臺灣博碩士論文加值系統

本論文運用離子佈植的方法，將 Cu 離子佈植入 RuO2 奈米線中
，成功合成銅摻雜 RuO2 奈米線，離子佈植之後接著進行退火熱處理，用以修復離子佈植時所產生的損傷。論文主題在於了解不同劑量的銅離子對於 RuO2 奈米線室溫電性的影響；以及對於 RuO2 奈米線結構的影響。實驗所用的分析儀器包括：掃描式電子顯微鏡－分析佈植前後奈米線表面形貌的變化、穿透式電子顯微鏡－分析銅摻雜 RuO2 奈米線的晶體結構、X 光能量分散光譜－成份分析以及元素的定量、超導量子干涉磁量儀－研究銅摻雜 RuO2 奈米線磁性質變化；以及TEM-STM 系統－兩點量測技術，量測奈米線在室溫時的電性。
我們觀察到佈植 Cu 離子會影響 RuO2 奈米線的結構，並且隨著佈植劑量的增高，RuO2 奈米線被破壞的情況也越嚴重。運用 EDS定量各不同佈植劑量奈米線 Cu 之成分百分比，發現隨著佈植劑量的增加，在銅摻雜 RuO2 奈米線中 Cu 成分百分比確實增加，並利用 X 光能量分散光譜做成之成份分佈影像圖（ EDS-mapping ）來觀察 Cu 在奈米線中分佈的情況，發現 Cu 在奈米線中並沒有特別聚集的現象。利用 TEM-STM 系統量測銅摻雜 RuO2 奈米線室溫的電性，發現奈米線的電性受到 Cu 離子佈植的影響，使得電阻率變高，而退火熱處理之後因為晶格的回復導致電阻率的下降。所量測到的電阻率變化，最後與快速傅立葉轉換的影像處理方法做結合，可以合理的解釋退火熱處理對於電阻率的影響。最後利用超導量子干涉磁量儀比較 Cu 佈植前後奈米線磁性的變化，發現其反磁訊號的增強。

章節目錄
章節 頁次
致謝 I
摘要 II
章節目錄 III
圖目錄 V
表目錄 IX
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 3
2-1 RuO2基本性質 3
2-1-1晶體結構與特性 3
2-1-2能帶結構、費米面、電子有效質量 4
2-1-3 RuO2晶體的製備方式 5
2-1-4應用 6
2-2 RuO2奈米結構 8
2-3單根奈米線電性量測 9
2-3-1電極式電性量測系統 9
2-3-2 TEM-STM電性量測系統 11

第三章 實驗步驟與分析方法 25
3-1實驗流程 25
3-2實驗步驟 25
3-2-1化學氣相傳輸爐管系統設計 25
3-2-2爐管內溫度量測 26
3-2-3材料之準備 26
3-2-4基板前處理 27
3-2-5奈米線成長步驟 27
3-2-6離子佈植與理論模擬 28
3-2-6-1加速器 29
3-3分析設備與方法 29
3-3-1 X光能量分散譜儀 (EDS) 29
3-3-2場發射掃瞄式電子顯微鏡 (SEM) 30
3-3-3穿透式電子顯微鏡 (TEM) 31
3-3-3-1奈米線穿透式電子顯微鏡試片的製備 32
3-4掃描探針電子顯微鏡系統 (TEM─STM system) 33
3-4-1 STM探針以及樣品製備 33
3-4-2 TEM─STM系統 34
3-5超導量子干涉磁量儀 (SQUID) 35

第四章 實驗結果與討論 46
4-1 SEM分析 46
4-2 TEM與EDS分析 48
4-3銅摻雜RuO2奈米線電性量測 51
4-3-1 TEM-STM電性量測系統 51
4-3-1-1改善接觸電阻 52
4-3-1-2 TEM-STM量測方法建立 53
4-3-1-3 TEM-STM量測結果 53
4-4快速傅立葉轉換 55
4-4-1不同條件之亂度係數比較 56

第五章 結論 87
第六章 未來研究方向 88
參考文獻 89

圖目錄
圖2-1 RuO2 rutile structure 晶體結構 15
圖2-2 (a) rutile RuO2在六個對稱方向的色散關係 15
