學位論文
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Item 選擇性飛秒雷射結構技術於碳化矽基材之氣體檢測元件研究(2022) 陳家鏵; Chen, Chia-Hua本研究旨是利用選擇性超快飛秒雷射製程技術(Selective femtosecond laser structuring technology)，其超短脈衝之非線性吸收及極低的熱影響區(Heat-affected zone, HAZ)加工特性，在碳化矽(Silicon carbide, SiC)基材進行多尺度複合結構之探討及氣體檢測元件開發。首先，本研究採用飛秒脈衝雷射於碳化矽表面進行製程，在剝離閥值(Threshold)為1.51 J/cm2，探討多發脈衝行為所產生之孵化效應(Incubation effect)，其孵化係數為S=0.8667±0.035。同時，本研究使用不同能量密度進行雷射誘導週期性表面結構(Laser induced periodic surface structures, LIPSS)，該結果顯示隨著能量密度提高，奈米波紋狀結構逐漸亂序排列；隨後以拉曼光譜量測不同能量密度對材料所產生之特性變化，當載流子密度(Carrier density)隨能量密度上升而增加時，所量測到的特徵峰向更高波數側移動且峰形變寬、峰值強度降低，表明分子的化學鍵長度與結構分佈發生變化。進一步，本研究描述了雷射誘導的載流子失衡行為，利用福克-普朗克方程式(Fokker–Planck equation)修改的時間相依雙溫模型(Two-temperature model, TTM)，分析雷射剝離行為、電子溫度、晶格溫度與載子密度的暫態變化。在氣體檢測元件製備方面，本研究會利用選擇性飛秒雷射製作石墨烯(Graphene) SiC基材之加熱元件，在高溫度為132.9 °C，進行該複合檢測元件應用於一氧化氮(Nitric oxide, NO)檢測，其氣體響應值(Response)於50 ppm與300 ppm分別為6.5 %與19.2 %。最後，本研究利用石墨烯電極結構摻雜二硫化鉬(MoS2)之二維材料，使其產生高比表面積，提供更高的吸附能力進而提升檢測元件性能，相較於室溫環境下之檢測，顯示提升2.08倍的靈敏度(Sensitivity)，完成飛秒雷射技術於碳化矽基材之氣體檢測應用研究。關鍵詞：飛秒雷射、碳化矽、週期性表面結構、石墨烯微熱元件、二硫化鉬、氣體偵測