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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:黃敬閎
研究生(外文):Jing-Hong Huang
論文名稱:具有自供電功能之大面積可撓式還原氧化石墨烯光感測器
論文名稱(外文):Self-powered, large-area, and flexible photodetectors based on reduced graphene oxide
指導教授:涂維珍
指導教授(外文):Wei-Chen Tu
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:電子工程研究所
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:2019
畢業學年度:107
語文別:中文
論文頁數:69
中文關鍵詞:還原氧化石墨烯自供電可撓性光感測器旋塗
外文關鍵詞:Reduced graphene oxideSelf-poweredFlexiblePhotodetectorSpin-coating
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二維材料石墨烯具有許多優異的性能,包括可撓性、高導電率、高透明度、較寬的吸收頻譜,已廣泛應用於光電材料或是光感測器元件,但是因為較低的吸收率和較小的檢測面積,因此單層石墨烯光感測器具有較低的響應性,此外在轉移單層石墨烯的過程也面臨著產生皺摺與堆積的問題。製作出具有自供電功能的光感測器,這個方法可以降低製造成本,並應用於各式還原氧化石墨烯的可撓性元件上。
在這篇論文中,我們透過溶液製程將還原氧化石墨烯置於ITO/PET基板之上,以Ag作為頂部電極,由於ITO與Ag功函數的差異,此元件可以在沒有電源的情況下作業,做出經濟實惠的光感測器,這些元件具有可撓和自供電的特性,對於未來低功耗和可穿戴式元件具有巨大的潛力。
Two-dimensional graphene with outstanding properties including flexible, high conductivity, high transparency, and wide-band absorption has been applied for optoelectronic materials and devices such as photodetectors. However, single layer graphene photodetectors suffer from low responsivities mainly due to low absorption and small detection area. Moreover, transferred process of single layer graphene on substrate faces the issue of corrugation and aggregation. Self-powered photodetectors was realized by spin-coating reduced graphene oxide (rGO) onto an ITO coated flexible PET substrate. The device could work without power because of the work function difference between ITO and Ag. The proposed method reduces the fabrication cost and can be applied to various flexible rGO based devices.
In this study, solution-processed rGO on ITO/PET substrate with Ag top contact to construct cost-effective photodetectors were proposed. These devices show flexible and self-powered characteristics which have great potential for future low-power and wearable devices.
目錄

中文摘要 I
Abstract II
目錄 III
圖目錄 VII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1-1研究背景與動機 1
1-2 論文架構 1
第二章 理論 3
2-1石墨烯簡介 3
2-2 石墨烯的製備方法 3
2-2-1 機械剝離法(mechanical exfoliation) 4
2-2-2還原氧化石墨烯法(reduced graphene oxide, rGO) 5
2-2-3化學氣相沉積法(chemical vapor deposition,CVD) 5
2-2-4電化學剝離法(electrochemical exfoliation) 6
2-3光感測器原理 8
2-4 光電轉換 10
2-5 蕭特基結構 12
第三章 實驗儀器及設備 16
3-1 旋轉塗佈機 (spin-coater) 16
3-2 超音波震洗機 16
3-3 微量滴管 17
3-4 蒸鍍機 (thermal evaporation) 18
3-5 掃描式電子顯微鏡 (scanning electron microscope, SEM) 19
3-6 電流電壓 (current-voltage, I-V)量測系統 19
3-7 分光光譜儀 (UV-VIS-NIR spectrometer) 20
3-8 拉曼光譜儀(raman spectroscope) 20
第四章 實驗步驟 22
4-1 石墨烯光感測器製作流程 22
4-2 基本洗淨 22
4-3 旋塗還原氧化石墨烯 23
4-4 蒸鍍銀電極 24
第五章 結果與討論 26
5-1 前言 26
5-2 掃描式電子顯微鏡 27
5-3 拉曼光譜 32
5-4 穿透、反射、吸收光譜 34
5-5 I-V電流電壓量測 36
5-5-1 S-2元件電流電壓量測 37
5-5-2 S-3元件電流電壓量測 38
5-5-3 S-4元件電流電壓量測 39
5-5-4 S-5元件電流電壓量測 40
5-5-5 不同參數on/off ratio比較 42
5-6 光強度與電流關係 43
5-7 不同電壓電流時間量測 49
第六章 結論 54
參考文獻 55


