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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳俊宏
研究生(外文):Jyun-Hong Chen
論文名稱:二維材料的新穎奈米元件
論文名稱(外文):Two-dimensional materials for novel nanodevices
指導教授:鐘元良
指導教授(外文):Yuan-Liang Zhong
學位類別:博士
校院名稱:中原大學
系所名稱:物理研究所
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:60
中文關鍵詞:石墨烯二硫化鉬光學干涉拉曼光譜量子干涉電子傳輸壓電效應
外文關鍵詞:Graphenemolybdenum disulfideoptical interferenceRaman spectroscopyquantum interferenceelectronic transmissionpiezoelectric effect
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近來二維奈米材料因為豐富的物性和極具應用潛力成為近年來熱門的研究題目。我們研究高電導的石墨烯和具有半導體特性的二硫化鉬之材料製作、光學分析、電性研究。藉由膠帶以物理剝離的方式成功製作出單層石墨烯和二硫化鉬,並使用拉曼光譜判斷層數。另外我們研究數層石墨烯在不同二氧化矽厚度的矽基底上的光學對比值可讓我們預測石墨烯在各種基底上的光學影像,計算多層干涉模型的結果與實驗一致,另外我們也發現其拉曼光譜會受到基底影響而有光強變化。修正多層干涉模型計算拉曼光強,計算分成兩部分,為材料吸收光強和拉曼散射光強,最後計算結果與實驗相近。我們使用化學氣相沉積法(CVD)製作大面積石墨烯並轉置在二氧化矽/矽基底上,再藉由電子束微影製作限制寬度的石墨烯緞帶以觀察磁電阻和緞帶寬度的關係。在溫度2K的環境中從四種寬度(50、75、245、705奈米)石墨烯緞帶之磁電阻觀察到弱局域現象和普式電導漲落,分析弱局域效應改變的電阻大小可得到寬度與電導改變比例之關係,電導增加比例從寬度低於245奈米出現非線性的增加。另外寬50奈米的石墨烯緞帶在溫度2K時發現庫倫阻斷的現象。
二硫化鉬為直接能隙的n型半導體二維材料。我們使用CVD法製作二硫化鉬並製作成有背閘極和側閘極的場效電晶體元件,研究單層CVD二硫化鉬的材料電性。在室溫時場效電子遷移率(μ)約為1.2cm2 V-1 S-1,在300K~170K溫度區間背閘極和側閘極的場效電子遷移率分別為正比於T-1.73和T-1.63,這與聲子散射限制的結果正比於T-1.69相近。另外從電導與溫度的關係圖中可分析出三個熱激發傳輸溫度區間,其中低溫傳輸的機制仍是一個未知的問題。另外CVD二硫化鉬可成長成zigzag邊緣的三角外形,我們在三個角上製作金屬電極和側閘極,發現非對稱整流現象。這可能與金屬接觸有關。另外在CVD二硫化鉬樣品上也出現壓電特性。我們使用原子力顯微鏡的探針使二硫化鉬型變,由於樣品的三角外形和zigzag的邊界,使得CVD成長的三角外形單層二硫化鉬受到等向形變進而產生壓電現象,並證實了應力誘導極化電荷在元件的zigzag邊緣。

Two dimensional nanomaterials (TDNM) has recently become a hot research topic in recent years, because of the rich features and great potential. We study highly conductive graphene and semiconductor characteristics molybdenum disulfide material about device fabrication, optical analysis and electrical research. Graphene and molybdenum disulfide are exists in the form of bulk in nature, we successfully produce monolayer graphene and molybdenum disulfide by the physical peeling bulk, and identify by Raman spectrum. The atomic layer material is not easy to find by optical microscope, we calculate the contrast of graphene on top of SiO2/Si substrate by classical electromagnetic in multi-interference model and agree with experimental optical images results. The contrast of TMNM is function of incidence wavelength and substrate thickness, so the TDNM is visible on top of special thickness substrate. Not only optical images but also Raman spectrum of TDNM is to follow classical electromagnetic, it can calculate intensity factor by multi-interference model. We transfer large area chemical vapor deposition (CVD) graphene sheet to top of SiO2/Si substrate. We fabricated graphene ribbon (GR) device by electron beam lithography and study the relationship between wide and electron properties. We find weak localization and universal conductance fluctuation in GR that wide are 50nm, 75nm, 245nm, 705nm at temperature down to 2K. The weak localization effect is nonlinear when the wide of GR is smaller than 245nm. In addition we find Coulomb oscillation at 50nm width GR.