圖2-2 (b) rutile RuO2的態密度對能量圖 16
圖2-3 rutile RuO2的費米面 16
圖2-4電極式電性量測系統示意圖，(a) 奈米線跨接上電極、(b)電極跨接上奈米線 17
圖2-5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 17
圖2-6使用兩點電極量測銅奈米線，(a) Cu奈米線的I-V曲線，(b) 經過氧化後形成Cu2O的I-V曲線 18
圖2-7金接觸點的電導與接觸面積的關係圖 19
圖2-8以TEM-STM系統量測InAs奈米線，其中分別使用(a)金、(b)鎢金屬當STM探針得到的I-V曲線圖 20
圖2-9 STM探針接觸半導體奈米線形成的接面示意圖 21
圖3-1實驗流程圖 37
圖3-2主要爐管系統裝置 38
圖3-3 RuO2粉末、基板位置與爐管溫度分佈示意圖 39
圖3-4 9SDH串級加速器的構造圖 40
圖3-5入射電子束與樣品作用後，產生的各種訊號 40
圖3-6入射電子與原子內層軌域的電子作用形成各種訊號 41
圖3-7電化學蝕刻法製造金探針的示意圖 42
圖3-8電化學蝕刻法得到的金探針SEM影像 42
圖3-9 TEM-STM 樣品的製備的示意圖 43
圖3-10 TEM-STM系統中 (a) 樣品和金探針的相對位置
(b) Nanofactory的試片座照片 44
圖4-1 (a)為未佈植RuO2高倍率SEM影像、(b)為未佈植RuO2低倍率SEM影像 58
圖4-2佈植劑量為1×1016cm-2的RuO2奈米線之SEM影像 59
圖4-3佈植劑量為3×1016cm-2的RuO2奈米線之SEM影像 59
圖4-4佈植劑量為5×1016cm-2的RuO2奈米線之SEM影像 60
圖4-5佈植劑量為1×1016cm-2的RuO2奈米線經過700℃、1小時退火熱處理後之SEM影像 60
圖4-6佈植劑量為3×1016cm-2的RuO2奈米線經過700℃、1小時退火熱處理後之SEM影像 61
圖4-7佈植劑量為5×1016cm-2的RuO2奈米線經過700℃、1小時退火熱處理後之SEM影像 61
圖4-8佈植劑量為1×1016cm-2的RuO2奈米線經過350℃、120小時退火熱處理後之SEM影像 62
圖4-9佈植劑量為3×1016cm-2的RuO2奈米線經過350℃、120小時退火熱處理後之SEM影像 62
圖4-10佈植劑量為5×1016cm-2的RuO2奈米線經過350℃、120小時退火熱處理後之SEM影像 63
圖4-11純RuO2奈米線的高解析TEM影像 64
圖4-12純RuO2奈米線的EDS成分分析 65
圖4-13 (a) Cu佈植劑量1×1016cm-2奈米線的EDS成分分析 65
圖4-13 (b) Cu佈植劑量3×1016cm-2奈米線的EDS成分分析 66
圖4-13 (c) Cu佈植劑量5×1016cm-2奈米線的EDS成分分析 66
圖4-14各元素在奈米線中的分佈圖 67
圖4-15 (a) 為bright field 影像 (b) 為紅框處的放大圖 (c) 為dark field 影像 (d) 為該點處nanobeam EDS結果 68
圖4-16 (a) Cu佈植劑量1×1016cm-2的RuO2奈米線之影像，插入的圖形為繞射圖形、(b) 為紅框處的放大影像 70
圖4-17 (a) Cu佈植劑量1×1016cm-2的RuO2奈米線且經過350℃120小時退火之影像，插入的圖形為繞射圖形、(b) 為紅框處的放大影像 71
圖4-18 (a) Cu佈植劑量3×1016cm-2的RuO2奈米線之影像，插入的圖形為繞射圖形、(b) 為紅框處的放大影像 72
