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Item 溫度與氧壓對氧化鋅摻雜釓的光學性質與磁性影響(2019) 姚壬茨; Yao, Ren-Ci本論文利用脈衝雷射蒸鍍法(PLD)在c方向的單晶藍寶石基板上製備150 nm厚的氧化鋅(ZnO)與氧化釓鋅(ZnGdO)，並探討薄膜鍍膜速率、薄膜的結構特性、光學性質及磁性的和基板溫度、鍍膜氧壓關係。薄膜的製備條件PLD單位面積雷射能量為2.5 J/cm2，鍍膜氧壓分別為3×10-1 mbar與3×10-2 mbar，釓的摻雜比例為5 at.%，鍍膜溫度為室溫到750 ℃。 X光繞射及拉曼散射光譜顯示薄膜並沒有雜質或其他晶相產生，表示釓成功的取代氧化鋅。鍍膜溫度在750℃時，薄膜結晶品質最好，其中氧化鋅薄膜的最佳鍍膜氧壓為3×10-1 mbar，氧化釓鋅薄膜的最佳鍍膜氧壓則為3×10-2mbar。在最佳鍍膜條件下，氧化鋅和氧化釓鋅薄膜的晶粒大小分別為31.82 nm、16.87 nm；拉曼光譜也出現E2L-B1H特徵峰。 螢光光譜顯示氧化鋅與氧化釓鋅薄膜皆可觀察到近能隙發光，而氧化鋅薄膜主要來自鋅間隙、鋅空闕的缺陷發光；氧化釓鋅主要來自鋅間隙、鋅空缺和氧空缺的缺陷發光。超導量子干涉磁量儀測量結果顯示氧化鋅薄膜與氧化釓鋅皆為順磁性，飽和磁矩隨著鍍膜溫度下降而上升，有摻雜釓的氧化鋅的磁矩較氧化鋅高。飽和磁矩的來源除了摻雜的釓原子，還包含薄膜中的缺陷，但這些缺陷並沒有辦法增強耦合交互作用，因此雖然摻雜5 %的釓仍為順磁性，沒有變成鐵磁性。Item 脈衝雷射蒸鍍法製備氧化釓鋅薄膜的探討： 結構、光學與磁性研究(2013) 密修誌我們是利用脈衝雷射沉積法製備摻雜釓的氧化鋅薄膜，X光繞射顯示樣品維持原有的晶體結構，但c軸晶格常數減小。因為薄膜的厚度在300nm以下，所以拉曼散射光譜只獲得微弱的訊號，樣品的能隙發光強度隨著摻雜濃度上升而下降，缺陷發光則隨釓濃度上升而增加，主要的缺陷有鋅錯位及鋅間隙，所有的樣品僅有Zn0.95Gd0.05O在室溫具有鐵磁性，其餘皆為順磁性。室溫(300K)的m-H曲線，只有x=0.051有磁滯曲線，在氧壓為3×10-1mbar及這樣的濃度下室溫是有鐵磁性。Item 脈衝雷射蒸鍍法蒸鍍氧化鋅及氧化釓鋅薄膜(2011) 簡志峰稀磁性半導體要能有實際應用，其應該要具備以下兩個條件：(1) 居禮溫度 (Curie temperature) 要在室溫以上，以及 (2) 其磁交互作用為RKKY 交互作用(Rudermann-Kittel-Kasuya-Yosida interaction)，即透過載流子作為媒介的磁交互作用 (charge-mediated interaction)。如此才能夠發展工作溫度在室溫以上的自旋電子學元件，並且有機會透過調變稀磁性半導體的載流子濃度來改變其磁性，進而調變自旋電子學元件的功能。 氧化鋅是一種Ⅱ-Ⅵ 化合物半導體，其室溫(300K)下能隙(band gap)高達3.37eV，光譜波長約為367nm，不過大部分直接觀察到的發光波長是在375nm附近，較能帶間隙較小，這能量差是因為氧化鋅的激子束縛能(exiton binding energy)約60meV。激子是半導體中電子及電洞因庫倫交互作用耦合而成。因為室溫(300K)相當於25meV，此時氧化鋅的激子尚未因熱擾動而游離，所以室溫下可存在，使氧化鋅成為極具潛力的藍光、近紫外光、白光等短波長光電元件材料。 