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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:吳嘉泰
研究生(外文):Chia Tai Wu
論文名稱:延伸式閘極結構與其感測特性之研究
論文名稱(外文):Study of the Device Structures and Its Sensitivities of the Extended-Gate Electrochemical Sensor
指導教授:姚品全姚品全引用關係
指導教授(外文):Pin Chuan Yao
學位類別:碩士
校院名稱:大葉大學
系所名稱:電機工程學系碩士在職專班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:78
中文關鍵詞:奈米二氧化鈦ITO-Glass延伸式閘極結構PEG(Polyethylene glycol)
外文關鍵詞:Nano-TiO2ITO-GlassExtended-Gate Field Effect TansistorPEG(Polyethylene glycol)
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本研究以添加PEG(Polyethylene glycol)之奈米二氧化鈦,旋轉塗佈於ITO玻璃基板,經450℃退火1小時後,形成多孔性TiO2薄膜,探討製程條件對於薄膜結構與表面特性之影響。由分析儀器DRIFT、EDS、SEM、AFM及XRD分析比較:以DRIFT進行分析,在接近3000cm-1附近觀察出3個吸收峰,分別是2856、2927、2960 cm-1,是屬於Surface Hydroxyl Group,所對應的鍵結。以EDS分析成分組成元素,其Ti的比重為53.72%,原子比為37.07%。另外,由SEM分析表面結構,觀察添加PEG前後,其薄膜孔隙度的大小和緻密性薄膜結構有明顯之區別。在AFM分析上,其在添加PEG後,其薄膜表面結構平整度已變的鬆散。另外,藉由XRD分析晶相,其在有無添加PEG的情形下,觀察出分別為銳鈦礦相Anatase (101)、(004)、(200)晶面。對於以上分析之結果,皆有不同之變化,深具有探討之價值。
我們並以此結構為基礎,經過連接導線與封裝等步驟,製作延伸式閘極結構電極,應用於水溶液中氫離子濃度的感測。藉由二氧化鈦界面與不同濃度氫離子產生選擇性吸附,造成表面電位改變,因而影響相對應之場效電晶體元件中,通道電流(IDS)與電壓(VDS)之變化,因其變化會隨pH值作改變,所以可作為pH值感測之用。研究結果發現:當量測系統溫度為25℃,使用之緩衝溶液(Buffer Solution)為pH=2~12時,TiO2(PEG, 1 layer,膜厚4μm)結構其感測度為44μA/pH,而不添加PEG之多孔結構TiO2(No PEG, 1 layers,膜厚4μm) 其感測度僅27.5μA/pH,當膜厚增為7μm時 TiO2(PEG, 2 layers),EGFE具有最佳感測度69μA/pH,可知膜厚之增加,對感測特性影響很大。而在TiO2(No PEG、PEG, 1 layers 及PEG, 2 layers )其pH=2~7時,其感測度為(20、54及84μA/pH);而pH=7~12時,其感測度為(32、34及54μA/pH)。很顯然地在酸鹼液溶中其感測度有增加,但在感測特性上,在酸性溶液中就明顯比鹼性溶液中要來的好。
在多孔隙膜(69μA/pH)要比緻密膜(27.5μA/pH)的感測特性來的好的情形上,多孔膜的孔隙度調整及膜厚的增加,在於PEG、Spin Coating及退火溫度,相對於感測度的好壞都有不同的影響及變化,在這裡也深具有研究之價值。
In this study, porous thick TiO2 films were fabricated by using nanocrystalline TiO2 paste spin-coated on ITO-Glass. The porosity of TiO2 films was controlled by adding PEG(Polyethylene glycol, MW=4000). After annealing at 450℃ for 1 hour under ambient atmosphere, the as-prepared thick films were characterized by DRIFT、EDS、SEM、AFM and XRD, etc. The results analyze by DRIFT reveal that there are three distinct peaks at 2856、2927 and 2960 cm-1 , respectively which could be account for the corresponding bonds of surface hydroxyl group. To analyze the component elements by EDS, the weight of Ti is 53.72% with the atomic ratio of 37.07%, it shows indirectly from the O to Ti ratio that some of lattice oxygen is in deficiency. Besides, the morphology and surface structures of TiO2 films change a lot after the introduction of PEG as characterized by SEM. The films after adding PEG were more rugged as further proved by the Rms index of AFM. Meanwhile, the crystalline of the films were characterized by XRD. The diffraction patterns was identified to be the anatase phase diffracted at (101), (004) and(200) crystal face.