圖4-19 (a) Cu佈植劑量3×1016cm-2的RuO2奈米線且經過350℃120小時退火之影像，插入的圖形為繞射圖形、(b) 為紅框處的放大影像 73
圖4-20 (a) Cu佈植劑量5×1016cm-2的RuO2奈米線之影像，插入的圖
形為繞射圖形、(b) 為 (a) 紅框處的放大影像 74
圖4-21 (a) Cu佈植劑量5×1016cm-2的RuO2奈米線且經過350℃120小時退火之影像，插入的圖形為繞射圖形、(b) 為 (a) 紅框處的放大影像 75
圖4-22 (a) TEM-STM兩點量測系統示意圖，由TEM螢幕投影得到
(b) 低倍率影像，可量測奈米線長度、(c)高倍率影像，可量
測奈米線直徑 76
圖4-23接觸面之間的放大圖，由於表面粗糙度，使得有效接觸面積
並不會是所有的針尖面積 77
圖4-24經由TEM-STM系統量測銅摻雜RuO2奈米線而得的I-V曲
線圖 77
圖4-25 (a)~(i) 每一點為不同長寬的銅摻雜RuO2奈米線及其相對應
的電阻值，直線為對所有數據點做最小平方線性迴歸得到
的。上方為TEM-STM操作時所得到的影像 78
圖4-26 選擇512 X 512 pixel區域進行傅立葉轉換後的繞射圖形 82
圖4-27 由圖4-26的繞射點，垂直投影 (Projection) 疊加至同一橫軸上 83
圖4-28 利用高斯函數進行最佳fitting，左方為未佈植，右方為Cu佈植劑量5×1016cm-2的函數圖形。 83
圖4-29 為未佈植與Cu佈植劑量5×1016cm-2的RuO2奈米線 ( 350℃120小時退火)之M-T圖 86

表目錄
表2-1 一般常見的金屬電阻率 22
表2-2 RuO2的電傳導性質 22
表2-3 以RuO2做為電極之電化學電容應用 23
表2-2 經由TEM-STM系統量測的半導體材料之電性特性 24
表3-1 第一片基板到第十片基板的溫度分佈 45
表4-1 各種劑量與各種退火條件下的銅摻雜RuO2奈米線TEM－
STM量測結果 84
表4-2 無序係數σ與電阻率ρ的關係 85

[1] C. N. R. Rao, B. Raveau, Transition Metal Oxides: Structure,
Properties, and Synthesis of Ceramic Oxides, 1998, Wiley Press.
[2] D. B. Rogers, R. D. Shannon, A. W. Sleight, J. L. Gillson, Inorg.
Chem., 8, 841 (1969).
[3] Charles kittel, Introduction to solid state physics, John Wiley Inc…, 1996
[4] L. F. Mattheiss, phys. Rew. B, 13, 2433 (1976)
[5] W. D. Ryden, A. W. Lawson, C. C. Sartain, Phys. Rev. B, 1, 1494 (1970).
[6] Y. Kaga, Y. Abe, M. Kawamura, K. Sasaki, Jpn. J. Appl. Phys., 38, 3689 (1999).
[7] R. G. Vadimsky, R. P. Frankenthal, D. E. Thompson, J. Electrochem. Soc., 126, 2017 (1979).
[8] R. Kötz, S. Stucki, Electrochim. Acta, 31, 1311 (1986)
[9] T. Arikado, C. Iwakura, H. Tamura, Electrochim. Acta, 23, 9 (1978).
