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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:謝彬宏
研究生(外文):Pin-Hung Hsieh
論文名稱:氧化鋅奈米材料的壓電特性之應用於觸覺感測器
論文名稱(外文):Piezoelectric properties of zinc oxide nanomaterials for tactile sensors
指導教授:方得華方得華引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立虎尾科技大學
系所名稱:光電與材料科技研究所
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
語文別:中文
論文頁數:87
中文關鍵詞:氧化鋅氣相磊晶法液相磊晶法奈米發電機超聲波觸覺感測器
外文關鍵詞:Zinc oxideVapor epitaxialLiquid epitaxialNanogeneratorUltrasonictactile sensor
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本研究利用化學沉積法在不同條件下成長氧化鋅一維奈米結構,利用氧化鋅的壓電特性製作奈米發電與觸覺感測器。實驗中使用氣相磊晶法與液相磊晶法兩種方式成長氧化鋅奈米結構。首先,在氣相沉積法中以高溫成長為主,採用金屬鋅粉作為鋅反應前驅物,探討氧氣濃度與基板溫度此對氧化鋅奈米結構型態上的變化。當基板溫度增加時,氧化鋅奈米線的成長密度降低直徑增大。成長過程中利用金作為成長反應的催化劑,使得氧化鋅的生成量也有明顯的增加,但是氧化鋅的形貌非常的混亂且造成結構中有非常多的缺陷產生,使得因為缺陷造成的綠光放射的強度大於氧化鋅能階的紫外光放射。在液相沉積法方面以低溫成長為主,採用硝酸鋅與六甲基四胺配成的溶液成長。探討不同時間、溫度與濃度對氧化鋅結構的變化。由螢光光譜圖譜分析結果,顯示高濃度下具有較少的結構缺陷;X光繞射發現低溫成長法呈現單晶結構。由於氧化鋅為II-VI族半導體在室溫下能隙為3.2eV,發光量測發現氧化鋅奈米結構在紫外光波段與藍光波段都有良好的峰值。最後,製作不同的上電極並與氧化鋅奈米柱組裝成觸學感測元件,以物理性的接觸,量測微量的電流變化。
In this study, zinc oxide (ZnO) with one-dimensional nanostructure grown by chemical deposition methods under different growth conditions was investigated. We use the zinc oxide piezoelectric properties to fabricate the nanogenerator and tactile sensor. In this experiment, the zinc oxide nanostructures were grown by vapor and liquid epitaxial methods. The architectures of ZnO nanomaterials could be controlled by varying the composition of O2 gas and substrate temperature during thermal chemical vapor deposition (CVD). When the substrate temperature increased, the densities of nanowires decreased but diameters of the nanowires increased. Characteristics of ZnO nanowires grown with and without employing Au as catalyst are studied. Photoluminescence (PL) spectrum of ZnO nanowires grown with Au catalyst exhibits a strong defect-related deep-level emission. It demonstrated that the ZnO nanowires grown with Au catalyst caused lots of defects in the ZnO nanowires. The architectures of ZnO nanomaterials could be controlled by varying the times, substrate temperature and concentration ratios during chemical liquid deposition. PL spectra analysis indicated that ZnO nanowire, fabricated at high concentration of Hexamethyl-tetramine (HMTA), contained a lower concentration of structure defects. The XRD results found that the ZnO nanowires had monocrystalline structure at low temperature of chemical liquid deposition. ZnO is a II-VI semiconductor with a band gap of 3.2 eV at room temperature. The photoluminescence measurements showed that the ZnO nanostructures had good ultraviolet emission and blue emission.
