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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:翁至瑩
研究生(外文):Chih-Ying Weng
論文名稱:具胺基酸摻雜二硫化鎢量子點的光電特性
論文名稱(外文):Optical and Electrical Properties of Amino-aciddopedWS2 Quantum Dots
指導教授:沈志霖
指導教授(外文):Ji-Lin Shen
學位類別:碩士
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:2019
畢業學年度:107
語文別:中文
論文頁數:77
中文關鍵詞:二硫化鎢過渡金屬二硫化物量子點遲滯現象負光電導現象氮掺雜
外文關鍵詞:tungsten disulfidequantum dotsdopinghysteresisnegative photoconductivity
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本論文利用微波合成法來製備二硫化鎢量子點,其優點為快速並且大量
的製作出二硫化鎢量子點,利用胺基酸摻雜提高螢光強度,其中精胺酸摻雜
使螢光強度約提高18.2 倍。經由穿透是顯微鏡確認其粒徑大小並由X 光射
線光電子能譜確認二硫化鎢量子點的化學鍵結。
我們在電學特性研究上觀察到二硫化鎢量子點具有遲滯的現象,並且
遲滯現象會隨著胺基酸摻雜濃度增加而增強。利用背閘電流-電壓測量發現
製備出的二硫化鎢量子點為p 型摻雜,測量二硫化鎢量子點照射低波段雷
射前後的電流-電壓曲線圖,發現二硫化鎢量子點具有負光電導的現象。進
一步討論真空下、不同氣體、不同施加電壓範圍以及環境濕度下對於二硫化
鎢量子點遲滯現象的影響,發現在真空中、窄的電壓範圍以及低環境濕度下,
二硫化鎢量子點的遲滯現象會快速衰減,而在寬的電壓範圍以及高環境濕
度下,二硫化鎢的遲滯現象則增強。推論二硫化鎢量子點的遲滯現象機制是
由於吸附在二硫化鎢表面的水氣以及內部陷阱態所產生並且照射低波段雷
射會產生水氣脫附的行為。
In this research,a microwave synthesis method was used to prepare tungsten disulfide quantum dots (WS2 QDs), which has the advantages of rapid and large-scale production of WS2 QDs. The WS2 QDs was further doped with amino acid to increase its fluorescence intensity.Here, the use of arginine as dopant greatly enhances the fluorescence intensity of WS2 QDs demonstrating an 18.2 fold increase. The quantum dot size and chemical structure of WS2 QDs
were confirmed using transmission electron microscope (TEM) and X-ray photoelectron spectroscope, respectively.
By investigation of the electrical properties of WS2 QDs, a hysteresis phenomenon was observed. Here, the hysteresis increases with the increase in the amino acid dopant
concentration. The back-gate-current-voltage measurement demonstrates that the prepared WS2 QDs is p-type. The current-voltage curves before and after the low-band laser irradiation of WS2 QDs were also measured. It was also found that the WS2 QDs displays a negative photoconductivity (NPC). Investigations of the effects of vacuum, ambient humidity, different gases, and different applied voltage ranges on the hysteresis of WS2 QDs were also gathered. It
is found that the hysteresis of WS2 QDs in vacuum showed a narrow voltage range while it decays rapidly at low ambient humidity. On the other hand, the hysteresis of bulk WS2 is
enhanced over a wide voltage range and high ambient humidity. It is inferred that the hysteresis
mechanism of WS2 QDs is caused by the moisture adsorbed on the surface of WS2 and the existence of the internal trap state, and the exposure from low-band laser irradiation will cause water-gas desorption.
