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研究生:王俊傑
研究生(外文):Chun Chieh Wang
論文名稱:氧化鋅奈米線光電特性之研究
論文名稱(外文):Study of opto-electronic properties of ZnO nanowires
指導教授:郭守義郭守義引用關係
指導教授(外文):S. Y. Kuo
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:電子工程學研究所
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:2009
畢業學年度:97
論文頁數:83
中文關鍵詞:氧化鋅奈米線汽─固成核機制場發射電性
外文關鍵詞:ZnO nanowiresVS mechanismfield emission property
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垂直排列的氧化鋅奈米線已經可以在高溫爐管內利用化學氣相沉積(CVD)法,順利的成長在鍍金薄膜(Au)的矽基板上。主要是利用鋅粉當來源氣體並且藉著控制成長的時間和溫度來完成氧化鋅奈米線的成長。此種利用金薄膜當緩衝層成長氧化鋅奈米線的方法,主要是以汽─固成核機制(VS mechanism)為主。目前已經可以利用場發射電子顯微鏡(FE-SEM)、X光繞射儀(XRD)研究氧化鋅奈米線的形貌、結構及結晶性,由場發射電子顯微鏡可以得知,成長時間為120分鐘且溫度為550°C的氧化鋅奈米線,其線長約為1.5 µm,線徑約為350 nm且其奈米線成長的方向主要是沿著c 軸方向成長,由光激發螢光光譜儀(PL)的量測結果也指出其有很強的近帶隙發光(~382 nm)和很弱的深能階缺陷發光(~500 nm) ,在反射率的量測中可以清楚的知道此均勻分佈且高順向氧化鋅奈米線有較佳的抗反射特性(反射率~ 5.7%)。最後,在場發射電性的量測結果指出高密度的氧化鋅奈米線有較高的場發射效率。
Vertically aligned ZnO nanowire arrays have been synthesized on Au buffer layer deposited on silicon substrates by using chemical vapor deposition (CVD) in furnace . Additional control time and temperature of growth was achieved by implementing a Zn powder source into a aluminum oxide (Al2O3) boat. The growth of the ZnO nanowires dominated by the synergy of vapor-solid-nucleation mechanism (VS mechanism).The morphology and structure of the ZnO nanowires have been extensively investigated using field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), X-ray diffraction (XRD).For 120min of reaction time at substrate temperature of 550 °C, the length and the diameter of ZnO nanowires were about 1.5 µm and 350 nm and the ZnO nanowires have preferred growth orientation along the c-axis. Photoluminescence (PL) spectrum exhibits strong the near-band-edge (NBE) emission (~382 nm) and weak defect-related deep-level emission (DLE) (~500 nm) at room temperature. It demonstrated that 120min of reaction time of the ZnO nanowires caused less defects than the other reaction time, and strong alignment and uniform distribution of ZnO nanowires can enhance the antireflection coatings (ARCs), thus, the 120min of reaction time of the ZnO nanowires have lowest reflectance(~ 5.7% ). The field emission (FE) property was measured on the aligned ZnO nanowires with different densities, the highest emission efficiency was observed on highest density ZnO nanowires.
第一章 簡介 1
第二章 文獻回顧 3
2-1 ZnO 基本性質與應用 3
2-1-1 結構 3
2-1-2 光電特性 3
2-2 發光機制 3
2-2-1 紫外光放射 (UV emission) 4
2-2-2 綠光放射 (Green emission) 5
2-3 奈米線簡介 6
2-4 奈米線成長機制 6
2-4-1 氣-液-固成長機制 (Vapor-Liquid-Solid Growth Mechanism VLS growth mechanism) 6
2-4-2 氣-固凝核機制 (Vapor-Solid nucleation mechanism, VS mechanism) 7
