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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:吳忠益
研究生(外文):Wu, Zong-Yi
論文名稱:一維稀磁半導體Zn1-xCoxO奈米線之製備與研究
論文名稱(外文):Fabrication and Study of the One-Dimensional Diluted Magnetic Semiconductor Zn1-xCoxO Nanowires
指導教授:開執中陳福榮陳福榮引用關係
指導教授(外文):Kai, Ji-JungChen, Fu-Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:工程與系統科學系
學門:工程學門
學類:核子工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:80
中文關鍵詞:一維稀磁半導體奈米線氧化鋅奈米線
外文關鍵詞:Zn1-xCoxOnanowiresDiluted Magnetic Semiconductor
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本論文運用離子佈植的方法將Co離子佈植進成長於玻璃基版上之ZnO奈米線中,合成稀磁半導體Zn1-xCoxO奈米線,選用固定佈植Co離子能量但不同劑量,佈植之後並進行熱退火處理,以修復佈植時所造成之缺陷;論文主題在瞭解不同佈植劑量與熱退火處理對於一維稀磁半導體Zn1-xCoxO奈米線之結構型態與其磁性質的改變。實驗所用的分析儀器包括利用掃瞄式電子顯微鏡分析佈植前後Zn1-xCoxO奈米線表面型態,穿透式電子顯微鏡分析Zn1-xCoxO奈米線晶體結構及晶格影像、X光能量分散光譜及電子損失能譜儀作材料元素成分分析,並利用超導量子干涉磁量儀來量測佈植Co後與退火後Zn1-xCoxO奈米線的磁性質。
我們觀察到佈植Co離子會影響ZnO奈米線的結構,並且隨著佈植劑量的增高,ZnO奈米線被破壞的情況也越嚴重。離子佈植後造成ZnO奈米線表面不平整,有許多疊差產生。利用X光能量分散光譜(Nanobeam EDS) 沿著疊差的部分,分析Co的定量成分,並未發現Co含量有明顯較多或較少的趨勢。運用EDS統計各不同佈植劑量奈米線Co成分百分比,發現隨著佈植劑量的增加,在Zn1-xCoxO奈米線中Co成分百分比確實增加,並利用X光能量分散光譜而做成之成分分佈影像圖(EDS-mapping)來觀察Co在奈米線中分佈的情況,發現Co在Zn1-xCoxO奈米線中是均勻分佈並沒有特別聚集的現象。經過熱退火(600℃-12小時)處理後,可觀察到退火確實可修復大部分佈植造成的缺陷,並在電子損失能譜(EELS)分析退火後Zn1-xCoxO奈米線中可以清楚的觀察到Co的L2、L3的特徵峰值,並且經過以(double arctangent)函數去背景後,再以兩個勞倫斯(Lorentzian)函數回歸所得之能量損失譜,其L3/L2約為4.8,經過對照其Co在Zn1-xCoxO奈米線中化學鍵結接近 Co+2 。
在磁性質分析中,首先量測四組不同佈植劑量試片之磁化量對溫度曲線(M-T Curve),其量測溫度範圍由5K至300K,量測到的訊號為順磁訊號並無鐵磁訊號,也就是Co離子之間未有交互耦合效應,但可觀察到隨著佈植劑量增加,順磁訊號也隨之增強,由此可更確定Co離子確實有佈植進去ZnO奈米線中。並在溫度2K下量測佈植劑量為6×1016cm-2 在退火前後磁滯曲線之比較,可以觀察到退火後其磁滯曲線更為明顯,且分析退火後不同佈植劑量(2、4及6)×1016cm-2磁滯曲線,觀察到退火後Zn1-xCoxO奈米線,隨著佈植劑量的增加,其磁滯現象越明顯,綜合磁性質分析,佈植劑量的增加與退火處理對於Co+2離子在Zn1-xCoxO奈米線磁性的性質是有幫助的,這現象在稀磁半導體奈米材料中是極為有趣的。
目 錄
一、 前言………………………………………………………..1

二、研究動機…………………………………………………...4
2.1稀磁半導體之構想與重要性…………………………………...4
2.2目前稀磁半導體研究狀況……………………………………...5
2.2.1 稀磁半導體材料…………….……………………………5
2.2.2 稀磁半導體之應用……………………………………….7
2.3 稀磁半導體相關研究遭遇之難題…………………………......10
2.4 ZnO稀磁半導體材料簡介…………………………………..11
2.4.1 平均場理論(Mean field theory)……………………...11
2.4.2 磁性來源的物理機制…………………………………...12
2.4.3 ZnO基本性質與應用……………………………….....14
2.4.4 過渡金屬在ZnO中的溶解度…………………………..16