目 錄
摘要-------------------------------------------------------I
Abstract--------------------------------------------------II
致謝-----------------------------------------------------III
目錄----------------------------------------------------- IV
圖表目錄--------------------------------------------------VII
第一章 緒論-----------------------------------------------1
1-1 過渡金屬二硫化物(Transition Metal Dichalcogenide;TMD)-1
1-2 二硫化鎢量子點(Tungsten Disulfide Quantum Dots)------3
1-3 遲滯現象(Hysteresis)--------------------------------7
第二章 樣品介紹-------------------------------------------10
2-1 材料介紹-------------------------------------------10
2-1.1二硫化鎢(Tungsten Disulfide;WS2)----------10
2-1.2胺基酸(Amino acid)------------------------------------11
2-2 樣品製備與量測元件介紹--------------------------------13
2-2.1微波合成法--------------------------------------------13
2-2.2透明ITO導電玻璃 --------------------------------------14
2-2.3背閘電流電壓曲線量測元件
(Gate Dependent Conductance Measurements)----------------15
2-3 製備量測前樣品--------------------------------------16
第三章 實驗原理與系統架設-----------------------------------17
3-1微波合成系統(Microwave synthesis reactor system)---------17
3-2光激螢光光譜原理與量測系統
(Photoluminescence:PL)-----------------------------------19
3-3光激螢光激發光譜原理
(Photoluminescence-excitation;PLE)------------------------20
3-4時間解析光激螢光原理與量測系統
(Time-Resolved Photoluminescence:TRPL)-------------------21
3-5電壓-電流曲線特性量測-------------------------------------23

第四章 結果與討論--------------------------------------------24
4-1二硫化鎢量子點摻雜胺基酸的光學特性---------------------------24
4-1.1光激螢光光譜(Photoluminescence;PL)-----------------26
4-1.2光激螢光激發光譜(Photoluminescence-excitation;PLE)---27
4-1.3 時間解析光激螢光光譜--------------------------------29
4-1.4 二硫化鎢量子點摻雜胺基酸結構分析-----------------------32
4-1.5 二硫化鎢量子點摻雜胺基酸化學鍵結分析-----------------34
4-2二硫化鎢量子點摻雜胺基酸的電學特性---------------------------37
4-2.1不同胺基酸濃度摻雜二硫化鎢量子點之遲滯現象---------41
4-2.2改變施加電壓速率的遲滯現象----------------------------43
4-2.3改變施加電壓迴圈範圍的遲滯現象-------------------------44
4-2.4 改變照光強度的遲滯現象-------------------------------45
4-2.5 改變不同環境下的光暗遲滯現象--------------------------47
4-2.6背閘電流電壓曲線圖-----------------------------------54
4-3遲滯現象及負光電導機制分析---------------------------------57
4-3.1精胺酸摻雜二硫化鎢量子點遲滯現象機制分析------------57
4-3.2精胺酸摻雜二硫化鎢量子點負光電導機制分析------------62
第五章 結論------------------------------------------------63
參考文獻---------------------------------------------------64

圖表目錄

圖1-1.1 計算模擬出二硫化鎢之塊材、四層、二層以及一層的能帶結構----2
圖1-1.2 單層二硫化鎢的平面示意以及側面結構圖----------------------3
圖1-1.3 材料維度和能帶的關係圖---------------------------------4
圖1-1.4 量子侷限效應,不同尺寸的(a)能帶圖(b)UV燈下的CdSe量子點-5
圖1-3.1 二硫化鉬和環境水氣鍵結示意圖-------------------------8
圖1-3.2 真空中懸浮二硫化鉬奈米片 (a)元件結構圖 (b)SEM圖-----------9
圖2-1.1 二硫化鎢奈米片溶液-----------------------------------10
圖2-1.2 六種胺基酸粉末以及結構圖(a)Asparagine天門冬醯胺(b)Glutamine麩醯胺酸 (c)Cysteine半胱胺酸 (d)Histidine 組胺酸(e)Lysine 賴胺酸(f)Arginine 精胺酸--------------------------11
圖2-2.1微波合成樣品示意圖----------------------------------- 13
圖2-2.2透明ITO導電玻璃--------------------------------------14
圖2-2.3.1背閘電流電壓曲線量測元件剖面結構圖-------------------- 15
圖2-2.3.2背閘電流電壓曲線量測元件俯視結構圖-------------------- 15
圖2-3.1製備量測前樣品示意圖---------------------------------- 16
圖3-1.1 微波合成系統示意圖---------------------------------- 18
圖3-2 光激螢光原理示意圖------------------------------------ 19
圖3-4 時間解析光激螢光量測系統示意圖--------------------------- 21
圖3.5.1 電性量測示意圖-------------------------------------- 23
圖3.5.2 量子點導電傳輸圖------------------------------------ 23
圖4-1.1 圖(a)為微波合成後二硫化鎢量子點於日光燈下的比較圖。圖(b)為
微波合成後二硫化鎢量子點二硫化鎢量子點於UV燈下的比較圖。(A)WS2QDs (B) WS2QDs + Arginine (C) WS2QDs + Asparagine (D) WS2QDs
