 fs。 我們發現以化學氣相沉積法製作的石墨烯薄膜樣品，其吸收能譜在紫外光頻率波段具有一個不對稱的Fano共振吸收。這個吸收峰主要是激子在能帶間的躍遷。相較於未摻雜的樣品，摻雜後的石墨烯薄膜樣品，吸收峰的頻率位置呈現藍移的現象。以電化學剝離法製作的石墨烯薄膜樣品，其吸收能譜的波形較為對稱。我們推測此與使用不同的成長方式，改變了石墨烯薄膜樣品的電荷分佈有關。此外，單層MoSxSey薄膜樣品具有直接能隙(二硫化鉬和二硒化鉬分別為1.95 和 1.62 eV)。二硫化鉬和二硒化鉬的激子束縛能分別為0.28和0.24 eV。Item 高分子聚合物製備石墨烯(2012) 潘思如; Sz-Ru, Pan石墨烯具有眾多優異特性，於近幾年蓬勃發展，無論是針對其理論特性亦或是實驗量測皆掀起一陣熱潮，其優異特性如超高電子遷移率、電導率、熱導率、透光性及機械特性等，將被廣泛應用於各學界，亦因石墨烯擁有眾多特性，促使本實驗對其進行探究。 石墨烯製備方法許多，除最先利用膠帶之機械剝離法，發現了單層石墨烯外，另有其他眾多方式，如：氧化還原法、化學氣相沉積法、碳化矽延展生長法等，以及於2010年發表至Nature期刊初次利用固態碳源製備石墨烯之方法，本實驗石墨烯製備方法即採用固態碳源製備石墨烯。 本實驗利用高分子聚合物PMMA塗佈於完成預處理之25 m厚的銅箔上並進行烘烤後，將處理完成之樣品置於紅外線黃金鍍膜快速升溫加熱爐（RTA）中，執行石墨烯高溫製程，藉由調控製程溫度、塗佈轉速、氣體流量、降溫條件等製備環境之操控以製備石墨烯。 使用銅箔與PMMA作為基板與碳源，除了銅箔取得容易，其還具有催化碳分子堆積於銅箔表面之特性，而固態碳源PMMA亦是實驗材料中容易取得之材料，利用PMMA成功製備出石墨烯，可藉以推廣應用至各項含碳物質，生活環境中眾多物質皆有機物，可取之運用做為製備石墨烯之碳源。 本實驗製備石墨烯之過程，藉由縝密之實驗條件改善後，本實驗結果成功製備石墨烯成膜於銅箔表面，將樣品進行轉移至載玻片，利用拉曼光譜儀檢測樣品品質與層數，可成功生成單層與雙層石墨烯，表面型態則藉由光學顯微鏡進行檢測。Item 化學氣相沉積法合成石墨烯(2012) 曾咨耀; Tzu-Yao Tseng近年來隨著科技不斷進步，人類生活與科技更是密不可分，半導體與電子元件更是蓬勃發展。於半導體與電子元件逐漸縮小化之製程條件要求下，以往元件縮小技術面臨重大挑戰，此時直接製程微小奈米結構成為另一種趨勢。包括奈米碳管、奈米線與近年熱門新興材料石墨烯。其特有準二維結構與快速電子飄移率更是備受大家矚目。 有別於2010年諾貝爾獎得主在2004年所發表機械撥離法，也就是於高定向熱解離石墨（HOPG）中，運用膠帶反覆黏貼，機率性取出單層石墨烯。然而因取之不易，故無法針對工業上之應用進行量產。故本實驗採用化學氣相沉積法（CVD），利用過渡金屬銅箔當作催化金屬，於銅箔表面沉積石墨烯，並轉移至所需基板上。 根據2009年由美國德州大學R. S. Ruoff所率領之研究團隊在Science期刊發表，利用化學氣相沉積法於過渡金屬「銅」上合成95%以上單層石墨烯，因銅之自我限制機制，故當石墨烯完全覆蓋表面後將不再繼續沉積雙層甚至多層石墨烯。 相較於單層石墨烯快速之電子飄移率，雙層至十幾層有更多於單層石墨烯之自由電子數，更有利於較高導電效率之應用發展。因此我們研究溫度、壓力與氣體流量比例對石墨烯樣品結構與層數改變之影響。利用拉曼光譜分析儀分析品質與結構缺陷。 轉印製程中，我們利用PDMS支撐石墨烯並蝕刻銅箔，轉移至載玻片上。利用原子力顯微鏡與四點探針觀察厚度與其片電阻。Item 運用乾式轉印法製作二維材料元件(2016) 李啟安; Lee, Chi-An傳統的二維材料轉印中分為濕式轉印以及乾式轉印，濕式轉印一般都會使用甲基丙烯酸甲酯(Polymethylemthacrylate；PMMA)作為轉印媒介，但此方式往往困擾於去除PMMA光阻聚合物時，光阻殘留液體影響到二維材料的電性以及鍵結等特性。而傳統乾式轉印法所使用的膠帶以及其聚合物也往往汙染樣品，且無法轉印置所需的區域。本文改以聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)作為剝離與轉印二維材料的媒介，提供了全程從剝離與轉印，完全乾式的轉印形式。本文運用此技術應用於轉印石墨烯、拓樸絕緣體(Bi_2 Se_3)以及二硫化鉬(MoS_2)製作成場效電晶體元件，且製備石墨烯霍爾元件以及以氮化硼為基底的石墨烯場效電晶體，並以拉曼光譜檢驗樣品經轉印後仍保持與轉印前良好與相同的品質，並量測到Shubnikov-de Hass effect。