2.4.5 文獻上實驗結果………………………………………...17
2.5 一維稀磁半導體奈米材料之簡介…………………………......19
2.5.1 奈米線成長機制………………………………………...19
2.5.2 一維稀磁半導體奈米線的製備………………………...20
2.6 論文實驗條件選定………………………………….................23
三、實驗步驟與分析方法……………………………………..25
3.1實驗流程………………………………………………………...25
3.2 ZnO奈米線的合成……………………………………………...28
3.2.1實驗設備………………………………………………....28
3.2.2製備方法…………………………………………………28
3.3 離子佈植…………………………………………………….....30
3.3.1加速器………………………………………………..31
3.3.2估計佈植能量方法方法(SRIM)……………………32
3.3.3熱退火處理………………………………………...….34
3.4分析設備……………………………………………………….35
3.4.1掃瞄式電子顯微鏡……………………………………35
3.4.2穿透式電子顯微鏡……………………………………36
3.4.3 X光能量分散光譜……………………………………37
3.4.5 電子損失能譜儀……………………………………..38
3.4.5 TEM試片製備………………………………...……...41
3.4.6超導量子干涉磁量儀…………………………………41
四、實驗結果與討論………………………………………….43
4.1 SEM分析……………………………………………………..44
4.2 TEM、EDS與STEM分析…………………………………….47
4.3 Co成分百分比之EDS統計分析………………………………64
4.4 EELS 分析………………………………………………….......66
4.5 SQUID分析……………………………………………………..69
五、結論…………………………………………………………74
六、未來研究方向………………………………………………76

參考文獻……………………………………………………......78


圖 目 錄
圖2-1稀磁半導體示意圖………………………….……………….…........5
圖2-2 (In,Mn)As稀磁半導體之場效電晶體元件……………………....…7
圖2-3 磁訊號隨閘極電壓的增大而有逐漸減弱的趨勢…………….........7
圖2-4 電洞濃度的多寡會影響電子自旋的排列方式………………..….8圖2-5 Spin- LED結構與運作示意圖……………………………………...9
圖2-6 Dietl等人以平均場理論預測高居禮溫度材料…………........12
圖2-7 提高其Tc,可藉由增加載子濃度以及磁性原子的含量..............12
圖2-8侷限載子式鐵磁性(Ferromagnetism from Disorder)示意圖.......13
圖2-9交互巡迴式鐵磁性(Itinerant Ferromagnetism )示意圖……......14
圖2-10 過渡金屬在ZnO中的溶解度……………………………….....…16
圖2-11 Au-Ge合金相與VLS機制之關係……………………….....……20
圖2-12 Peidong Yang等人利用即時穿透式電子顯微鏡觀察Ge奈米線之VLS成長機制……………………………………………………..........….20
圖 3-1實驗流程圖…………………………………………………….......26
圖3-2高溫爐配置圖……………………………………………………....28
圖3-3.爐管中ZnO粉末源和基板之相對位置及溫度分佈………….......29
圖3-4爐管實際溫度分佈圖…………………………………………....…29
圖3-5.高溫爐升溫及持溫曲線………………………………………........30
圖3-6 9SDH-2 串級加速器的構造圖…………………….......…….….....32
圖3-7 SRIM 模擬……………………………………………………....…34
圖3-8 掃描式電子顯微鏡的結構示意圖………………………….....…..36
圖3-9 TEM結構示意圖………………………………………….....…...38
圖3-10 EELS偵測器外觀圖……………………………………......……..39
圖3-11 超導量子干涉磁量儀細部結構圖……………………….....…....42
圖4.1為未佈植前的ZnO奈米線之高倍SEM影像…………....…….....45
圖4.2為佈植劑量2×1016cm-2的ZnO奈米線之SEM影像…………......45
圖4.3為佈植劑量4×1016cm-2的ZnO奈米線之SEM影像………….....46