Molybdenum disulfide (MoS2) is a direct energy gap and n type semiconductor 2D material. We fabricated CVD MoS2 filed effect transistor with back gate and side gate, to research monolayer MoS2 electron properties. At room temperature, the filed effect mobility is about 1.2cm2 V-1 S-1, at 300~170K the back and side gate filed effect mobility are proportional to T-1.73 and T-1.63 respectively, this is similar to phonon-limited electron mobility T-1.69. We find three thermally activated transport at three temperature ranges from conductance as a function of temperature, but the electron transport at low temperature range is still unknown issue. The monolayer single crystal MoS2 is triangular ship with zigzag edge, we fabrication three electrode on MoS2’s corners and side gate. In the triangular transistor, we are observed the phenomenon of asymmetric rectifier. This may be related to metal contact. In addition, we are observed piezoelectric properties in CVD MoS2. Using AFM probe to make MoS2 deformation, because sample have triangular ship and zigzag edge, the samples were subjected to isotropic deformation and produce a piezoelectric phenomenon and confirm the force induced polarized charges in zigzag edge of MoS2.

中文摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
第一章 緒論 15
1.0 二維材料簡介 1
1.1 石墨烯 1
1.2 過渡金屬二硫屬化物 3
第二章 文獻回顧 6
2.1 石墨烯和二硫化鉬的製作方法 6
2.1.1 觸媒化學氣相沉積法製作石墨烯 6
2.1.2 化學氣相沉積法製作二硫化鉬 7
2.1.3 微機械剝離法 8
2.1.4 膠帶剝離法 8
2.2 石墨的反射率光譜分析 9
2.3 石墨烯拉曼光譜 11
2.4 二硫化鉬拉曼光譜 13
第三章 實驗方法 14
3.1 石墨烯與二硫化鉬的製作 14
3.1.1 機械剝離法 14
3.1.2 化學氣相沉積法 15
3.2 石墨烯與二硫化鉬的轉置 17
3.2.1 CVD石墨烯的轉置 17
3.2.2 CVD二硫化鉬的轉置 17
3.3 黃光微影製程 18
3.4 電子束微影製程 19
3.5 拉曼光譜量測 19
第四章 石墨烯在SiO2/Si 上的多層反射光干涉特性 21
4.1 導論與研究動機 21
4.2 多層反射模型與計算 21
4.3 石墨反射率的計算 23
4.4 結果與討論 24
4.5 拉曼散射光干涉強度計算 26
4.6 結論 27
第五章 石墨烯奈米緞帶中的電子傳輸 29
5.1 介觀物理簡介 29
5.2 實驗方法 32
5.3 實驗結果 34
5.4 討論 37
第六章 單層二硫化鉬中的電子傳輸 38
6.1 導論與研究動機 38
6.2 實驗方法 40
6.3 實驗結果 41
6.4 討論 43