+ Cysteine (E) WS2QDs + Histidine (F) WS2QDs + Lysine (G) WS2QDs + Glutamine。------------------------------------- 25
圖4-1.2 (a)二硫化鎢量子點光激螢光譜 (b)二硫化鎢量子點螢光相對強度圖-26
圖4-1.2.1 二硫化鎢量子點摻雜6種胺基酸之光激螢光光譜以及光激螢光
激發光譜------------------------------------------------ 27
圖4-1.2.2 二硫化鎢摻雜6種胺基酸不同光源之光激螢光光譜------------ 28
圖4-1.2.3 二硫化鎢量子點改變激發波長螢光關係圖。(a)未摻雜二硫化鎢量
子點 (b) 二硫化鎢量子點摻雜精胺酸(Arginine) ---------------- 28
圖4-1.3 胺基酸摻雜二硫化鎢量子點的時間解析光激螢光光譜(a)6種不同
胺基酸摻雜之時間解析光激螢光光譜 (b)延展指數函數擬合圖---------- 29
圖4-1.4.1 二硫化鎢量子點之 (a)TEM 圖 (b)HRTEM 圖------------- 32
圖4-1.4.2 二硫化鎢量子點之粒徑分布圖-------------------------- 32
圖4-1.4.3 摻雜精胺酸二硫化鎢量子點之 (a)TEM 圖 (b)HRTEM 圖----- 33
圖4-1.4.4 摻雜精胺酸二硫化鎢量子點之粒徑分布圖------------------ 33
圖4-1.5.1未摻雜二硫化鎢量子點以及精胺酸(Arginine)和天門冬醯胺 (Asparagine)摻雜二硫化鎢量子點之X射線光電子全譜圖 ----------- 34
圖4-1.5.2 未摻雜及精胺酸摻雜二硫化鎢量子點之X射線光電子能譜圖
W4f軌域圖譜--------------------------------------------- 35
圖4-1.5.3 未摻雜及精胺酸(Arginine)摻雜二硫化鎢量子點之X射線光電子
能譜圖S2p軌域圖譜---------------------------------------- 35
圖4-1.5.4未摻雜及精胺酸(Arginine)摻雜二硫化鎢量子點之X射線光電子
能譜圖N1s軌域圖譜---------------------------------------- 36
圖4-1.5.5 摻雜胺基酸二硫化鎢量子點結構示意圖------------------- 36
圖4-2.1 6種不同胺基酸摻雜二硫化鎢量子點 (a) 電壓-電流圖 (b)電阻值
--------------------------------------------------- 37
圖4-2.2精胺酸(Arginine)摻雜二硫化鎢量子點、未摻雜二硫化鎢量子點以
及原始精胺酸(Arginine)的電壓-電流圖------------------------ 38
圖4-2.3 二硫化鎢量子點的電壓-電流圖,未摻雜二硫化鎢量子點: (a) -5 V
到5 V (b) 0 V到5V 電壓迴圈摻雜精胺酸(Arginine)二硫化鎢量子點: (c) –5 V到5 V (d) 0 V到5V電壓迴圈-------------------------- 40
圖4-2.1.1 6種不同胺基酸隨濃度變化的電壓-電流圖----------------- 41
圖4-2.2未摻雜及摻雜精胺酸(Arginine)二硫化鎢量子點改變施加電壓速率-
------------------------------------------------------- 43
圖4-2.3未摻雜及摻雜精胺酸(Arginine)二硫化鎢量子點改變電壓迴圈範圍-
------------------------------------------------------ 44
圖4-2.4未摻雜及摻雜精胺酸(Arginine)二硫化鎢量子點改變不同照光強度-
------------------------------------------------------- 45
圖4-2.5.1未摻雜及摻雜精胺酸(Arginine)二硫化鎢量子點在大氣和真空中
的遲滯-------------------------------------------------- 47
圖4-2.5.2未摻雜以及摻雜精胺酸(Arginine)二硫化鎢量子點在(a)(b)在真空;(c)(d)在氮氣;(e)(f)在氧氣環境下的遲滯行為----------------- 48
圖4-2.5.3未摻雜及摻雜精胺酸(Arginine)二硫化鎢量子點在環境濕度55%至
95%的遲滯行為------------------------------------------- 50
圖4-2.5.4未摻雜及摻雜精胺酸(Arginine)二硫化鎢量子點改變環境濕度的遲
滯行為-------------------------------------------------- 51
圖4-2.5.5未摻雜以及摻雜精胺酸(Arginine)二硫化鎢量子點改變環境濕度
(a)(b)電功率比較圖;(c)(d)光暗電功率相差圖------------------ 53
圖4-2.6.1背閘電流電壓曲線圖(a)未摻雜(b)摻雜精胺酸(Arginine)之二硫化
鎢量子點------------------------------------------------ 55
圖4-2.6.2二硫化鎢摻雜6種胺基酸 (a)背閘電流電壓圖(b)載子遷移率比較
圖----------------------------------------------------- 56
圖4-3.1.1 真空環境中精胺酸(Arginine)摻雜二硫化鎢量子點遲滯現象機制
圖----------------------------------------------------- 58
圖4-3.1.2 大氣環境中精胺酸(Arginine)摻雜二硫化鎢量子點遲滯現象機制
圖---------------------------------------------------- 59
圖4-3.1.3大氣環境中精胺酸(Arginine)摻雜二硫化鎢量子點遲滯現象機制圖
(a)正向施加偏壓(b)逆向施加偏壓------------------------------60
圖4-3.1.4二硫化鎢量子點(a)未摻雜(b)摻雜精胺酸(Arginine)之電響應圖------------------------------------------------------------60
圖4-3.1.5 不同環境濕度下精胺酸(Arginine)摻雜二硫化鎢量子點之電響應
圖----------------------------------------------------- 61
圖4-3.2 大氣環境下精胺酸(Arginine)摻雜二硫化鎢量子點負光電導機制圖
------------------------------------------------------- 62
表2-1.2 胺基酸的基本資訊------------------------------------ 12
表4-1.3 精胺酸(Arginine)摻雜二硫化鎢量子點的螢光強度、載子生命期、輻射複合率、非輻射複合率---------------------------------------- 30
表4-2.1 6種不同胺基酸隨濃度變化的電功率----------------------- 42
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and M. Schleberger, 2D Mater. 5,015014(2018)
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