[10] Y. T. Kim, C. W. Lee, and S. K. Kwak, Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process.67, 807, 1995.
[11] S. M. Marcus, S. R. Butler, Phys. Lett. , 26A, 518 (1968).
[12] R. T. Slivka, D. N. Langenberg, Phys. Lett., 28A, 169 (1968).
[13] L. F. Mattheiss, Phys. Rev. B, 13, 2433 (1976).
[14] J. E. Graebner, E. S. Greiner, W. D. Ryden, Phys. Rev. B, 13, 2426 (1976).
[15] R. R. Daniels and G. Margaritiondo, Phys. Rev. B, 29, 1813(1984)
[16] K. M. Glassford, J. R. Chelikowsky, Phys. Rev. B,49, 7107(1994)
[17] W. Steinhögl, G. Schindler, G. Steinlesberger, M. Engelhardt, Phys. Rev. B, 66, 075414-1(2002)
[18] S. Park, H. Kim, K. Kim, S. Min, Thin Solid Film, 341, 52 (1999).
[19] J. Vertone, C. M. Foster, G. Bai, A. Wang, J. Mater. Res, 13, 2281 (1998).
[20] Y. Abe, Y. Kaga, M. Kawamura, K. Sasaki, J. Vac. Sci. Technol. B, 18, 1348 (2000).
[21] Y. Matsui, M. Hiratani, S. Kimura, J. Material Science, 35 ,4093 (2000).
[22] Zu Rong Dai, Zheng Wei Pan and Zhong L. Wnag, Adv. Funct. Mater. 13, No. 1, January (2003)
[23] Q. X. Jia, X. D. Wu, S. R. Foltyn, A. T. Findikoglu, P. Tiwari, J. P. Zhang, T. R. Jow, Appl. Phys. Lett.,67, 1677 (1995).
[24] M. Hiratani, Y. Matsui, K. Imagawa, S. Kimura, Thin Solid Film, 366, 102 (2000).
[25] J. P. Zheng, Y. Xin, Journal of Power Sources 110, 86–90 (2002)
[26] H. Schafer, Chemical Transport Reactions, 1964, Academic Press.
[27] M. Witter, D. S. Lee, Appl. Phys. Lett., 50, 1879 (1987).
[28] D. W. Murphy, F. J. Di Salvo, J. N. Carides, J. V. Waszczak, Mat. Res. Bull., 13, 1395 (1978).
[29] S. D. Bernstein et al., Kwok et al., 1992-the 4th International Symposium on Integrated Ferroelectrics.
[30] A. Fog, R. P. Buck, Sensors and Actuators, 5, 137 (1984).
[31] J. P. Zheng, T. R. Jow, J. Power Source 62 (1996) 155.
[32] J. P. Zheng, Electrochem. Sol. State Lett. 2 (1999) 359.
[33] J. P. Zheng, P.J. Cygan, T.R. Jow, J. Electrochem. Soc. 142 (1995) 2699.
[34] B. O. Park, C. D. Lokhande, H. S. Park, K. D. Jung, O. S. Joo, J. Power Source 134 (2004) 148.
[35] Q. L. Fang, D. A. Evans, S. L. Roberson, J. P. Zheng, J. Electrochem. Soc. 148 (2001) A833.
[36] H. Kim II, K. B. Kim, Electrochem. Sol. State Lett. 4 (2001) A62.
[37] H. H. Kim, K. B. Kim, J. Electrochem. Soc. 151 (2004) E7.
[38] V. Subramanian, S. C. Hall, P. H. Smith, B. Rambabu, Solid State Ionics 175 (2004) 511.
[39] J. V. Ryan, A. D. Berry, M. L. Anderson, J. W. Long, R. M. Stroud, V. M. Cepak, V. M. Browning, D. R. Rolison, C. I. Merzbacher, Nature, 406, 169 (2000).
[40] B. C. Satishkumar, A. Govindaraj, M. Nath, C. N. R. Rao, J. Mater. Chem., 10, 2115 (2000).
