臺灣博碩士論文加值系統

本論文中主要是研究二硫化錸（ReS2）和摻金的二硫化錸（ReS2：Au）的結晶結構、光學與電性特性分析，樣品則是使用化學氣相傳導法（Chemical vapor transport method, CVT）進行單晶成長的，實驗中是以I2來當傳導劑使用。
我們使用光學方面的吸收，反射，調製光譜，光激發螢光光譜與電性方面的電阻率和光電導的量測技術，探討對於ReS2在極化與溫度相關的特性分析，並且由光學顯微鏡來觀察材料結構來做為研究的工具，溫度範圍分別在20~300 K的環境中量測樣品在帶間能隙躍遷的非等向性光學特性。並且由光學系統實驗中搭配極化選擇定律（Polarization selection rules），定義出各個激子躍遷的來源。
從PzR光譜在低溫下明顯看到一些隆起的激子躍遷訊號，分別為Eex1、Eex2和EexS激子群。在PzR譜線中比Eex1和Eex2較高能量區域的激子躍遷譜線為EexS激子群，其激子躍遷位置和n=2開始的雷的堡級數（Rydberg series）能隙位置相當，在不同溫度下激子的躍遷變化並且以線性擬合出相關的特性參數，並且定出激子的來源位置，而振幅變化則跟隨著Malus’ law，因為在不同極化角度所產生的光強度變化可以區分出兩個激子訊號(分別在垂直與平行b軸的角度)，把ReS2與ReS2：Au的PzR光譜相比較，摻雜了金的樣品會多出了EexA和EexB兩個激子躍遷訊號，並對這些激子躍遷做理論計算與來源分析。
在光電導的實驗中可以明顯觀察出激子吸收EexS群對導電性較有幫助。在電阻率量測方面，也發現內部金屬鏈所構成的平行與垂直b軸電阻率中，在室溫下，平行b軸比垂直b軸的電阻率低了許多，表示內部的錸的金屬鏈結有助於導電率提升。

We present the optical and electrical characterization of undoped rhenium disulphide（ReS2）and gold-doped rhenium disulphide（ReS2：Au）which were grown by the chemical-vapor transport method（CVT）with I2 as the transport agent.
We present the polarization-dependent optical and electrical properties of ReS2 single crystals using temperature- and polarization- dependent optical absorption, reflectance, modulation spectroscopy, photoluminescence, electrical resistivity and photoconductivity measurements. Furthermore, the crystallinity was investigated by scanning electron microscopy. In optical measurements were used for studying the anisotropic optical properties of ReS2, in the temperature range from 20 to 300 K. The origin of these excitonic transitions can be investigated that using the basis of polarization selection rules.
Three excitonic transitions coming from different origins have been assigned as Eex1, Eex2, EexS. A prominent and enlarged feature of excitonic series Eexs positioned at higher energy side with respect to the previously identified band-edge excitons Eex1 and Eex2 in the PzR spectrum. The observed excitonic sequence has been shown to be corresponding to the Rydberg series starting with principal quantum number n = 2. Moreover, the least-squares fits are used to extract the parameters that describe the temperature variations of the band-edge excitonic transitions, and to identify the origin of the excitonic transitions. The intensity variation following the Malus’ law is a reasonable result, because the intensity of incident light at different polarization angles can be separated into two components (perpendicular or parallel to b axis). Comparatively with the PzR spectra of undoped ReS2, two extra transitions EexA and EexB due to the doping effects in ReS2：Au sample have been observed.
From the PC spectra, the exciton Eex3 contributes to the photoconductivity of ReS2：Au. The results indicate of photoconductivity that the σ∥ are smaller than the σ⊥ due to the axial dependency of the mobilities.

