臺灣博碩士論文加值系統

石墨烯具有相當高的載子遷移率和寬廣的吸收波長，適合用來作為光偵測器，但卻因其穿透率太高且照光後產生的載子復合速度太快而導致對光的反應微弱。因此本研究利用濺鍍氧化鋁及改變石墨烯生長溫度增加石墨烯內部的能障，改善石墨烯作為光偵測器的缺點，使其得以產生極大的開關與速度，再以非晶石墨烯參雜二氧化鈦增加其紫外光的吸收。
我們分別製作了四種不同寬度之氧化鋁/石墨烯複合元件量測及六種不同溫度製成的非晶石墨烯量測其電性，實驗結果發現 800 ℃及 1000 ℃非晶石墨烯出現最好的光響應，因此我們對此兩種石墨烯參雜二氧化鈦製成紫外光偵測器，並使用紫外光源探討二氧化鈦/非晶石墨烯在不同電壓與光強度下的特性，在 365 LED 的照射下其上升下降速度為26 ms 及 26 ms，光電流增加率為 250%。證明非晶石墨烯確實可以幫助提高此紫外光偵測器的開關速度及光電流增加率。

Graphene is a suitable material in the application of photodetectors for its high carrier mobility and broad wavelength absorption ability. However, its optical transmittance and the carrier recombination speed is extremely high after illumination, resulting in poor photoresponse. In this study, the internal energy barrier of graphene is enhanced by growing alumina oxide (Al2O3) through sputtering method on graphene and change the growth temperature of graphene, and the UV-light photoresponse of amorphous graphene is enhanced by doping titanium dioxide (TiO2).
Four different widths of alumina oxide /graphene and six different temperatures made of amorphous graphene devices were fabricated and their electrical properties were studied. Based on the experimental results, 800 ℃ and 1000 ℃ device shows better photoresponse. So we using these two kinds graphene by doping titanium dioxide made UV detector. The optoelectronic characteristic of titanium dioxide / amorphous graphene was determined by irradiating UV sources with various incident light powers and different applied voltages, Titanium dioxide / amorphous graphene was measured by 365 LED we found that the rise time and fall time were 26 ms and 26 ms, Photocurrent increase rate were 250%. Therefore, amorphous graphene is proven to increase rise time, fall time and Photocurrent increase rate of UV light detector.

摘要 I
Abstract II
目錄 II
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 石墨烯 (Graphene) 簡介 1
1-3 石墨烯的製備方法 4
1-3-1 機械剝離法 (Mechanical Exfoliation) 4
1-3-2 氧化石墨烯還原法 (Reduce Graphene Oxide) 5
1-3-3 SiC 表面外延生長法 6
1-3-4 超臨界流體法 (Super Critical Fluid, SCF) 7
1-3-5 電化學剝離法 (Electrochemical Exfoliation) 8
1-3-6 化學氣相沉積法 (Chemical Vapor Deposition, CVD) 9
第二章 文獻回顧 10
2-1 石墨烯光偵測器文獻回顧 10
2-1-1 摻雜半導體 (ZnO) 10
2-1-2 摻雜量子點 12
2-1-3 增加金屬界面 13
2-1-4 非晶石墨烯 13
2-1-5 非對稱金屬接面 14
2-1-6 化學改質後石墨烯光偵測元件 15
2-2 濺鍍原理 15
2-3 二氧化鈦結構特性介紹 18
2-4光響應度 (Responsivity) 19
2-5光響應時間 (Response time) 20
2-6 光電流 (Photocurrent) 21
第三章 實驗方法與步驟 22
3-1 實驗藥品 22
3-2 濺鍍氧化鋁元件實驗流程 23
3-2-1 濺鍍氧化鋁 23
3-2-2 氧化鋁元件石墨烯生長 24
3-2-3 氧化鋁元件轉印 25
3-2-4 蒸鍍電極 26
3-3 二氧化鈦/非晶石墨烯元件實驗流程 27
3-3-1 清洗玻璃基板 27
3-3-2 旋塗二氧化鈦 28
3-3-2 非晶石墨烯生長 28
3-3-3 非晶石墨烯轉印 29
3-4 實驗設備 30
3-4-1 旋轉塗佈機 (Spin Coater) 31
3-4-2 化學氣相沉積 (CVD) 系統 32
3-4-3 濺鍍機 33
3-3-4 拉曼光譜儀 (Raman Spectrometer) 34
3-3-5 霍爾量測 (Hall Measurement) 35
3-3-6 電性量測儀器 36
3-3-7 光功率計 (Power meter) 36
3-3-8 紫外光-可見光光譜儀 (UV-Vis spectrophotometer) 37
3-3-9 X-ray 繞射分析儀 38
3-3-10電子束蒸鍍機 39
3-3-11 場發射掃描式電子顯微鏡 40
第四章 結果與討論 42
4-1 純石墨烯光電特性分析 42
4-2 氧化鋁元件及非晶石墨烯光電特性分析 43
4-3 非晶石墨烯吸收光譜分析 45
4-4 石墨烯拉曼光譜分析 46
4-5 二氧化鈦-非晶石墨烯與氧化鋁-石墨烯複合元件光電流產生機制 48
4-6 不同寬度之氧化鋁元件分析 49
4-7 寬度1.5 mm之氧化鋁元件不同電壓下分析 51
4-8 寬度1.5 mm之氧化鋁元件不同光強度下分析 52
4-9 純非晶石墨烯不同電壓下分析 53
4-10 非晶石墨烯OM 及拉曼分析 56
4-11 二氧化鈦/非晶石墨烯不同電壓下分析 57
4-12 二氧化鈦/非晶石墨烯複合元件全光譜響應分析 61
4-13 二氧化鈦/非晶石墨烯紫外光-可見光吸收光譜分析 62
4-14 二氧化鈦/非晶石墨烯XRD分析 63
4-15 二氧化鈦/非晶石墨烯複合元件SEM 分析 64
第五章 結論與未來展望 66
參考文獻 67