[41] C. C. Chen, R. S. Chen, T. Y. Tasi, Y. S. Huang, D. S. Tsai and K. K. Tiong, J. Phys. ：Condens. Matter, 16 , 8475 (2004)
[42] C. S. Hsieh, D. S. Tsai, R. S. Chen and Y. S. Huang, Appl. Phys. Lett. 85, 3860 (2004)
[43] Hua Tan, Enyi Ye, and Wai Yip Fan, Adv. Mater. 2006, 18, 619–623.
[44] Hideaki Ohnishi, Yukihito Kondo, and Kunio Takayanagi, Letters
to Nature, 395, 780 (1998)
[45] A. Bachtold, M. Henny, C. Terrier, C. Strunk, and C.
Schonenberger, J.-P. Salvetat, J. –M. Bonard, and L. Forro, Applied
Physics Letters, 73, 274 (1998)
[46] M. E. Toimil Molares, E. M. Hohberger, Ch. Schaeflein,
R. H. Blick, R. Neumann and C. Trautmann, Applied Physics Letters, 82, 2139(2003)
[47] R Lin, M Bammerlin, OHansen, R R Schlittler, and P Boggild,
Nanotechnology, 15, 1363 (2004)
[48] Yunze Long, Zhaojia Chen, Wenlong Wang, Fenglian Bai, Aizi Jin
and Changzhi Gu, Applied Physics Letters, 86, 153102-1 (2005)
[49] John C. H. Spence, Ultramicroscopy, 25, 165 (1988)
[50] Tokushi Kizuka, Kanji Yamada, Shunji Deguchi, Mikio Naruse,
and Nobuo Tanaka, Physical Review B, 55, R7398 (1997)
[51] D. Erts, A. Lohmus, R. Lohmus, H. Olin, Applied Physics A, S71
(2001)
[52] D. Erts, H. Olin, L. Ryen, E. Olsson, and A. Tholen, Physics
Review B, 61, 127251 (2000)
[53] G. Wexler, Proc. Phys. Soc. London, 89, 927 (1966)
[54] D. Erts, J. D. Holmes, D. Lyons, M. A. Morris, H. Olin, E. Olsson,
and B. Plyakov, "Properties of Silicon Nanowires Studied by
TEM-STM", (2002) The Forth Nordic-Baltic Workshop
[55] Magnus W. Larsson, L. Reine Wallenberg, Ann I. Persson, and
Lars Samuelson, Microscopy and Microanalysis, 10, 41 (2004)
[56] K. J. Ziegler, D. M. Lyons and J. D. Holmes, Appl. Phys. Lett. 84, 4074 (2004)
[57] M. W. Larsson, L. R. Wallenberg, A. I. Persson and L. Samuelson, Microsc. Microanal. 10, 41 (2004)
[58] Z. Y. Zhang, X. L. Liang, C. H. Jin, Q. Chen, and L.-M. Peng,
Applied Physics Letters, 88, 073102 (2006)
[59] D. B. Williams, C. B. Carter, Transmission Electron Microscopy, 1996, Plenum Press.
[60] 汪建民, 材料分析, 1998, 中國材料科學學會.
[61] R. Holm, “Electric Contact”, Springer-Verlag (1967)
[62] 莊惠芳,”氧化銦錫奈米線的製備及單根奈米線電性研究”, (2006)清華大學
[63] 林奎君,”利用TEM-STM方法研究單根氧化釕奈米線之導電性質”, (2006)清華大學
[64] J. F. Zeigler and J. P. Biersack, SRIM: the stopping and range of ions in matters, version96.07. IBM-Research, Yorktown(1996)
[65] N. Bohr, Phil. Mag. 25, 20 (1913)
[66] 科儀新知，台灣大學物理所，台灣大學物理所，楊鴻昌，第十二卷第六期，72 (1992)
[67] http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page