學位論文
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Item 利用原子力顯微術探討二硫化鉬表面的奈米摩擦伏特效應(2025) 楊焜華; Yang, Kun-Hua本研究利用原子力顯微鏡（AFM）探討二硫化鉬（MoS₂）與鉑（Pt）探針接觸下的摩擦伏特效應（Tribovoltaic Effect），並分析不同探針所施正向力、二硫化鉬層數、實驗時的溫濕度對局部摩擦伏特電流的影響。首先，我們透過赫茲接觸模型推估實驗中探針與二硫化鉬表面的接觸面積，以及因正向力造成的垂直方向的壓縮量與，作為後續摩擦伏特電流變異分析的物理基礎。隨正向力增加，我們觀察到摩擦伏特電流隨之上升。這主要歸因於正向力提升導致探針與樣品間的接觸面積擴大，增加了界面區域內電子–電洞對的激發機會。同時，壓縮作用促使二硫化鉬表面產生更高的機械變形與應力集中，進一步降低肖特基能障（Schottky Barrier, SSB），提高載子的激發與分離效率，從而使摩擦伏特電流隨正向力增加而增大。我們進一步的研究顯示，樣品不同區域在相同正向力下會呈現正電流、負電流或無明顯電流的行為，反映出二硫化鉬表面態密度、缺陷及局部PN型變異造成的電子性質的非均勻性。克氏表面電位顯微鏡(Kelvin probe force microscopy, KPFM) 的量測進一步驗證了樣品表面接觸電位（contact potential difference CPD）分佈的不均勻性。 此外，隨二硫化鉬層數增加，其能隙轉增加機械剛性上升對電流表現產生影響，溫度提升則提高費米能階與載子激發效率，溫度梯度形成的熱電勢，這些因子都會對摩擦電流產生影響。本研究系統性地揭示了多因素交互作用下摩擦伏特效應的行為特徵，並提供理解界面能量轉換與電荷分離機制的重要依據，對於未來摩擦能量收集器件的設計具有參考價值。Item 利用原子力顯微術探討環境溫度與溼度對單層石墨烯表面吸附性質的影響(2025) 鄭名媛; Zheng, Ming-Yuan在本實驗中，我們探討了溫度和相對濕度對二氧化矽探針在單層石墨烯（Single Layer Graphene, SLG）表面吸附力的影響，並比較針尖為四面體形狀的探針與球型探針在吸附力量測中的穩定性。實驗中，我們利用變溫系統調整樣品與探針的溫度，並使用濕度控制系統調整相對濕度，確保環境參數穩定可控。並透過原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）量測，我們觀察到四面體探針的吸附力數據波動顯著且無明確趨勢，而球型探針則呈現穩定且一致的吸附力結果，這是因為球型探針與樣品的接觸面較大所導致。此外，隨溫度從室溫上升至 100°C時，因毛細水橋中的水分子會隨著溫度升高而逐漸蒸發，導致吸附力逐漸減小；而當溫度超過 125°C 時，環境溫度已超過水的沸點，使水橋無法穩定存在，因此吸附力趨於穩定。再者，當相對濕度增加時，有利於水橋形成，使毛細力增強，導致吸附力顯著增大。我們的研究結果揭示了單層石墨烯與二氧化矽探針間的吸附力在不同溫度和濕度條件下的變化特性，這些結果未來可能可以應用於微機電系統（MEMS）和奈米機電系統（NEMS）的性能優化。Item 電漿蝕刻磁性薄膜的影響(2025) 汪敬修; Wang, Ching-Hsiu現代電子元件與資訊儲存技術的進步，人類社會對高密度、高穩定性功能性材料需求日益提升。