摘要……………………………i
Abstract ……………………………ii
誌謝……………………………iii
目錄 ……………………………iv
表目錄……………………………viii
圖目錄 ……………………………ix
符號表……………………………iv
第一章緒論……………………………1
1-1前言……………………………1
1-2 奈米科技目前發展.……………………………2
1-2-1奈米結構與元件……………………………2
1-2-2奈米元件製作瓶頸……………………………2
1-3 研究動機…………………………….3
1-4 本文架構 …………………………….3
第二章 理論基礎與文獻回顧……………………………5
2-1 成長一維奈米材料的方法及機制……………………………5
2-1-1 氣-液-固成長機制……………………………5
2-1-2 水熱法成長法……………………………6
2-2 氧化鋅的結構與應用……………………………6
2-3 壓電效應……………………………7
2-3-1 薄膜與塊材……………………………8
2-3-2 奈米線的壓電特性……………………………8
2-4 觸覺感測器……………………………9
第三章實驗與檢測儀器 ……………………………15
3-1實驗計畫……………………………15
3-2儀器設備……………………………16
3-2-1管型高溫爐系統……………………………16
3-2-2鍍金機系統……………………………16
3-2-3濺鍍氧化鋅薄膜系統……………………………16
3-3實驗步驟…………………………….19
3-3-1 化學氣相沉積法之一維氧化鋅奈米結構之實驗步驟……19
3-3-1-1基板前處理……………………………19
3-3-1-2成長步驟……………………………19
3-3-2 水熱法成長之一維氧化鋅奈米結構之實驗步驟…………20
3-3-2-1基板前處理……………………………20
3-3-2-2成長步驟……………………………20
3-3-3實驗流程……………………………23
3-4 實驗鑑定……………………………24
3-4-1場發射電子顯微鏡……………………………24
3-4-2 X光繞射儀……………………………24
3-4-3 螢光光譜儀……………………………25
3-4-4紫外分光光譜儀……………………………25
3-4-5穿透式電子顯微鏡……………………………25
3-4-6 原子力顯微鏡……………………………26
3-4-7 電性特性量測系統……………………………26
第四章 氣相磊晶成長法結果與討論……………28
4-1利用氣相磊晶法成長一維氧化鋅奈米結構……28
4-1-1成長氧化鋅奈米線……………………………28
4-1-2 氣體濃度效應……………………………30
4-1-2-1 表面形態分析……………………………30
4-1-2-2 微結構分析……………………………31
4-1-2-3 螢光光譜儀(PL)之光學性質分析……………………………31
4-1-3 基板溫度效應……………………………32
4-1-3-1 表面形態分析……………………………33
4-1-3-2 微結構分析……………………………37
4-1-3-3 螢光光譜儀(PL)之光學性質分析……………………………38
4-1-4 鋅粉與碳粉的不同比例……………………………39
4-1-4-1 表面形態分析……………………………39
4-1-4-2 螢光光譜儀(PL)之光學性質分析……………………………42
4-1-5 能量分散光譜分析(EDS)……………………………43
4-1-6穿透電子顯微鏡分析(TEM)……………………………44
4-2利用水熱法成長一維氧化鋅奈米結構……………………………45
4-2-1成長時間效應……………………………46
4-2-1-1表面形態分析SEM……………………………46
4-2-1-2螢光光譜儀(PL)之光學性質分析……………………………48
4-2-1-3紫外光可見光光譜分析(UV-Vis)……………………………49
4-2-2成長溫度效應……………………………51
4-2-2-1 表面形態分析……………………………51
4-2-2-2 微結構分析……………………………54
4-2-2-3 螢光光譜儀(PL)之光學性質分析……………………………55
4-2-2-4紫外光可見光光譜分析(UV-Vis)……………………………56
4-2-3成長濃度效應……………………………58
4-2-3-1表面形態分析SEM……………………………58
4-2-3-2 微結構分析……………………………61
4-2-3-3螢光光譜儀(PL)之光學性質分析……………………………62
4-2-3-4紫外光可見光光譜分析(UV-Vis)……………………………63
4-2-4 可撓性基板(PET)……………………………64
4-2-4-1表面形態分析SEM……………………………65
4-2-4-2螢光光譜儀(PL)之光學性質分析……………………………68
4-2-5能量分散光譜分析(EDS) ……………………………69
4-2-6 穿透電子顯微鏡分析(TEM)……………………………70
第五章液相磊晶成長法結果與討論……………………………71
5-1 觸覺感測器……………………………71
5-2 上電極製作……………………………71
5-3 組裝觸覺感測器……………………………72
5-4 觸覺感測元件量測……………………………72
5-5 不同電極的影響……………………………72
5-5-1 可撓性基板……………………………72
5-5-2 點狀凹槽型電極……………………………73
5-5-3 梯狀V型槽電極……………………………73
5-5-4 不同力量……………………………73
第六章 結論及未來建議……………………………79
6-1結論……………………………79
6-2 未來建議……………………………80
參考文獻……………………………81
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