圖目錄

圖 1-1 不同維度的石墨烯 3

圖 1-2 石墨烯結構示意圖 3

圖 1-3 石墨烯的能帶結構 4

圖 1-4 機械剝離法示意圖 5

圖 1-5 氧化石墨烯還原法示意圖 6

圖 1-6 超臨界流體法示意圖 7

圖 1-7 電化學剝離法示意圖 8

圖 1-8 化學氣相沉積法示意圖 9

圖2-1 (a) 指狀電極摻雜ZnO 示意圖 (b) 指狀電極摻雜ZnO元件IV曲線 (c) 254 nm 及 365 nm光原電性量測 11

圖2-2 (a) ZnO量子點內部機制示意圖 (b) 摻雜ZnO量子點元件示意圖 12

圖2-3 氧化鋁元件測量示意圖 13

圖2-4 非對稱金屬接面結構 14

圖2-5 化學氧化改質示意圖 15

圖2-6 射頻磁控濺鍍系統圖 17

圖2-7 射頻磁控濺鍍腔體圖 17

圖2-8 銳鈦礦與金紅石之晶格結構 19

圖2-9 響應時間示意圖 20

圖3-1 濺鍍氧化鋁元件實驗流程圖 23

圖3-2 (a) 四種寬度遮罩 (b) 直條形遮罩 23

圖3-3 CVD 管狀爐 24

圖3-4 氧化鋁元件轉印示意圖 25

圖3-5 蒸鍍流程圖 26

圖3-6 二氧化鈦/非晶石墨烯元件實驗流程圖 27

圖3-7 非晶石墨烯轉印示意圖 29

圖3-8 旋轉塗佈機 31

圖3-9 CVD 爐管 32

圖3-10 濺鍍機 33

圖3-11 拉曼光譜儀 34

圖3-12 霍爾量測系統 35

圖3-13 電性量測儀器 Keithley 2636 B 36

圖3-14 光功率計 37

圖3-15 紫外光-可見光光譜儀 38

圖3-16 X-ray 繞射分析儀 39

圖3-17 電子束蒸鍍機 40

圖3-18 場發射掃描式電子顯微鏡圖 (FE-SEM) 41

圖 4-1 石墨烯光反應圖 42

圖 4-2 (a) 氧化鋁元件I-V 曲線圖 (b) 非晶石墨烯I-V 曲線圖 44

圖 4-3 (a) 非晶石墨烯穿透光譜 (b) 非晶石墨烯加TiO2穿透光譜 46

圖 4-4 氧化鋁元件之石墨烯拉曼光譜 47

圖 4-5 氧化鋁元件產生光電流機制 48

圖 4-6二氧化鈦產生光電流機制 49

圖 4-7 (a) 氧化鋁 0.5mm 元件及純石墨烯特性比較圖 (b) 氧化鋁1.5mm 元件方波圖 50

圖 4-8 不同電壓下 1.5 mm 氧化鋁元件光反應圖 52

圖 4-9 不同光強度下 1.5 mm 氧化鋁元件光反應圖 53

圖 4-10 800 ℃ 純非晶石墨烯 (a) 不同電壓下特性 54

圖 4-11 1000 ℃ 純非晶石墨烯不同電壓下特性 55

圖 4-12 1000 ℃ 純非晶石墨烯 25 V 方波圖 56

圖 4-13 (a) 800 ℃ 非晶石墨烯 OM (b) 1000 ℃非晶石墨烯 OM (c) 800 ℃ 與 1000 ℃ 非晶石墨烯拉曼 57

圖 4-14 二氧化鈦/800 ℃ 非晶石墨烯 (a) 不同光強度下特性 58

圖 4-15 二氧化鈦/800 ℃ 非晶石墨烯 5 V 方波圖 59

圖 4-16 二氧化鈦/1000 ℃ 非晶石墨烯 (a) 不同光強度下特性 60

圖 4-17 二氧化鈦/非晶石墨烯複合元件之全光譜響應圖 62

圖 4-18 (a) 二氧化鈦/非晶石墨烯吸收 (b) (αhν)2與能量關係圖 63

圖 4-19 二氧化鈦/非晶石墨烯 XRD 64

圖 4-20 (a) 二氧化鈦Top view (b)二氧化鈦 Cross section 65

表目錄
表3- 1 實驗藥品 22
表3- 2 實驗儀器設備表 30
表4-1 石墨烯霍爾量測 48
表4-2 氧化鋁元件最佳特性 51
表4-3 不同電壓對應反應時間 52
表4-4 不同光強度對應反應時間與光電流增加率 53
表4-5 800 ℃純非晶石墨烯不同電壓對應反應時間及光電流增加率 55
表4-6 1000 ℃純非晶石墨烯不同電壓對應反應時間及光電流增加率 56
表4-7 二氧化鈦/800 ℃非晶石墨烯不同電壓對應反應時間及光電流增加率 61
表4-8 二氧化鈦/1000 ℃純非晶石墨烯不同電壓對應反應時間及光電流增加率 61

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