學位論文
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Item 超快雷射多尺度複合結構實現氣體檢測應用之研究(2019) 杜晨廷; Tu, Chen-Ting本研究是利用超快雷射(Ultrafast laser)之超短脈衝(Ultrashort pulses)的特性，進行多尺度複合結構(Multiscale composite structures)元件製作，進而應用於氣體檢測(Gas detection)。由於該雷射製程具較小熱影響區(Heat-affected zone)，以能精確進行尺寸的製作。本研究超快雷射製程是在導電石墨烯(Graphene)薄膜基材上，進行圖案化電極(Electrode)結構元件，其結構包括指叉狀元件(Interdigitated electrodes, IDEs)和微溝槽(Microgrooves)。另一方面，為結合導電奈米線於微結構元件，本研究透過水熱法(Hydrothermal)生長氧化鋅(ZnO)奈米線於指叉狀元件上，且在微溝槽生長氧化鋅奈米線，並調控浸泡種晶層溶液時間生長氧化鋅奈米線，將元件電阻從106 下降至約550 。本研究發現在生長溶液中添加甲醇(Methanol)為界面活性劑，將有助於於微結構底部生長氧化鋅奈米線。最後，本研究會於兩種氣體感測元件結構設計，進行不同氣體濃度一氧化氮(Nitric oxide, NO)之檢測探討。本研究結果顯示以指叉狀元件結構氣體感測元件，偵測氣體濃度於50 ppm時，氣體響應值(Response)為6%；氣體濃度於150 ppm時，氣體響應值可為18%；氣體濃度於300 ppm時，氣體響應值可為31%。以微溝槽作為氣體感測元件時，偵測氣體濃度於50 ppm時，氣體響應值為11%；氣體濃度於150 ppm時，氣體響應值為22%；氣體濃度於300 ppm時，氣體響應值為40%。Item 氧化鋅奈米線應用於LED與其特性改良(2011) 黃秀麗發光二極體是一種極具潛力成為下一世代主要光源的固態照明技術。在發光二極體的發展過程中，歷來技術上之突破大幅改善其光電特性，但現階段發光效率仍不足，故發光二極體發光效率的提升，是目前技術發展的重點之一。過去的研究指出，相較於傳統薄膜型發光二極體，具奈米線結構之發光二極體在相同注入電流下，會因量子侷限效應而提升其發光強度。本論文採用水熱法製備N型氧化鋅奈米線，選擇氮化鎵薄膜作為P型材料則，製作成異質接面發光二極體結構，並進行其特性之研究。另一方面，氮化鎵發光二極體因菲涅爾損失(Fresnel loss)及全反射現象而降低其光萃取效率，同樣可藉由氧化鋅奈米線之應用而有所改善，故本論文於氮化鎵垂直型發光二極體之出光面，成長氧化鋅奈米線，以提升其光萃取效率。 在P型氮化鎵薄膜/N型氧化鋅奈米線異質結構的製備上，本論文致力於元件串聯電阻的降低，以及改善漏電流現象。在降低元件串聯電阻的部份，經快速熱處理製程後，氧化鋅鋁成核層及氧化鋅鋁電流擴散層之最佳電阻率分別為7.165×10-3、2.141×10-3 Ω-cm。鋁摻雜之氧化鋅奈米線，分別使用硝酸鋁、氯化鋁及醋酸鋁做為鋁摻雜來源，由歐傑電子能譜及X光光電子能譜儀可檢測出氧化鋅奈米線有鋁的成分。在改善漏電流現象的部份，採用液態二氧化矽之溶液，旋塗在奈米線之間，並烤乾以形成薄膜，實驗結果顯示旋塗3次可以得到最佳之旋塗效果，並以RIE通CF4氣體蝕刻絕緣材料至露出奈米線表面，完成奈米線間之絕緣填充。 在N型氮化鎵出光表面製備氧化鋅成核層/氧化鋅奈米線，以改善光萃取效率的部分，本論文於未粗化與已粗化出光表面製備氧化鋅成核層/氧化鋅奈米線。實驗結果顯示，在未粗化之N型氮化鎵表面製備氧化鋅成核層/氧化鋅奈米線，可提升氮化鎵發光二極體之光輸出功率，當氧化鋅成核層之厚度為100 nm，水熱法溶液之濃度為35 mM，在350 mA之注入電流下，氮化鎵發光二極體之光輸出功率可提升151.47 %，為最佳結果。