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 x
第一章 緒論 1
第二章 樣品結構 3
2-1 過度金屬硫屬化合物（Transition Metal Dichalcogenides TMDC）結構 3
2-2 二硫化錸的晶格結構 4
2-3 軌域的鍵結 5
2-4 ReS2 的PDOS（partial density of state） 11
2-5 樣品成長程序與設備 12
2-6 樣品外觀 13
第三章 實驗原理與量測系統 16
3-1 光激發螢光實驗原理 16
3-1-1 直接能隙半導體 17
3-1-2 間接能隙半導體 18
3-1-3 復合機制的介紹 20
3-1-4 光激發螢光實驗架構 22
3-2 光穿透實驗原理 23
3-2-1 穿透光譜之半導體薄膜 23
3-2-2 直接能隙半導體的光吸收機制 25
3-2-3 非直接能隙半導體的光吸收機制 26
3-2-4 穿透光譜實驗架構 26
3-3 光反射光譜實驗原理 27
3-3-1 反射率與固態物理光學特性之關係 28
3-3-2 反射光譜量測系統 31
3-4 調制光譜實驗原理 32
3-4-1 介電函數與反射率 33
3-4-2 壓電調制理論 34
3-4-3 壓電調制光譜系統架構 36
3-4-4 壓電調制反射光譜（Piezoreflectance，PzR）準備做法 38
3-5 光電導光譜實驗原理簡介 38
3-5-1 光電流原理 40
3-5-2 激子吸收 42
3-5-3 光電導現象的分類 42
3-5-4 光電導量測系統（DC模式）或I-V 特性曲線量測系統 43
第四章 結果與討論 45
4-1 光學特性 45
4-2 調制光譜分析 45
4-3 反射光譜分析 56
4-4 吸收光譜分析 58
4-5 PL 光譜分析 65
4-6 電阻率 68
4-7 光電導譜線分析 69
4-7 ReS2 與ReS2：Au 能帶結構圖 73
第五章 結論74
未來展望 75
參考文獻 76
作者簡介 79