釓(Gd)，原子序數為64，屬於鑭系元素，是稀土元素之一，其原子量157.25，原子半徑188pm，比鋅(Zn)135pm還大。而釓元素的電子組態是[Xe] 4f75d16s2，具有半填滿的4f軌域及5d軌域以及7.98 μB的原子磁矩 (atomic magnetic moment)，直觀上是稀土族元素之中最適合用來發展稀磁性半導體的稀土族元素 脈衝雷射蒸鍍是一種特別的物理氣相沈積法，具有高鍍膜速率，易控制其異質多成份化學計量組成及易於調控鍍膜系統等特點。 實驗使用脈衝雷射蒸鍍法在結晶的氧化鋁(藍寶石)基板上成長氧化鋅薄膜並摻雜釓元素來產生自旋流。Item 脈衝雷射蒸鍍法製備氧化鈥鋅薄膜的探討： 結構、光學與磁性研究(2014) 蔡承佑; Cheng-You Tsai利用脈衝雷射沉積法製備氧化鋅摻鈥薄膜，鈥的原子莫耳濃度介於3~30%之間，沉積於c方向的藍寶石基板。鍍膜環境氧氣壓力為3×10-2mbar，基板溫度為750℃。部分樣品在溫度650℃進行一小時的退火。拉曼散射光譜顯示僅有濃度5%退火處理後的Ho樣品產生合金相。光致螢光光譜能將大部分的樣品分析出鋅空缺、鋅間隙以及鋅錯位的缺陷發光訊號，而整體發光強度隨著Ho摻入濃度的上升而增強。所有樣品在5K及300K外加磁場下的量測下表現皆為順磁性。Item 脈衝雷射蒸鍍法製備氧化鏑鋅薄膜的探討： 結構、光學與磁性研究(2014) 丁一介; YI-Chieh TING利用脈衝雷射沉積法製備摻雜鏑的氧化鋅薄膜，鏑的原子莫耳濃度介於1~10%之間。在氧氣壓力3×10-1mbar的鍍膜條件下，X光繞射顯示樣品維持原有的晶體結構，沒有雜質態產生。因為薄膜的厚度只有150nm左右，拉曼散射光譜只獲得微弱的訊號。純氧化鋅PL光譜只有本質激發，缺陷發光是Dy摻雜造成，多為鋅空缺及鋅間隙。有摻雜Dy的薄膜在室溫皆具有鐵磁性，低溫(5K)則為順磁性。Item 離子佈植與摻雜對氮化鎵和氧化鋅薄膜光譜性質之影響(2013) 黃承德我們研究離子佈植與摻雜對氮化鎵和氧化鋅薄膜光譜性質的影響。實驗樣品包含以分子束磊晶法在藍寶石基板成長厚度約2.7 μm的氮化鎵薄膜，並於其上佈植不同濃度稀土離子 (釤離子、銪離子、釓離子及鈥離子)，另使用射頻磁控濺鍍，並通入不同氧和氮流量，成長膜厚約390 nm之氧化鋅薄膜。 首先，我們量測樣品的拉曼散射光譜，氮化鎵薄膜顯示3個拉曼峰，其頻率位置為142 cm-1、566 cm-1及733 cm-1，分別為E2(low)、E2(high) 及A1(LO) 對稱性；氧化鋅薄膜顯示2個拉曼峰，其頻率位置為99 cm-1和438 cm-1，分別為E2(low) 和E2(high) 對稱性。此外，氮化鎵薄膜之截面拉曼散射光譜顯示5個拉曼峰，其頻率位置為142 cm-1、531 cm-1、558 cm-1、567 cm-1及740 cm-1，分別屬於E2(low)、A1(TO)、E1(TO)、E2(high) 與E1(LO)。由於晶格不匹配及熱膨脹係數的關係，隨著愈靠近基板，所有拉曼特徵峰皆有藍移的現象。 我們發現不論正面或截面氮化鎵薄膜的拉曼散射光譜，隨著佈植離子濃度增加，氮化鎵薄膜新增289 cm-1、361 cm-1及661 cm-1拉曼峰，這些振動模與佈植離子造成氮化鎵薄膜的缺陷有關，但卻與佈植離子種類無關，且缺陷相關拉曼峰愈接近基板界面，其強度降低。