圖目錄

圖2-1 石墨烯製備方法品質與成本(大量生產)對照圖[7] 4
圖2-2 機械剝離法製備步驟[9] 5
圖2-3 不同基底以CVD生長石墨烯示意圖[11] 6
圖2-4 電化學剝離法設置示意圖[12] 7
圖2-5 電化學剝離機制示意圖[13] 7
圖2-6 光感測器示意圖[14] 9
圖2-7 光感測器未照光能帶圖[14] 9
圖2-8 光感測器照光能帶圖[14] 10
圖2-9 光感測器傳輸機制,如(a)光伏效應(b)熱電效應(c)熱輻射效應[15] 11
圖2-10 石墨烯FET不啟動之光電流響應研究[16] 12
圖2-11 石墨烯FET啟動之光電流響應研究[16] 12
圖2-12 短路情況下光感測器照光能帶圖[18] 13
圖2-13 負載電阻情況下光感測器照光能帶圖[18] 13
圖2-14 開路下光照CdS/Au蕭特基接面光感測器能帶圖[19] 14
圖2-15 短路下光照CdS/Au蕭特基接面光感測器能帶圖[19] 14
圖2-16 零偏壓下CdS NR array/rGO 之I-V圖[24] 15
圖3-1旋轉塗佈機 16
圖3-2 超音波洗淨機 17
圖3-3 微量滴管 18
圖3-4 蒸鍍機 19
圖3-5 電流電壓量測系統 20
圖4-1 元件製作流程圖 22
圖4-2 基本洗淨流程圖 23
圖4-3 奈米還原氧化石墨烯分散液 24
圖4-4 不銹鋼蒸鍍遮罩 25
圖5-1 自供電功能之可撓式還原氧化石墨烯光感測器結構示意圖 27
圖5-2 可撓性還原氧化石墨烯成品 27
圖5-3 以初轉1000rpm/二轉500rpm旋塗還原氧化石墨烯於PET/ITO基板上(a)1000倍(b)5000倍(c)10000倍(d)20000倍,不同倍率之SEM影像 28
圖5-4 以初轉2000rpm/二轉1500rpm旋塗還原氧化石墨烯於PET/ITO基板上(a)1000倍(b)5000倍(c)10000倍(d)20000倍,不同倍率之SEM影像 29
圖5-5 以初轉3000rpm/二轉2500rpm旋塗還原氧化石墨烯於PET/ITO基板上(a)1000倍(b)5000倍(c)10000倍(d)20000倍,不同倍率之SEM影像 30
圖5-6 以初轉4000rpm/二轉3500rpm旋塗還原氧化石墨烯於PET/ITO基板上(a)1000倍(b)5000倍(c)10000倍(d)20000倍,不同倍率之SEM影像 31
圖5-7 PET/ITO基板上旋塗不同轉速還原氧化石墨烯之拉曼光譜 32
圖5-8不同元件參數之穿透光譜 34
圖5-9不同元件參數之反射光譜 35
圖5-10不同元件參數之吸收光譜 36
圖5-11 S-2參數元件之I-V量測圖 38
圖5-12 S-3參數元件之I-V量測圖 39
圖5-13 S-4參數元件之I-V量測圖 40
圖5-14 S-5參數元件之I-V量測圖 41
圖5-15 不同元件參數on/off ratio 42
圖5-16 S-2參數元件不同光強度I-V圖 43
圖5-17 S-2參數元件在不同偏壓下之光強度-光電流圖 44
圖5-18 S-3參數元件不同光強度I-V圖 45
圖5-19 S-3參數元件在不同偏壓下之光強度-光電流圖 45
圖5-20 S-4參數元件不同光強度I-V圖 46
圖5-21 S-4參數元件在不同偏壓下之光強度-光電流圖 47
圖5-22 S-5參數元件不同光強度I-V圖 48
圖5-23 S-5參數元件在不同偏壓下之光強度-光電流圖 48
圖5-24 不同電壓S-2參數元件電流與時間關係圖 49
圖5-25 不同電壓S-3參數元件電流時間關係圖 50
圖5-26 不同電壓S-4參數元件電流時間關係圖 51
圖5-27 不同電壓S-5參數元件電流時間關係圖 52
圖5-28 不同參數元件在0偏壓下電流值分佈圖 53

表目錄

表5-1 不同旋塗轉速之元件參數 27
表5-2 S-2參數元件之不同偏壓on/off ratio表格 38
表5-3 S-3參數元件之不同偏壓on/off ratio表格 39
表5-4 S-4參數元件之不同偏壓on/off ratio表格 40
表5-5 S-5參數元件之不同偏壓on/off ratio表格 41
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