第七章 單層二硫化鉬奈米元件 44
7.1 導論與研究動機 44
7.2 實驗結果 44
7.3 討論 45
7.4 壓電效應 45
7.5 實驗方法 46
7.6 實驗結果 47
7.7 討論 48
第八章 總結 49
參考文獻 50
附錄 51
圖 目 錄
圖 1-1 石墨烯之晶格結構 2
圖 1-2 石墨烯之伴整數量子霍爾效應 2
圖 1-3 石墨烯和過渡金屬二硫屬化物氮化硼的能帶能隙分佈圖 3
圖 1-4 過渡金屬與硫屬原子在週期表中之分佈圖 4
圖 1-5 多層過渡金屬二硫屬化合物分子結構示意圖側示圖 4
圖 2-1觸媒化學氣相沉積法的製作示意圖 6
圖 2-2 化學氣相沉積成長二硫化鉬示意圖 7
圖2-3 柱狀石墨塊材在原子力顯微鏡的懸臂上的 SEM 影像 8
圖 2-4 膠帶剝離石墨製作石墨烯的示意圖 9
圖 2-5石墨烯在矽基底(長二氧化矽)上的剖面示意圖 10
圖 2-6 石墨在二氧化矽300nm和200nm厚的光學影像圖 11
圖 2-7 二氧化矽厚度為300nm、200nm、90nm的對比度光譜 11
圖 2-8 514nm雷射的微拉曼光譜 12
圖 2-9 單層和雙層石墨烯使用532nm雷射的微拉曼光譜 13
圖 2-10 單層~三層二硫化鉬之拉曼光譜 13
圖 3-1 石墨影像圖 15
圖 3-2 使用膠帶剝離方法製作石墨烯示意圖 15
圖 3-3 化學氣相沉積法製作石墨烯示意圖 16
圖 3-4化學氣相沉積法製作二硫化鉬示意圖 16
圖 3-5 CVD石墨烯轉置基底示意圖 17
圖 3-6 CVD二硫化鉬轉置基底示意圖 18
圖 3-7 光學微影製程示意圖 18
圖 3-8電子束微影製程示意圖 19
圖 3-9 拉曼光譜儀 20
圖 3-11 由532nm雷射光源量測單層雙層石墨烯之顯微拉曼光譜20
圖 4-1 多層介質結構示意圖 22
圖 4-2 光在介質中傳播時產生的相位移示意圖 22
圖 4-3 石墨反射率光譜示意圖 23
圖 4-4 石墨反射率差光譜示意圖 24
圖 4-5 石墨光學對比值光譜示意圖 24
圖 4-6 石墨烯在不同二氧化矽厚度之基底上的對比值光譜 25
圖 4-7 石墨烯在二氧化矽厚度為90nm、230nm、 300nm 矽基底上的拉曼光譜 26
圖 4-8 石墨烯多層干涉吸收光強模型示意圖 26
圖 4-9 .相對拉曼強度分布 27
圖5-1 擴散式傳輸與彈道是傳輸示意圖 29
圖5-2 費米狄拉克分佈圖 30
圖5-3 電子處於尺度受限制量子位能井中,以量子能階的形式存在示意圖 31
圖5-4樣品尺寸與電子的散射形式和波動特徵長度和平均自由徑的關係圖 31
圖5-5 弱局域效應之電子傳輸示意圖 32
圖 5-6 基底電極樣式示意圖元件電路電極樣式設計圖 33
圖 5-7 基底中央電極樣式光學顯微影像 33
圖 5-8 電子束微影製作Hall bar PMMA之光學影像 34
圖 5-9不同寬度的石墨烯段帶之電導率(B)/電導率(B=0)與磁場關係圖 35
圖 5-10電阻與磁場關係圖 36
圖 5-11電流與背閘極電壓關係圖 36
圖 5-12石墨烯緞帶之電導變化率和寬度的關係圖 37
圖 5-13微米尺度石墨烯元件之光學顯微影像 37
圖 6-1 原子提供電子存在的能階與多個原子堆疊出能帶之示意圖 38
圖 6-2 金屬與半導體之能帶和費米能階示意圖和理論二硫化鉬能帶示意圖 39
圖 6-3塊材、多層到多層二硫化鉬之能帶分佈圖 39
圖 6-4 場效電晶體示意圖 39
圖 6-5長成在藍寶石基底的單層單晶二硫化鉬之光學影像圖 40
圖 6-6 (a) : 基底黃光電級中央處光學影像 41
圖 6-7 室溫元件在300K的I-V特性 42
圖 6-8 變溫元件I–VDS 特性關係圖 42
圖 6-8二硫化鉬元件的I–Vbg 特性 43
圖 7-1為CVD單層二硫化鉬三角元件之光學顯微影像 44
圖 7-2 三角形二硫化鉬元件之光學顯微影像和晶格結構示意圖 45
圖 7-3 壓電效應示意圖 46
圖 7-4 二硫化鉬三角元件光學顯微影像 47
圖 7-5 使用AFM探針對MoS2施的力和造成的形變大小的關係圖47
圖 A-1 二氧化矽的反射係數與入射光波長之關係圖 51
圖 A-2 矽的反射係數與入射光波長之關係圖 51
圖 A-3石墨的介電常數分佈圖 52
圖 A-4使用Mathematica 計算石墨烯對比值光譜之計算式截圖53


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