另隨著通入氮流量的增加，我們發現氧化鋅薄膜新增275 cm-1、510 cm-1、586 cm-1、及645 cm-1拉曼峰，其為通入氮氣造成晶格間隙中有鋅、氧 (Zni、Oi) 存在，並與氧氮錯位 (ZnO)，形成複合型缺陷 (Zni-Oi及Zni-Ni)，這些缺陷在通入氧流量的氧化鋅薄膜並未被發現。 其次，我們量測樣品的穿透光譜與橢圓偏振光譜，隨著佈植離子濃度增加及通入氮流量變大，吸收能譜的能帶尾巴愈加明顯，氮化鎵薄膜的折射率極値呈減緩趨勢。佈植離子氮化鎵薄膜與通入氮流量氧化鋅薄膜的直接能隙值都比未佈植或未摻雜還小 (約為3.38 eV及3.26 eV)，我們認為此乃能隙間的雜質帶或晶格結構扭曲所致。 最後，隨著佈植稀土離子濃度的增加，氮化鎵薄膜的鐵磁性變明顯，稀土離子除了本身的未配位電子提供磁矩外，薄膜缺陷 (如：鎵空缺或氮空缺) 亦可能提供磁矩，我們發現在佈植稀土離子後，薄膜的鐵磁性與缺陷都增加，這暗指薄膜的有效磁矩與缺陷有緊密關聯性。Item 利用電壓及氫化反應可逆地控制材料磁性(2018) 張博鈞; Chang, Po-Chun在我們的電壓控磁的研究中顯示了，在鐵/氧化鋅結構中，可以藉由適當的電壓促使鐵的矯頑場減小15%–20%，而且只要一移除電壓，矯頑場就會回復至原本的大小。另外，如果施加過量的電壓，則可以導致鐵/氧化鋅介面上的鐵氧化成氧化鐵、三氧化二鐵或四氧化三鐵等不同的氧化態，並且使樣品的矯頑場上升。各種氧化態的比例會取決於鐵和氧化鋅的厚度比例，且一旦氧化後是不可回復的。但就算發生了介面氧化，還是可以藉由適當的電壓來調降矯頑場的大小。 在氫化控磁的研究中，我們觀察了鈷-30%鈀-70%的合金在不同氫氣氣壓下的磁性變化。原本無法觀察到磁域的樣品，在足夠的氫氣壓力下(0.2 bar)，會在樣品磁性翻轉時觀察到磁域，同時磁致曲線也會變得方正。我們依據在不同的固定外加磁場和氫氣濃度下所畫出的磁化翻轉曲線，可以推論出最小的翻轉單位Barkhausen volume 會隨著氫氣壓力上升而變小。同時，氫氣壓力上升也會使得樣品的脫釘磁場變大，導致磁致曲線的矯頑場在0.2 bar以上的氫氣壓力會逐漸增加。 此外，我們也研究了氫氣對於多層膜磁性耦合的影響。在Pd/Fe/Pd/Fe/MgO(001) 中，也許是基板表面傾斜的緣故，第一層的鐵只有單軸磁異相性，到了第二層的鐵才出現雙軸磁異相性。當外加磁場和第一層的磁易軸的夾角接近90度時，兩個鐵磁層之間的耦合力會和外加場競爭。當外加場不夠強時，上層的鐵磁會被下層的鐵磁吸引並翻轉致同磁化方向。而且當樣品吸附氫氣後，鐵磁耦合會增強，需要更大的外加場才能打破耦合。因此當外加場在6 Oe時，氫氣的脫吸附能使上層的鐵磁在外加場和底層鐵磁之間扭轉。Item 摻雜釤離子氧化鋅與單層過渡金屬二硫屬化合物薄膜之光譜性質研究(2018) 陳軍翰我們量測摻雜釤離子氧化鋅薄膜的拉曼散射光譜、穿透光譜及橢圓偏振光譜，研究不同摻雜濃度對氧化鋅薄膜光譜性質的影響。另外，我們量測單層過渡金屬二硫屬化合物薄膜(MoS2、MoSe2、WS2及WSe2)的變溫橢圓偏振光譜，探討單層過渡金屬二硫屬化合物薄膜的光譜性質。 未摻雜氧化鋅薄膜的拉曼散射光譜顯示兩個拉曼特徵峰，頻率位置為99.1 cm-1和437.9 cm-1，分別為E2(low)及E2(high)振動模，隨釤離子濃度上升，E2(low)藍移，E2(high)紅移，強度逐漸下降，並於釤離子濃度3%以上消失。