將氧化鋅成核層/氧化鋅奈米線製備於已粗化之N型氮化鎵表面，則會略微降低其光輸出功率。此外，製備氧化鋅成核層/氧化鋅奈米線於氮化鎵發光二極體之出光表面，可改善其二極體特性，IR良率亦略微提升，顯示成長氧化鋅奈米線可以減少漏電流現象。Item 具氧化鋅奈米柱之發光二極體製作(2010) 童建凱; Chien-Kai Tung發光二極體被視為未來主要的照明光源，高功率發光二極體於技術上屢有突破，但現階段發光效率的不足，使發光二極體無法取代傳統光源作為照明燈源的主流，故發光二極體發光效率的提升，是目前技術發展的重點之一。過去的研究指出，將奈米線應用於發光二極體的結構製作，能有效提升其發光強度；而在各式成長奈米線的方法中，水熱法製備之奈米線具有高品質順向成長與製程簡易的優點，故本論文將採用此法成長氧化鋅奈米線，並以射頻濺鍍法沉積N型氧化鋅鋁薄膜，P型材料則選用氧化鋅與氮化鎵薄膜結構，藉以製備其氧化鋅奈米線之發光二極體，並進行其發光特性之研究。 在奈米線的部份，藉由水熱法成功製備氧化鋅奈米線，氧化鋅奈米線摻雜鋁部分，鑑於製程步驟與參數和文獻有所不同，故摻雜效果不彰，需以更多的參數進行測試。熱處理氧化鋅奈米線方面，可發現因缺陷產生的綠光波段強度明顯降低，並且對於降低阻值與能障有很大幫助。 P型氧化鋅部份，使用摻雜P2O5氧化鋅靶材，在具有氧化鋅緩衝層之藍寶石基板上，加熱至700 C，藉由氬/氧流量比例為1:3，沉積氧化鋅磷薄膜，並在氧氣的氣氛下冷卻。隨後氧化鋅磷薄膜經由RTA處理，有可能製備出P型氧化鋅薄膜。目前在RTA持溫溫度900 C，持溫5分鐘之處理下，已製備出局部P型氧化鋅薄膜，其載子濃度為8.7921018 cm-3，移動率為0.793 cm2 / V-s，電阻率為0.8953 -cm。實驗的結果推測可能是試片電性轉換不完全所致。未來將考慮以共濺鍍或熱擴散的方式，繼續P型氧化鋅薄膜之試驗。 發光二極體部份，目前已於P型氮化鎵(鎂摻雜，載子濃度約為1017 cm-3)薄膜上，成功製備氧化鋅奈米線/N型氧化鋅鋁薄膜結構，並完成發光二極體之晶粒製作，其尺寸為300 m 300 m。在約大於15 V的操作電壓下，以長工作距離顯微鏡可觀察到，發光二極體晶粒的部份區域放射出藍光，且發光強度隨著電壓增加而變大。但初期製作之串聯電阻極高，且電流分布不均，在改善電極形狀後，可以有效增加電流分布的範圍，並且經過製程順序的調整，能有效改善因快速熱退火處理對鋁電極產生的不良影響，讓發光區域增加。未來將以快速熱退火進行後處理，並檢測其電極是否形成歐姆接觸，以期提升性能，進而檢測其發光頻譜等特性。Item 水熱法成長摻鎵氧化鋅奈米線應用於一氧化碳氣體感測之研究(2010) 潘俊良; Jun Liang Pan本研究係利用水熱法成長氧化鋅奈米線製成感測元件，並改變不同之鎵摻雜量，藉此探討一氧化碳氣體感測特性。首先，利用溶膠凝膠法製備氧化鋅材料，以旋轉塗佈製備一層氧化鋅種子層，加以進行不同溫度的退火處理，再以此當作基底成長氧化鋅奈米線，再探討其CO感測特性。實驗結果發現，種子層經500 C退火處理後成長的奈米線具有最佳(002)優先成長方向而種子層經700 C 退火處理後成長的氧化鋅奈米線可得到最佳長寬比，且在感測溫度250 C、CO濃度為200 ppm時具有最佳的感測靈敏度。另一方面，本研究分別以500 C及700 C退火種子層當作基底，在水熱法環境分別摻雜0.5 at. %、1 at. %、2 at.%的硝酸鎵成長氧化鋅奈米線，發現摻鎵濃度增加，氧化鋅奈米線的長寬比會降低，且經由700 C退火處理成長摻雜0.5 at. %硝酸鎵氧化鋅奈米線在感測溫度200 C時具有最佳的感測靈敏度，可達到12.64。