其中，磁性薄膜材料的磁學特性與多功能可調控性，在高密度磁性儲存、自旋電子學（Spintronics）、磁阻式隨機存取記憶體（MRAM）。磁性薄膜的性能除取決於其內部層狀結構與元素組成外，與基板表面結構特性、粗糙度以及成膜過程中的介面品質有密切關聯。基板表面形貌與微觀結構對磁性薄膜之晶粒成長機制、磁疇結構形成以及磁各向異性等特性均產生深遠的影響。本實驗以射頻氬電漿（Argon Radio Frequency Plasma）乾式刻蝕技術為核心，針對磁性薄膜沉積常用之兩種絕緣基板材料:藍寶石（Al₂O₃）與二氧化矽（SiO₂）進行表面結構調控，系統性研究不同基板經氬電漿蝕刻後的表面形貌演變行為。實驗研究經氬電漿蝕刻鈷鈀多層膜Pd(3nm)/[Co(0.6nm)/Pd(0.8nm)]₅/Pd(4nm)/Al₂O₃磁性薄膜後的磁性特性所造成的影響。不同於傳統單一層或無蝕刻參數優化之研究，實驗研究使用原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）與磁光柯爾效應（Magneto-Optical Kerr Effect, MOKE）兩種實驗量測方法，搭配不同區域的磁性掃描分析，分析氬電漿蝕刻對磁性薄膜微觀與宏觀磁學行為的深層影響。實驗過程中，採用RF射頻電漿刻蝕系統，用以交流射頻功率與氬電漿為蝕刻方式，分別對藍寶石與二氧化矽基板進行10分鐘與30分鐘的乾式氬電漿蝕刻處理。藍寶石作為高硬度單晶基板，具六方緊密堆積（Hexagonal Close-Packed，HCP）晶格結構，具有高莫氏硬度（Mohs 9）、高熱穩定性與良好光學性能，在高品質磁性薄膜生長中廣泛應用；二氧化矽具有化學穩定性高與介面光滑特性，常用於磁性多層結構與自旋元件製程中的隔離層或緩衝層。透過氬電漿物理性濺射作用，氬電漿實驗產生基板表面粗糙度、蝕刻深度與微觀表面形貌變化，藉以探討不同基板特性對電漿蝕刻行為之反應性差異。蝕刻後樣品經AFM進行奈米尺度三維表面形貌量測，並利用Ra（算術平均粗糙度）、Rq（均方根粗糙度）作為表面粗糙度之定量參數，分析不同蝕刻時間與基板材料對表面粗糙度與形貌特徵之影響。AFM量測結果顯示，隨蝕刻時間增加，兩種基板表面粗糙度均有明顯提升，但其表面反應機制存在顯著差異：藍寶石基板因其高結晶性與硬度，受氬離子蝕刻後表面僅形成輕微凹洞狀起伏，Ra與Rq值增加幅度較緩；二氧化矽基板由於密度與莫氏硬度比藍寶石基板較小，二氧化矽在氬電漿蝕刻後表面更容易蝕刻成微奈米凹洞，表面粗糙度提升幅度更為明顯。藍寶石基板上沉積鈷鈀多層膜結構（Pd(3nm)/[Co(0.6nm)/Pd(0.8nm)]₅/Pd(4nm)/Al₂O₃），經氬電漿功率100W，氬電漿蝕刻5分鐘後，實驗採用MOKE磁光柯爾顯微鏡進行不同區域磁滯曲線量測，探討氬電漿蝕刻後蝕刻去除鈷鈀多層膜對磁性特性之影響，特別關注矯頑力（Hc）、剩磁（Mr）、磁滯曲線特徵。實驗結果顯示，經氬電漿蝕刻（中央區域，100 W持續5分鐘以上）之基板表面，沉積後之磁性薄膜幾乎完全喪失鐵磁特徵，MOKE量測之磁滯曲線呈現線性趨勢，無剩磁且矯頑力趨近於零，表現出典型順磁行為。分析推測，可能因為氬離子的高能量物理撞擊作用已去除鈷鈀磁性層結構。