穿透光譜顯示隨著釤離子濃度增加，紫外光區的透光率增加。吸收光譜展現隨著釤離子濃度增加，能隙逐漸藍移，我們分別以柏斯坦-莫斯位移理論(Burstein-Moss effect)及Zn1-xSmxO合金能帶結構解釋低濃度(≤5%)與高濃度(≥8%)摻雜樣品能隙之變化。 藉由分析變溫橢圓偏振光譜數據，我們取得單層過渡金屬二硫屬化合物薄膜之變溫折射率與消光係數能譜圖，隨著溫度上升，整體折射率與消光係數強度逐漸下降，結構紅移。我們觀察到所有樣品於近紅外與可見光區域皆有兩個明顯的吸收峰值，標記為A，B激子，為自由激子於布里淵區K(K´)點之躍遷。緊接在自由激子後的數個結構為電子於布里淵區Λ與M點之躍遷。所有樣品之光學能隙皆隨著溫度上升而紅移，A，B激子紅移，半高寬增寬。A，B激子之能量差為自旋耦合分裂能量，其不隨溫度變化而改變。Item 氧缺陷對於氧化鋅薄膜奈米摩擦性質之影響(2016) 張桓僕; Chang, Huan-Pu本研究利用原子力顯微鏡的技術，來探討奈米尺度下，脈衝雷射沉積法所成長的氧化鋅薄膜其表面摩擦力對探針掃描速度的關係。我們發現氧缺陷的存在對於氧化鋅表面的摩擦性質扮演著重要角色。在低相對溼度的環境下，由於熱擾動造成的黏滑效應之影響，摩擦力與探針掃描速度呈正相關。然而，在高相對溼度的環境下，探針與氧化鋅表面的摩擦力在掃描速度小於2.7μm/s時與掃描速度呈現負相關，而在大於2.7μm/s時則呈正相關。這是由於氧缺陷可以吸附大氣中的水分子，因此在低速時，水分子有足夠的時間可以在探針與樣品粗糙表面間的空隙形成毛細水橋，使得摩擦力增大。但隨著速度增加，毛細水橋對摩擦力造成的效應將漸漸降低，使得摩擦力隨速度增加而減小。當毛細水橋不再有足夠時間形成時，摩擦力則再度與速度呈正相關。接著我們又利用光催化效應來操控氧化鋅表面的親疏水性。氧化鋅表面在被波長為365 nm的紫外光照射後將由疏水性轉變為親水性。此時所量得的摩擦力不僅大幅加，並且在不同濕度下，摩擦力對掃描速度皆呈現負相關。這是因為光催化反應可以大幅增加氧化鋅表面的氧缺陷，促進更多水分子的吸附，讓毛細水橋更容易在探針與氧化鋅間形成，進而影響了摩擦力對速度的關係。最後，利用光催化反應，氧化表面的溼潤性的轉變具有可逆性，因此我們可以利用此性質調控氧化表面摩擦力對速度的變化關係，這對未來利用氧化鋅為奈米元件材料的奈米機電系統將有應用的潛力。Item 脈衝雷射蒸鍍法製備氧化銪鋅薄膜之探討：結構、光學與磁性研究(2016) 黃文澤; Huang, Wen-Tse本論文利用脈衝雷射沉積法在氧氣壓力3×10-1 mbar、溫度750°C環境下，在c方向的藍寶石基板上製備厚度100 nm的氧化銪鋅薄膜，其中銪的原子莫耳濃度介於0~15 %之間、雷射能量密度1.6 J/cm2，檢測氧化銪鋅薄膜的結構、光學以及磁特性。 利用XRD分析樣品成份發現所有實驗比例皆小於配方比例。X光繞射圖譜和拉曼光譜顯示樣品沒有雜晶相產生，隨著Eu摻雜濃度上升樣品粒徑大小減少。純氧化鋅PL光譜只有本質發光，缺陷發光是Eu摻雜造成，為氧間隙、鋅空缺、和氧空缺。而高濃度的氧化銪鋅(8%、10%、15%)樣品多了鋅間隙發光機制。藉由橢圓偏振光譜和穿透光譜發現銪摻雜的比例上升能隙有逐漸變大的趨勢。藉由SQUID量測3 %、5 %、8 %的氧化銪鋅薄膜在室溫及5 K的溫度下表現出順磁性。