最後，藉由改變水熱法溫度成長摻鎵氧化鋅奈米線，發現種子層700 C退火當作基底，在85 C條件下成長摻鎵氧化鋅奈米線具有最佳的長寬比，在感測溫度200 C時具有最佳的CO感測靈敏度為14.48。Item 氧化鋅奈米線應用於發光二極體之研製(2009) 趙偉迪; Wei-Di Chao發光二極體被視為未來主要的照明光源，高功率發光二極體於技術上屢有突破，但現階段發光效率的不足，使發光二極體無法取代傳統光源作為照明燈源的主流，故發光二極體發光效率的提升，是目前技術發展的重點之一。過去的研究指出，將奈米線應用於發光二極體的結構製作，能有效提升其發光強度；而在各式成長奈米線的方法中，以水熱法製備之奈米線具有高品質順向成長與製程簡易的優點，故本論文將採用此法成長氧化鋅奈米線，並以射頻濺鍍法沉積N型氧化鋅鋁薄膜，P型材料則選用氧化鋅與氮化鎵，藉以製備氧化鋅奈米線發光二極體，進行其特性之研究。 在奈米線的部份，藉由水熱法成功製備氧化鋅奈米線，直徑34 nm-200 nm，長度1 um-2 um，密度4 NWs/um2-68.23 NWs/um2。EDS分析顯示氧化鋅奈米線的鋅、氧比接近50 % : 50 %。XRD分析僅於34度存在繞射峰值，亦即於(002)面有較強之繞射訊號。PL顯示奈米線的發光峰值位於378 nm，並具有微弱之可見光放射。從HRTEM可觀察到，奈米線內部的晶格結構良好，晶格條紋間距為0.2629 nm，証實奈米線為C軸取向成長。 N型氧化鋅鋁薄膜部份，其最佳電阻率為3×10^(-3) Ω-cm，載子濃度為1.72×10^21 cm^(-3)，載子遷移率為0.0715 cm2/V-s，於可見光波段的平均穿透率大於80 %，於波長450 nm之最佳穿透率為87 %，於波長380 nm之最佳穿透率為77 %。 P型氧化鋅部份，分別使用氧化鋅及純鋅靶材，嘗試藉由製程氣體氧/氬比例的控制，用以製備P型氧化鋅，但目前薄膜均呈現N型半導體電性。未來將使用摻雜P2O5之氧化鋅靶材，繼續P型氧化鋅薄膜之試驗。 發光二極體部份，目前已於P型氮化鎵(鎂摻雜，載子濃度約為10^17 cm^(-3))薄膜上，成功製備氧化鋅奈米線/N型氧化鋅鋁薄膜結構，並完成發光二極體之晶粒製作，其尺寸為300 um×300 um。在約大於15 V的操作電壓下，以長工作距離顯微鏡可觀察到，發光二極體晶粒的部份區域放射出藍光，且發光強度隨外加電壓而增加。發光二極體之I-V曲線顯示其串聯電阻相當大，未來將以快速熱退火進行後處理，以期提升其性能，並檢測發光頻譜等特性。Item 水熱法成長氧化鋅奈米線陣列應用於染料敏化太陽能電池(2009) 陳冠文本研究使用溶膠凝膠法(sol gel method)製備氧化鋅薄膜，作為成長氧化鋅奈米線陣列基底，經退火處理後，可得到高結晶的微小表面顆粒種子層；水熱法(Hydrothermal method)的水溶液環境中利用氧化鋅特有極性表面特性，在同質氧化鋅種子層上成長奈米線陣列，控制反應水溶液濃度以及成長時間，製備出高準直性的奈米線陣列，得到最佳的電極長度與長寬比(L=2300 nm, L/D=46)。在水熱環境中摻雜2 at.%鋁使氧化鋅奈米線增強結晶性，使長寬比由46增加至60.5，改善電極表面形貌，鋁離子的嵌入亦能增強電子傳導性與材料表面極性，使奈米線電極對染料吸附能力增加、抑止ZnO2+/dye錯合物的產生。以更換反應水溶液方式持續成長摻雜鋁奈米線增加體表面積，接續成長方式使電極長度由2.3 m增加至6.6 m，而效率則由0.152%提升至0.834%。摻雜2 at.%鋁氧化鋅奈米線電極，在相似長度下(約6.5 m)，改善電池效率由純氧化鋅奈米線陣列的0.492%提升至0.834%。Item 以水熱法成長氧化鋅奈米結構應用於光電致色變元件(2008) 李峻宇本研究利用水熱法在透明導電基板上製備出氧化鋅奈米線陣列，再將成長於上的奈米線陣列應用於染料敏化太陽能電池和光電致色變元件並量測其效率。