觀察邊緣輕蝕刻區（蝕刻深度較淺），磁性薄膜保持明顯垂直磁各向異性，呈現方形磁滯曲線，剩磁接近未蝕刻區域水平，矯頑力雖略有下降，但仍維持可觀磁性翻轉特徵。特別值得注意的是，過渡區域之磁滯曲線則呈現典型混合特性，整體曲線於高磁場區域展現斜率變化，而於低磁場區域維持一段平台狀特徵，反映此區域內同時存在部分未被完全破壞之磁性層與蝕刻損耗之非磁性層，導致磁性特徵逐步過渡與轉變。深層蝕刻區表面具明顯蝕刻坑洞。實驗研究結果顯示，藉由氬電漿蝕刻處理，即可於單一樣品內部實現磁性梯度結構，具備從鐵磁性、高矯頑力區，到低矯頑力磁性區，甚至完全順磁性區域之漸變分佈，無需複雜多道製程或額外遮罩步驟，即可快速製備多功能磁性元件所需之微區磁性結構。綜合分析，實驗研究提供氬電漿蝕刻對磁性薄膜的磁學特性調變效果，藉由調控氬電漿、氬電漿蝕刻時間與基板選擇，可有效實現磁性薄膜從順磁到鐵磁，以及矯頑力與剩磁之連續可調特性，為未來發展高密度磁性儲存、自旋電子學與可重構磁性功能元件提供幫助。Item 單層六方氮化硼中穿隧摩擦電荷動態之研究(2024) 王瑞禧; Wang, Ruei-Si在本研究工作中，我們探討了單層六方氮化硼在帶電摩擦過程中，穿隧摩擦電荷注入、儲存與耗散現象。我們使用原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM)操控帶有偏壓的導電式探針在單層六方氮化硼表面進行帶電摩擦，並在摩擦結束後立刻使用克爾文探針顯微鏡(Kelvin probe force microscope, KPFM)量測摩擦區域表面電位的變化。我們發現在帶電摩擦的過程中，導電式探針上的電荷會透過穿隧摩擦起電效應(tunneling triboelectric effect, TTE)由六方氮化硼的結構缺陷穿隧並儲存在下方的空氣層與二氧化矽基板中，造成摩擦區域的表面電位發生變化，而變化的程度可以透過摩擦時施加在探針上的偏壓調控。我們還發現，摩擦區域的表面電位變化會隨著量測KPFM的次數增加而下降，這表示量測KPFM的過程中儲存在摩擦區域的穿隧電荷會反向穿隧被導電探針帶走，導致穿隧電荷逐漸消散。此外，穿隧電荷隨量測次數的消散動態行為會符合自然指數衰退的模型。最後，我們使用氬電漿轟擊以增加六方氮化硼的結構缺陷，並發現帶有較多缺陷的樣品在摩擦過後，穿隧電荷的消散會比原始樣品更快。我們的研究揭示了單層六方氮化硼的帶電摩擦特性，使我們更深入了解其作為元件電極保護層的可能性。Item 在大氣環境下帶電摩擦介面中單層石墨烯和單層六方氮化硼之吸附特性(2024) 楊智傑; Yang, Chih-Chieh本實驗利用原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）研究了二氧化矽基板上的單層石墨烯（Single Layer Graphene, SLG）和單層六方氮化硼（Hexagonal Boron Nitride, h-BN）在滑動摩擦起電區域下的吸附性質對濕度的變化。首先，我們使用導電式原子力顯微鏡（Conductive Atomic Force Microscopy, c-AFM），在大氣環境下通過帶有偏壓的探針摩擦SLG和h-BN表面，以建立滑動摩擦起電。我們改變五種不同的環境濕度來量測矽探針與摩擦區域間的吸附特性。我們的實驗結果顯示，在SLG表面使用正偏壓進行帶電摩擦後，由於摩擦過程中產生的結構缺陷，將使摩擦過的SLG表面與未摩擦之前相比產生較大的吸附力。