圖4.4為佈植劑量6×1016cm-2的ZnO奈米線之SEM影像………….....46
圖4.5為未佈植之ZnO奈米線TEM影像…………………………….....51
圖4.6為未佈植之ZnO奈米線之EDS分析…………………………......51
圖4-5(1)為圖4-5紅框之高分辨TEM影像圖……………………….......52
圖4.7為佈植劑量2×1016cm-2之ZnO奈米線TEM影像……………......53
圖4.8佈植劑量2×1016cm-2之ZnO奈米線HRTEM影像……………...53
圖4.9為圖4.7標記位置之EDS定量Co含量之分佈圖…………….....54
圖4.10為佈植劑量2×1016cm-2之ZnO奈米線的EDS分析…………....54
圖 4.11為退火後佈植劑量2×1016cm-2之ZnO奈米線HRTEM影像.....55
圖4.12 為退火後佈植劑量2×1016cm-2之ZnO奈米線放大之HRTEM影像………………………………………………………………….......…....55
圖4.13為圖4.11標記位置之EDS定量Co含量之分佈圖………….....56
圖4.14為退火後佈植劑量2×1016cm-2之ZnO奈米線的EDS分析….......56
圖4.15為佈植劑量4×1016cm-2 之ZnO奈米線TEM影像………….......57
圖4.16為佈植劑量4×1016cm-2之ZnO奈米線的EDS分析………….....57
圖4.17為退火後佈植劑量4×1016cm-2 之ZnO奈米線TEM影像….......58
圖4.18為退火後佈植劑量4×1016cm-2之ZnO奈米線的EDS分析….....58
圖4.19為佈植劑量6×1016cm-2 之ZnO奈米線TEM影像………….......59
圖4.20為佈植劑量6×1016cm-2 之ZnO奈米線放大TEM影像……........59
圖4.21(a)為佈植劑量6×1016cm-2 ZnO奈米線影像,(b)~(d)分別為O、Zn、Co的EDS-Mapping成分分佈圖………………………….........60
圖 4.22為佈植劑量6×1016cm-2ZnO奈米線的EDS分析…………….....60
圖4.23 退火後為佈植劑量6×1016cm-2ZnO奈米線的TEM影像,退火條件為600℃-12hr……………………………………………………............61
圖 4.24退火後佈植劑量6×1016cm-2奈米線的HRTE放大影像……......61
圖4.25 (a)為退火後佈植劑量6×1016cm-2 ZnO奈米線影像,(b)~(d)分別為O、Zn、Co的EDS-Mapping成分分佈圖………………............62
圖 4.26為退火後佈植劑量6×1016cm-2ZnO奈米線的EDS分析…….....62
圖4.27為圖4.25(a)沿著直徑Co原子百分比分佈圖…………….......63
圖4.28為選取20根奈米線佈植劑量分別為(2、4、6)×1016cm-2退火前後的EDS平均圖……………………………………………………..........64
圖4-29 Co的能量損失譜圖…………………………………………….....67
圖4-30 以double arctangent 函數去背景後再以兩個Lorentzian函數fit後所得之能量損失能譜……………………………………………...........67
圖 4-31 在不同位置EELS之L3/L2之比值...............................................68
圖4.32為佈植不同劑量之M-T曲線圖……………………….....…….....70
圖4.33為佈植不同劑量之1/χ-T曲線圖……………………….................70
圖4-34為佈植劑量為6×1016cm-2 時在佈植完與經退火600℃-12小時後的磁滯曲線(M-H curve)……………………………...........…………….71
圖4-35所示為分別於溫度2K下量測退火後3組不同劑量(2×1016cm-2、4×1016cm-2、6×1016cm-2)之磁滯曲線…………........................………….72

表 目 錄
表2-1 為目前ZnO稀磁半導體實驗結果…………………………….......18
表2-2目前ZnO稀磁半導體一維結構實驗結果……………………........23
表3-1為實驗單位與實驗儀器設備…………………………………….....27
表 4-1 為選取20根奈米線佈植劑量分別為(2、4、6)×1016cm-2
退火前後的Co 成分定量平均值與標準差…………………………........65
表4-2為Co+2、Co+4、1/3Co+2+2/3 Co+3、文獻中實驗所得之結果….....68
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