透過改變成長參數和試片前處理，氧化鋅奈米線陣列在表面形貌上有很明顯的不同，當反應起始濃度越高時，氧化鋅的直徑也有增加的趨勢。不同的晶種層也會影響氧化鋅奈米結構的成長，在氧化鋅的晶種層上可以成功的長出垂直於基板的奈米線陣列，氧化鎢的晶種層則會長出二維片狀結構。奈米線的直徑直接影響著染料敏化太陽能電池的效率，當直徑越大時比表面積就越小，可吸附的染料量就會減少。透過氧化鋅奈米線陣列製備而成的光電致色變元件，在經過日光照射後可以改變穿透率，其著去色狀態在可見光區段最高可達16％。Item 水熱法沉積PZT壓電薄膜應用於微致動器之開發(2007) 林宏展傳統之陶瓷壓電材料鋯鈦酸鉛(PZT)薄膜，必須使用射頻磁控濺鍍法，或是以溶膠-凝膠法(sol-gel)旋塗後，再經由高溫燒結(650 C-700 C)而成，其生產之製程設備昂貴、薄膜結構製程複雜或經高溫燒結會使微元件受到破壞等缺點。因此，必須發展低溫製程之鋯鈦酸鉛薄膜沉積，以實現低成本微元件之開發。水熱合成法是將化學溶液放置在密閉容器中，加熱至120 ~ 200 C使容器內部達到飽和蒸汽壓力，藉著高溫高壓之環境析出所需之物質。由於水熱法擁有低製程溫度與製造成本，且容易製作厚膜，故本研究使用水熱法來沉積鋯鈦酸鉛薄膜，並且利用此薄膜沉積技術製作壓電式微致動器。 本研究在探討鈦金屬層對於水熱法沉積之特性，利用不同之鈦金屬層厚度觀察其沉積情形；再者，透過低溫之基板前熱處理方式，改善薄膜之附著性；最後嘗試著控制成核及晶體成長之沉積機制改善薄膜之密度。研究結果證實，鈦金屬層於水熱法中是當作沉積之起始層，且鈦金屬層會在開始沉積時提供反應所需之鈦離子，增加鈦金屬層厚度可以加快薄膜沉積速率。本研究成功在1 m之鈦金屬層輔助下，使鋯鈦酸鉛薄膜之沉積速度達到6.20 m / 24 hr，但是鈦金屬層超過1 m後，對於沉積速率並無太大的影響。本研究利用200 C持溫一小時之基板前熱處理條件下，有效的改善鋯鈦酸鉛薄膜之附著性。本研究以提高水熱溶液之反應物濃度，控制薄膜在成核機制下進行沉積之方式，製作出密度為 4.402 103 kg / m3之薄膜。 本研究預期利用發展出之鋯鈦酸鉛薄膜沉積方式，製作懸臂樑壓電微致動器，但遇到矽基材表面之氮化矽覆蓋不緻密，導致矽基材受到KOH攻擊之問題，目前仍致力於保護矽基材之方式進行研究。Item 氧化鋅奈米線陣列披覆PVDF製作可撓性壓電元件之輸出電壓特性研究(2015) 許敬玄; Shiu, Jing-Shiuan本研究先利用濺鍍機在可撓式銅基板上沉積一層氧化鋅種子層，再將沉積種子層過後的銅基板經過水熱法長出一維結構之氧化鋅奈米線，透過不同氧化鋅種子層的粗糙度改變氧化鋅奈米線之線徑與線長：氧化鋅種子層粗糙度低，奈米線長且細，但容易造成奈米線叢聚現象；氧化鋅種子層粗糙度高製備出奈米線線徑粗，因線徑粗使奈米線叢聚現象降低。因製備完成氧化鋅奈米線後，需將PVDF薄膜旋塗於氧化鋅奈米線上，若奈米線有叢聚現象，PVDF溶液較不易均勻沉浸於奈米線中。接下來探討PVDF在何種結晶的環境下和厚度，能有效的提高PVDF的壓電輸出特性，一般PVDF的熔點溫度在160℃。研究成果指出，PVDF薄膜在300 rpm的轉速有最大的壓電輸出，且在烘烤時間50分鐘也能有效的使壓電輸出達到最佳化。 雖然氧化鋅奈米線本身也是壓電材料，但其壓電輸出特性卻非常小；而在PVDF薄膜上，雖材料本身耐強度與高壓電輸出特性，但其壓阻高所造成的靈敏性低之缺點，故在最後研究，將結合兩種材料以達到相輔相成的效用在，所以近一步探討PVDF薄膜在有無披覆氧化鋅奈米線時的壓電輸出特性的差異，結果顯示披覆氧化鋅奈米線時之壓電輸出特性增加、反應時間減少，都是因氧化鋅奈米線高體表面積的優點，使PVDF薄膜能突破本身低靈敏性的特性，能有潛力成為高敏性與高輸出之可撓式攜帶電子元件。