然而，當使用負偏壓進行帶電摩擦時，摩擦過的SLG表面的吸附力會顯著高於使用零伏特和正偏壓摩擦後的表面。這是因為當我們施加負電壓進行帶電摩擦時，探針與探針表面間的奈米水橋將會被電解，產生的氫氧根將使得石墨烯表面被氧化並形成大量含氧官能團。這些含氧官能團將會吸收大氣中的水分子，使得矽探針與摩擦區域之間更容易產生毛細水橋並導致更大的吸附力。另一方面，當我們對h-BN表面施加負偏壓摩擦時，與正偏壓和零伏特摩擦後的表面相比，摩擦區域的吸附力沒有顯著差異，這表明h-BN表面沒有像SLG表面那樣發生官能基化的現象。我們的研究結果可能有助於將SLG和h-BN應用於具有帶電摩擦介面的奈米機電元件中。Item Item 鈷/六方氮化硼-異質結構之表面形貌探討(2023) 蔡泓儒; Tsai, Hong-Ru由於二維絕緣體材料六方氮化硼 (h-BN) 與塊材結構亦為六方晶體的鈷 (Co) 之晶格結構一致，而且晶格常數的匹配度非常接近，因而此論文專注使用原子力掃描顯微儀 (Atomic Force Microscopy) 研究鈷在六方氮化硼上磊晶成長為薄膜的過程中，其表面形貌如何隨堆疊厚度而演化。本研究使用原子力顯微儀的輕敲模式，分析不同厚度的鈷連續薄膜和鈷微方格在矽基板和六方氮化硼的表面形貌，以及承受不同溫度的高真空熱退火前後的變化。實驗結果顯示，六方氮化硼在濕式轉移於矽基板歷經400度C退火一個小後，可達低於 ±1奈米的表面平整度。鈷薄膜蒸鍍於六方氮化硼，形成平整度約 ±2奈米，經歷400度C退火程序後，會形成較大的奈米島，高低落差為 ±5奈米，橫向尺寸約為數百奈米。此研究顯示，高溫退火對於「鈷/六方氮化硼」的形貌會有非常顯著的影響，這些實驗成果將能夠應用在使用「鈷/氮化硼」異質結構於未來的磁阻元件之中。Item 氧電漿表面處理對少層數二硫化鉬表面特性的影響(2023) 張乃勻; Chang, Nai-Yun二硫化鉬由於其優異的光學、電性、以及磨潤性質，在未來的微米或奈米機電系統中，有著極大的應用潛力。在製作奈米元件的過程中，氧電漿表面處理是一種常用的表面處理方法。因此，了解氧電漿表面處理對二硫化鉬表面性質的影響是很重要的。在我們的研究中，我們使用了原子力顯微鏡研究化學氣相沉積法所製備出的少層數二硫化鉬經過不同氧電漿表面處理時間後，其表面形貌、表面摩擦力和表面吸附力隨電漿處理時間的變化。我們並藉由拉曼光譜和X射線光電子能譜來觀察二硫化鉬在經過氧電漿表面處理後，其晶格結構的變化與表面氧化的程度。我們發現原子力顯微鏡的探針與二硫化鉬表面間的表面摩擦力和表面吸附力會先隨著氧電漿表面處理時間增加而增加，原因是因為二硫化鉬表面經過氧電漿表面處理後，會產生硫缺陷，因此可能將環境中的水分吸引到二硫化鉬的表面上，使得針尖與樣品表面間形成奈米級水橋，導致表面吸附力量值增加。然而，在經過較長的氧電漿表面處理後，我們所量測到的二硫化鉬表面摩擦力和表面吸附力突然降低。這歸因於二硫化鉬表面上開始形成三氧化鉬，並且會出現多個明顯的裂縫和奈米捲，導致二硫化鉬表面變的十分粗糙。這種粗糙的表面將導致針尖與樣品表面間的有效接觸面積減小，因此造成我們量測到的表面摩擦力和表面吸附力較小。藉由我們的實驗結果可以知道，在元件製造過程中使用的氧電漿表面處理技術，在不同氧電漿處理的時間下，二硫化鉬的表面形貌及奈米磨潤特性都會發生變化。