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研究生:范庭源
研究生(外文):Fan, Ting-Yuan
論文名稱:利用單根三硒化二銻奈米線製作而成的奈米溫度計
論文名稱(外文):A Nano Thermometer based on a Single Sb2Se3 Nanowire.
指導教授:孫建文孫建文引用關係
指導教授(外文):Sun, Kien-Wen
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:應用化學系所
學門:自然科學學門
學類:化學學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:129
中文關鍵詞:Sb2Se3奈米線電性電子束微影技術Sb2Se3拉曼光譜
外文關鍵詞:Sb2Se3 Nanowire Electrical propertiesE-beam LithographySb2Se3 Raman spectrum
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一維奈米結構Sb2Se3奈米線為層狀結構的V-VI族化合物,在晶格構造屬於斜方晶晶體。半導體Sb2Se3屬於直接能隙,能帶範圍約為1.2eV,其特殊狹窄能帶提供了良好的熱電性質,近年來引起了大家廣泛的研究。我利用介電泳動奈米操控術結合電子束微影和聚焦離子顯微鏡技術,在矽基板上製作出適合量測單根Sb2Se3奈米線電性的電極。
在電性傳輸量測上,溫度從室溫加熱至523K。在所有溫度範圍內,所量測出電流-電壓特性曲線圖呈現線性和對稱,推測Sb2Se3奈米線和電極之間是形成歐姆接觸。隨著溫度的上升從300K至398K,Sb2Se3奈米線電阻隨之下降,符合thermally activated transport model。
然而,當溫度高於420K時,活化能(ΔEA)增加至約為1.0eV。從變溫拉曼圖譜和變溫XRD量測結果顯示,我們傾向排除高溫發生相變化的可能性;同時由拉曼圖譜顯示,在高溫約300K,看到Sb2Se3奈米線被氧化的訊號。在高溫時,Sb2Se3奈米線導電性遽增,我們推測和晶界能障機制有關。
Antimony triselenide (Sb2Se3) is a direct band gap semiconductor with band gap energy of ~1.2 eV. In recent years, one-dimensional (1D) nanostructure Sb2Se3 nanowire, which is a layer-structured of an orthorhombic crystal structure, has received a great deal of attention due to its excellent thermoelectric properties. In the thesis, suitable electrodes were fabricated to make electrical contact with a single Sb2Se3 nanowire on Si substrates by using the combination of dielectrophoresis, electron beam lithography and Focus ion Beam techniques.
The electrical transport measurements were carried out from room temperature up to 523K.The current-voltage (I-V) characteristics showed linear and symmetric behavior in the entire temperature range, which indicated that the contacts between the Sb2Se3 nanowire and electrodes were ohmic. The resistance of the Sb2Se3 nanowires decreases with increasing temperature from 300 K to 398 K, which fits well the thermally activated transport model. However, a larger thermal activation energy of ~ 1.0 eV was found at temperature above 420 K. Results from temperature dependent Raman and XRD measurements have ruled out the possibility of phase transition due to oxidation of the nanowires at temperature below 500 K. We speculate that the reduction of resistance at high temperature is due to the breakdown of grain boundary barrier.
中文摘要………………………………………………………………I
英文摘要 ……………………………………………………………III
致謝 …………………………………………………………………V
目錄 …………………………………………………………………VI
圖目錄 ………………………………………………………………IX
表目錄 ………………………………………………………………XIV

第一章 緒 論………………………………………………………1
1-1 前言………………………………………………………1
1-2 一維奈米結構特性、應用及其製備方法………………4
1-3 Sb2Se3相關特性與奈米線結構…………………………12
1-4 半導體和金屬間的接觸行為(Contact)………………15
1-5 一維奈米線之電性量測技術 …………………………17
1-6 一維奈米線之電性特性 ………………………………21
1-7 研究動機 ………………………………………………24
第二章 研究設備與原理 ………………………………………25
2-1 半導體微影技術 ………………………………………………25
2-2 電子束微影系統(E-Beam Lithography Sysyem)…………… 33
2-2-1 電子束微影系統 ………………………………………… 33
2-2-2 電子束微影流程和圖案成形原理…………………………36
2-2-3 電子束微影所遭遇到的難題………………………………38
第三章 研究方法與樣品備製 ……………………………… 50
3-1 樣品Sb2Se3的備製……………………………………………… 50
3-2 Sb2Se3奈米線電性量測樣品製作……………………………… 56
3-2-1 電極圖形設計………………………………………………56
3-2-2 基板準備與清洗……………………………………………57
3-2-3 電子阻劑的旋轉塗佈………………………………………58
3-2-4 電子束微影…………………………………………………59
3-2-5 顯影…………………………………………………………59
3-2-6 金屬電極的蒸鍍 (E-Gun Evaporator) …………………59
3-2-7 活性離子蝕刻系統 (Reactive ion etching system)…60
3-3 介電泳動(Dielectrophoresis)-奈米操控術…………………66
3-3-1 介電泳動(Dielectrophoresis) …………………………66
3-3-2 「介電泳動」於奈米操控的應用…………………………70
3-3-3 Sb2Se3奈米線的分散 ………………………………………70
3-3-4 利用「介電泳動」技術排列Sb2Se3奈米線 ………………71
3-4 電極上尋找單根Sb2Se3奈米線與電性量測…………………… 75
3-4-1 電子顯微鏡下尋找單根Sb2Se3奈米線…………………… 75
3-4-2 聚焦離子顯微鏡(FIB)用於量測單根Sb2Se3 ………… 76
3-4-3 變溫系統搭配四點探針電性量測系統(HP-4145) ……… 77
第四章 實驗結果與討論 …………………………………… 83
4-1 實驗數據分析簡介 ……………………………………………83
4-2 單根懸吊(Free-standing)Sb2Se3奈米線變溫電性分析………85
4-2-1 單根懸吊Sb2Se3奈米線變溫電性量測結果………………85
4-2-2 單根懸吊Sb2Se3奈米線電性結果分析……………………87
4-3 單根碰觸Sb2Se3奈米線變溫電性分析 ……………………… 100
4-3-1 單根碰觸Sb2Se3奈米線變溫電性量測結果 …………… 100
4-3-2 單根碰觸Sb2Se3奈米線電性結果分析 ………………… 102
4-4 Sb2Se3奈米線的光譜分析………………………………………114
4-4-1 Sb2Se3奈米線的Temperature-dependent XRD分析……114
4-4-2 Sb2Se3奈米線的熱分析儀(DSC)分析 ……………………115
4-4-3 Sb2Se3奈米線團簇Temperature-dependent Raman spectrum分析…………………………………………… 116
4-5 綜合分析討論 …………………………………………………123
第五章 結論………………………………………………… 126
參考文獻………………………………………………………………128
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