圖目錄
圖2-1 （a）典型的三明治結構。（b）MX2 層狀結構。（c）三明治層的單胞結構(1120切面) 4
圖2-2 ReS2 之（a）結構圖與（b）六角形堆疊平面 （c）單胞示意圖 4
圖2-3 電子軌域模型示意圖（a）d 軌域（b）p 軌域 5
圖2-4 氫分子之鍵結和反鍵結軌域，以及未鍵結的原子軌域及鍵結分子軌域的相對能量關係圖 7
圖2-5 二硫化錸內硫原子的鍵結結構（a）xy 軸平面方向（b）z 軸方向 8
圖2-6 ReS2內硫原子的p 軌域與錸原子的d 軌域鍵結模型 8
圖2-7 ReS2 的晶格結構 9
圖2-8 ReS2 and ReSe2 各種過渡金屬化合物在ab 軸平面上可能的滑動面 10
圖2-9 ReSe2 扭曲的八面體層狀結構（a）錸原子的單一歪斜平面（b）更進步的分析歪斜結構，類似CdI2 結構（c）強調錸原子串的 10
圖2-10 ReS2 的軌域分布示意圖 11
圖2-11 ReS2 的PDOS 12
圖2-12 高溫爐中石英管內樣品的成長情形和溫度梯度 13
圖2-13 （a）ReS2 的原子結構架構圖（b）ReS2：Au 光學顯微鏡所拍的照片（500X）（c）ReS2 樣品照（d）ReS2：Au 樣品照 15
圖3-1 光激發光過程示意圖 17
圖3-2 直接能隙半導體的吸收與復合示意圖 18
圖3-3 （a）間接能隙半導體吸收示意圖；（b）間接能隙半導體復合示意圖 19
圖3-4 半導體中常見之復合過程示意圖 21
圖3-5 Micro-PL 光譜儀系統 22
圖3-6 平面電磁波的多次內反射與干涉條紋的產生 24
圖3-7 穿透光譜實驗系統 27
圖3-8 電磁波在介面的折射現象 28
圖3-9 反射光譜量測系統 31
圖3-10 壓電調制光譜實驗系統 37
圖3-11 壓電調制光譜實驗樣品製備 38
圖3-12 半導體中光產生電子電洞對的形成 39
圖3-13 不同的光電子機制，（a）本質半導體，電子由價電帶被激發至導電帶（b）非本質半導體，電子由施體能階被激發至導電帶（c）非本質半導體，電子由價電帶被激發至受體能階 40
圖3-14 光電導效應示意圖 42
圖3-15 不同機發過程所引起的光電導光譜示意圖 43
圖3-16 光電導實驗系統 44
圖4-1 極化片的光學特性實驗架構 45
圖4-2 ReS2在不同溫度下E∥b 與E⊥b 的極化相關PzR 譜線 47
圖4-3 ReS2：Au在不同溫度下E∥b 與E⊥b 的極化相關PzR 譜線 48
圖4-4 ReS2 與ReS2：Au 的激子訊號Eex1 與Eex2 隨溫度變化的趨勢，以Varshni 和O’Donnel and Chen 的經驗式擬合 50
圖4-5 Eex1 與Eex2 的展寬隨著溫度變化的趨勢 52
圖4-6 ReS2 在低溫40K 下的極化相關壓電調制譜線（0o ~ 90o） 54
圖4-7 ReS2:Au 在低溫40K 下的極化相關壓電調制譜線（0o ~ 90o）54
圖4-8 Eex1與Eex2的吸收強度隨極化光與b 軸夾角的變化量 55
圖4-9 ReS2 變溫反射譜線在0o（E∥b）與90o（E⊥b）時 56
圖4-10 ReS2:Au 變溫反射譜線在0o（E∥b）與90o（E⊥b）時 57
圖4-11 ReS2在40K 的極化相關反射譜線 57
圖4-12 ReS2:Au 在20K的極化相關反射譜線 58
圖4-13 ReS2的Smaple C 穿透光譜59
圖4-14 ReS2在不同厚度下的極化相關吸收譜線，分別在溫度20K 與300K 時60
圖4-15 ReS2:Au 在不同厚度下的極化相關吸收譜線，分別在溫度20K與300K時 61
圖4-16 ReS2在不同厚度下的極化相關吸收譜線 62
圖4-17 ReS2 變溫吸收譜線在0o（E∥b）與90o（E⊥b）時 63
圖4-18 ReS2:Au 變溫吸收譜線在0o（E∥b）與90o（E⊥b）時 64
圖4-19 ReS2在20K 的極化相關吸收譜線 64
圖4-20 ReS2:Au 在20K的極化相關吸收譜線 65
圖4-21 ReS2變溫PL譜線在0o（E∥b）與90o（E⊥b）時 66
圖4-22 ReS2：Au 變溫PL 譜線在0o（E∥b）與90o（E⊥b）時 67
圖4-23 ReS2在79K 的極化相關PL 譜線 67
圖4-24 ReS2:Au 在79K 的極化相關PL 譜線 68
圖4-25 為ReS2 與ReS2:Au 分別在垂直B 軸與平行B 軸方向的電阻率隨溫度的變化 69
圖4-26 不同線性極化光的光功率譜線 70
圖4-27 ReS2在20K 的極化相關光電導譜線 71
圖4-28 ReS2：Au在20K的極化相關光電導譜線 71
圖4-29 ReS2 變溫光導譜線在0o（E∥b）與90o（E⊥b）時 72
圖4-30 ReS2：Au 變溫光導譜線在0o（E∥b）與90o（E⊥b）時 72
圖4-31 ReS2與ReS2：Au能帶結構圖 73

表目錄
表4-1 Varshni 經驗方程式之擬合參數 50
表4-2 O’Donnel and Chen 的經驗方程式之擬合參數 51
表4-3 未摻雜與摻雜其他過渡金屬的ReS2 在低溫與室溫下的激子能量位置 51
表4-4 未摻雜與摻雜其他過渡金屬的ReS2 在低溫與室溫下的展寬係數 52
表4-5 Eex1 和Eex2 的振幅變化相關參數 55

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