我們的實驗結果將可能應用在製做微奈米機電系統的過程中。Item 官能化聚苯胺薄膜之彈性、摩潤以及結構性質關聯性之研究(2021) 江晞賢; Chiang, Hsi-Hsien我們利用了原子力顯微鏡研究「正丁硫醇官能化的聚苯胺」，針對聚苯胺薄膜的分子排列有序程度與其彈性模量和摩擦特性的關係進行探討。我們使用攪拌聚苯胺溶液的方式來控制聚苯胺薄膜之分子排列的有序程度，並每攪拌24小時抽取出聚苯胺溶液滴製在基板上以製成聚苯胺薄膜以供研究。聚苯胺長鏈分子在溶液中很容易自我糾纏成團，而攪拌時溶液中所產生的剪切力則可以將自我糾纏的聚苯胺分子拉展開來。因此，在我們滴製聚苯胺薄膜樣品的過程中，已伸展開的長鏈聚苯胺分子便更能在溶劑揮發的時候，自行排列成有秩序的結構。我們也利用了「X光繞射」和「掃描電子顯微鏡」確認了聚苯胺薄膜的分子排列結構，並確定了聚苯胺薄膜在攪拌時間為72小時的時候，具有最有秩序的分子排列結構。隨後，我們使用原子力顯微鏡的「峰值力定量奈米力學應用模式」和「側向力顯微術」測量了聚苯胺薄膜的表面形貌、彈性模量、吸附力變化以及樣品與探針間的動摩擦係數。我們發現，分子排列結構越有秩序的聚苯胺薄膜，其彈性模量越大且動摩擦係數越小。這是因為彈性模量較大的聚苯胺薄膜，其分子排列結構較為緻密，因此當原子力顯微鏡的探針施壓在其表面時所產生的形變程度便較小、對探針所產生的能量耗散也較小，進而導致側向力顯微術測量出較小的動摩擦係數。反之，彈性模量較小也就是較軟的聚苯胺薄膜，其所被測量出的動摩擦係數則較大。綜觀所究，我們成功證實可以利用「調整攪拌時間」的方式控制聚苯胺薄膜結構分子排列的有序程度，進而調控聚苯胺薄膜的彈性及摩擦性質。Item 單層石墨烯表面的接觸起電現象：穿隧摩擦起電、摩擦化學與結構缺陷間的交互作用(2021) 黃水德; Huang, Shuei-De我們使用原子力顯微鏡(atomic force microscopy, AFM)及其衍伸技術研究了二氧化矽基板上的單層石墨烯表面的接觸摩擦起電效應。我們藉由使用施加了偏壓的原子力顯微鏡探針摩擦單層石墨烯表面，並觀察摩擦之後的石墨烯表面電位會如何隨著所加偏壓的大小、極性、環境溼度與石墨烯的結構缺陷而變化。我們發現在摩擦的過程中，探針上的電荷可以經由石墨烯的結構缺陷穿隧進入並累積在石墨烯與下層二氧化矽基板之間。我們使用克氏探針表面電位顯微鏡(Kelvin Probe Force Microscopy, KPFM)量測表面電位以監測累積電荷隨時間的改變。當我們使用+5V偏壓施加在探針上摩擦石墨烯後，摩擦與未摩擦區域表面電位差可以高達500mV，並表面電位會隨著時間逐漸降低，於3500分鐘後約穩定在150mV。然而，當我們在摩擦時使用負偏壓時，摩擦後的表面電位差會快速在500分鐘後消散到接近零，然後漸漸轉為正電位。這是因為當我們使用加了偏壓的原子力顯微鏡探針在環境條件下摩擦單層石墨烯時，其表面會產生摩擦化學反應，在石墨烯表面產生化學官能基，進而影響到摩擦後的表面電位。此外，我們也使用了氬氣電漿來處理石墨烯，以產生不同結構缺陷程度的單層石墨烯樣品。我們並發現結構缺陷愈多的石墨烯，其表面電位在摩擦後消散的愈快。我們的研究可以將石墨烯應用到新穎的奈米摩擦發電機(triboelectric nano-generators, TENG)之中。