The above structures were further connected to wire and encapsulated to make the extend-gate structures of ion-selective field effect transistor(EGFET) as pH sensor. Because the interface of TiO2 is selective under different activities of H+( different pH), the absorbed ions will further changed the surface potential which will further influence the IDS and VDS of the EGFET under reverse bias.. The results were summary below: when the temperature of the system is 25℃ and buffer solution is pH=2~12, the structure sensitivity of TiO2(PEG, 1 layer, film thickness is 4μm) is 44μA/pH. However, porous structure sensitivity of TiO2 without adding PEG (no PEG, 1 layer, film thickness is 4μm) is only 27.5μA/pH. When the film thickness is increasing to 7μm, TiO2 (PEG, 2 layers), EGFET has the best sensitivity 69μA/pH. By this result, we know film thickness influences sensitivity a lot. Then when pH=2~7, TiO2(No PEG, PEG, 1 layer and PEG, 2 layers ),The sensitivity is 20、54 and 84μA/pH, respectively. When pH=7~12, The sensitivity is 32、34 and 54μA/pH respectively. The sensitivity increased in acid and alkaline solutions, and the characteristic of sensitivity is obviously better in acid buffer than in alkaline buffer.
Because the sensitivity is better in porous film (69μA/pH) than in densely film (27.5μA/pH), porosity adjusting and film thickness increasing of porous film will affect sensitivity in PEG, spin coating and annealing, it's valuable to study.
封面內頁
簽名頁
授權書.........................iii
中文摘要........................iv
英文摘要........................vi
誌謝..........................viii
目錄..........................ix
圖目錄.........................xii
表目錄.........................xv

第一章 前言......................1
1.1 研究背景..................1
1.2 研究動機..................4
1.3 研究流程及架構...............6
第二章 製備原理與理論探討...............10
2.1 成膜製程分析................10
2.1.1 旋轉塗佈鍍膜 ............10
2.1.2 預熱(前處理):Volume Change ....11
2.1.3 退火溫度對晶相的成長 ........11
2.1.4 退火(通氣體):Phase Change .....11
2.2 二氧化鈦之介紹...............12
2.3 二氧化鈦的應用...............13
2.4 理論分析..................17
2.5 感測材料之選擇...............20
2.6 延伸式閘極之理論分析............20
2.6.1電雙層(Electrical Double Layer)理論.....21
2.6.2 吸附鍵結模型(Site-Binding Model) .....22
2.6.3感測度之定義..............23
第三章 實驗與量測方法.................24
3.1 二氧化鈦漿料之調配.............24
3.1.1實驗藥品................25
3.1.2 二氧化鈦的配製與注意事項........25
3.1.3 添加PEG於二氧化鈦之配製....... 26
3.2 基板清潔及爐管退火.............28
3.2.1 基板的清潔.............. 28
3.2.2 爐管退火............... 29
3.3 感測元件之封裝...............30
3.4 性質分析儀器................31
3.4.1 X ray 繞射分析( XRD ) .........31
3.4.2 Scanning Electron Microscope (SEM)分析..31
3.4.3 原子力顯微鏡分析(AFM) ........32
3.5 電性量測..................34
3.5.1 I-V量測系統..............34
3.5.2 CVCC量測系統............ 35
第四章 結果與討論................... 37
4.1 多孔性TiO2薄膜表面化學特性分析...... 37
4.2 EDS薄膜成份分析............. 38
4.3 薄膜結構之SEM分析............39
4.3.1 塗佈TiO2於不同基板上之分析......39
4.3.2 添加PEG於TiO2中其塗佈於基板上之分析.43
4.4 薄膜結構之AFM分析.......... . 47
4.5 薄膜結構之XRD分析.......... . 55
4.6 TiO2感測薄膜之電性量測 .......... 61
4.6.1 TiO2/ITO/Glass在不同pH緩衝溶液中感測度之影響.................. 61
4.6.2 TiO2/Cu及TiO2/Ti在不同pH緩衝溶液中感測度之影響................ 68
第五章 結論...................... 72
第六章 未來展望.................... 74
參考文獻........................ 75
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