2-5 ZnO 奈米線的製程 8
2-5-1 鋅蒸氣氧化法[22,33] 8
2-5-2 有機金屬氣相磊晶(MOPVE)製程[19] 8
2-5-3 化學氣相沈積法(CVD)[22] 9
2-5-4 水熱法[40] 9
2-5-5 模板法[42] 9
第三章 實驗方法與步驟 20
3-1 實驗流程圖 20
3-2 試片製備 21
3-2-1 材料準備 21
3-2-2 矽基板的清洗 21
3-2-3 基板鍍金做為VS 機制緩衝層(buffer layer) 21
3-2-4 實驗設備 22
3-2-5 製作ZnO 奈米線 22
3-2-6 設備分析與方法 23
3-2-6-1 場發射掃瞄式電子顯微鏡(FE-SEM) 23
3-2-6-2 X 光繞射分析 (XRD) 24
3-2-6-3 光激螢光光譜儀 (Photoluminescence) 24
3-2-6-4 反射率光譜儀 (Reflection spectrometer) 25
3-2-6-5 場發射量測系統(Field Emission Measurements Systrm) 26
第四章 結果與討論 38
4-1 製程時間對ZnO 奈米線的影響 38
4-1-1 X 光繞射儀(XRD)分析 38
4-1-2 場發射電子顯微鏡(FE-SEM)影像 39
4-1-3 光激螢光光譜儀 (Photoluminescence)分析 40
4-1-4 反射率光譜儀 (Reflection spectrometer)分析 41
4-1-5 場發射 (Field Emission) 特性的量測 42
4-2 製程溫度對ZnO 奈米線的影響 43
4-2-1 X 光繞射儀(XRD)分析 43
4-2-2 場發射電子顯微鏡(FE-SEM)影像 44
4-2-3 光激螢光光譜儀 (Photoluminescence)分析 45
4-2-4 反射率光譜儀 (Reflection spectrometer)分析 46
4-2-5 場發射 (Field Emission) 特性的量測 46
第五章 結論 67
5-1 製程時間對ZnO 奈米線的影響 67
5-2 製程溫度對ZnO 奈米線的影響 67
參考文獻 68

圖目錄
圖2-1. ZnO 結構示意圖 11
圖2-2. ZnO 激子與能帶能階示意圖 12
圖2- 3. K. Vanheusden提出之ZnO 缺陷能階躍遷示意圖。 (a)低濃度時自由載子情形,(b)高濃度時自由載子濃度情形 13
圖2-4. B. Lin 所提出ZnO 之缺陷能階圖 14
圖2-5. VLS 成長機制 15
圖2-6.螺旋差排結構解釋氣相沉積機制示意圖 16
圖2-7. 以鋅蒸氣氧化法製作ZnO 晶鬚之掃描式電子顯微鏡影像 17
圖2-8. 化學氣相沈積法的示意圖 18
圖2-9. 模板法成長示意圖 19
圖3-1. 超音波震盪器 28
圖3-2. DC Sputter 28
圖3-3. 高溫爐管設備圖 29
圖3-4. 改變成長時間ZnO 奈米線之製程示意圖 29
圖3-5. 改變成長溫度ZnO 奈米線之製程示意圖 30
圖3-6. Hitachi S5000 FE-SEM系統 31
圖3-7. X-Ray 儀器架構圖 32
圖3-8. Photoluminescence 原理圖 33
圖3-9. Photoluminescence 架構圖 33
圖3-10. 反射率光譜儀的儀器實體圖 34
圖3-11. 未加電場的能帶圖 35
圖3-12. 外加大電場的能帶圖 36
圖3-13. 場發射量測儀器示意圖 37
圖3-14. 場發射量測系統 37
圖4-1. 溫度550℃,不同製程時間下之ZnO 奈米線XRD繞射圖 48
圖4-2. ZnO 奈米線(002)繞射峰晶相之半高寬值 48
圖4-3. 成長時間30分鐘之ZnO 薄膜FESEM剖面圖 49
圖4-4. 成長時間60分鐘之ZnO 奈米線FESEM剖面圖 49
圖4-5. 成長時間90分鐘之ZnO 奈米線FESEM剖面圖 50
圖4-6. 成長時間120分鐘之ZnO 奈米線FESEM剖面圖 50
圖4-7. 成長時間30分鐘之ZnO 薄膜FESEM平面圖 51
圖4-8. 成長時間60分鐘之ZnO 奈米線FESEM平面圖 51
圖4-9. 成長時間90分鐘之ZnO 奈米線FESEM平面圖 52
圖4-10. 成長時間120分鐘之ZnO 奈米線FESEM平面圖 52
圖4-11. 不同製程時間之ZnO 奈米線與成核層關係圖 53
圖4-12. 不同製程時間之室溫下的光激發光特性圖 54
圖4-13. NBE emission正規化後不同製程時間之室溫下 54
圖4-14. 不同製程時間之反射率特性圖 55
圖4-15. 不同製程時間與反射率之曲線圖 55
圖4-16. 不同製程時間之場發射特性圖 56
圖4-17. 不同製程時間之F-N圖 56
圖4-18. 時間120分鐘,不同製程溫度之ZnO 奈米線XRD繞射圖 58
圖4-19. ZnO 奈米線(002)繞射峰晶相之半高寬值 58
圖4-20. 成長溫度450℃之ZnO 薄膜FESEM剖面圖 59
圖4-21. 成長溫度500℃之ZnO 奈米線FESEM剖面圖 59
圖4-22. 成長溫度550℃之ZnO 奈米線FESEM剖面圖 60
圖4-23. 成長溫度600℃之ZnO 奈米線FESEM剖面圖 60
圖4-24. 成長溫度450℃之ZnO 薄膜FESEM平面圖 61
圖4-25. 成長溫度500℃之ZnO 奈米線FESEM平面圖 61
圖4-26. 成長溫度550℃之ZnO 奈米線FESEM平面圖 62
圖4-27. 成長溫度600℃之ZnO 奈米線FESEM平面圖 62
圖4-28. 不同製程溫度之室溫下的光激發光特性圖 63
圖4-29. NBE emission正規化後不同製程時間之室溫下 63
圖4-30. 不同製程溫度之反射率特性圖 64
圖4-31. 不同製程溫度與反射率之曲線圖 64
圖4-32. 不同製程溫度之場發射特性圖 65
圖4-33. 不同製程溫度之F-N圖 65

表目錄
表4-1 57
表4-2 66
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