物理學系
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Item 稀土鐵石榴石與鈣鈦礦奈米材料之結構、磁性和應用(2023) 劉仕渝; Liu, Shi-Yu鈣鈦礦和稀土石榴(REIG)薄膜具有優異的光學和磁光特性。因此，將這兩種材料結合在一起可以創造出具有可調控光學和磁性性能的異質結構，並應用於光學通信、光學記憶和磁光元件等領域。在本研究中，我們將深入探討鈣鈦礦和REIG薄膜各自的潛在價值。近年來，一些研究表明使用稀土元素(RE)元素代替釔(Y)來調節石榴石薄膜的應變誘導磁異向性。REIG薄膜(~100 nm)藉由脈衝雷射沉積法製備於(111)取向的釔鋁石榴石(YAG)基板上。釤、钬和釔鐵石榴石(SmIG, HoIG, and YIG)具有垂直於膜面的壓縮應變，而鉺和铥鐵石榴石(ErIG and TmIG)具有弱的拉伸應變。由於負磁致伸縮常數，因此SmIG和HoIG薄膜表現出相對強的垂直磁異向性(PMA)。隨著技術的發展，對高存儲容量和快訪問速度的需求不斷增加。因此我們選擇對擁有相對強PMA的SmIG薄膜進一步研究。藉由降低SmIG薄膜厚度，可使其具有更強的壓縮應變，進而獲得更強的PMA。相比之下，YIG在30-120奈米區間仍展現水平磁異向性(IMA)。這一發現表明磁性能受Y:Sm比的顯著影響。隨後，我們製備了一系列不同厚度、Sm摻雜濃度的SmYIG薄膜。振動樣品磁力計揭露隨著厚度的遞減和Sm摻雜濃度的增加，可使SmYIG薄膜具有較強的PMA。此外，我們展示了在不同Sm摻雜濃度下，SmYIG薄膜的臨界厚度。為基於REIG薄膜的高密度磁信息存儲鋪平道路。YIG與反鐵磁材料的結合因其在自旋泵等應用中的潛力而備受關注。因此，我們於YIG薄膜上沉積氧化鈷(CoOx)薄膜以研究介面效應。由於CoOx薄膜於高溫缺氧環境下製備，所以其表面區域由純CoO組成，界面區域則為CoO和Co的混合物。CoOx/YIG薄膜不僅表現出低溫下由CoO提供的磁耦合，還表現出由鐵磁Co提供室溫負交換偏置(RT-NEB)。與CoOx/YIG薄膜相比，我們於YIG薄膜上製造了進一步氧化的CoO薄膜，並觀察到室溫正交換偏置(RT-PEB)。RT-PEB隨著外加磁化場增加而增加，並在外加磁化場為500 Oe時飽和。隨著溫度降低，PEB 逐漸轉變為 NEB。這些結果清楚地表明 CoO/YIG 雙層系統中PEB和NEB共存，而PEB歸因於CoO界面自旋的反平行耦合，而NEB歸因於AFM-FM耦合。有機-無機鈣鈦礦(MAPbBr3)/鐵磁異質結構在光控自旋電子元件中已被廣泛探討。然而使用金屬鐵磁層作為底部電極仍然是一個挑戰。因此，我們提出插入氧化鋁(AlOx)或石墨烯(Gr)層的超薄異質界面來改善均勻性。通過原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡，我們觀察到MAPbBr3層成功地形成了緻密的連續薄膜。此外，AlO¬x或Gr層的存在可以有效地防止鈣鈦礦和鐵磁金屬薄膜之間的氧化和界面擴散。然而，MAPbBr3層在環境下很容易受溫度、濕度、氧氣濃度影響而分解。因此，我們製備了全無機銫鉛溴化物鈣鈦礦量子點(CsPbBr3 QDs)來替代鐵磁層上方的 MAPbBr3，並研究了藍光雷射對磁性的影響。隨著雷射照射時間的增加，CsPbBr3 QDs的表面形貌和特徵尺寸發生了顯著變化並逐漸演變，引發了一系列氧化還原和界面擴散過程，特別是在 CsPbBr3 QDs/Co異質結構的界面處。這些結果開啟了鈣鈦礦/鐵磁異質結構在自旋電子學應用研究。Item 鈣鈦礦與磁性金屬、二硫化鉬之介面特性分析(2022) 林子恩; Lin, Zih-En鈣鈦礦為新興太陽能電池材料，並且近年已有許多研究報導其光電性質[1,2]，但少有提及表面形貌。在先前研究中我們發現鈣鈦礦MAPbBr3無法在鐵鈀合金表面形成均勻且連續的薄膜，會呈現奈米柱狀結構並且有裸露的合金金屬層[9]。在本實驗中，我們發現以石墨烯層插層於鈣鈦礦與鐵磁層之間可使鈣鈦礦形成均勻連續薄膜。由原子力顯微鏡 (AFM) 剖面圖可觀察到：在鐵磁層表面粗糙度小於1 nm，在轉移石墨烯後約有 2 nm，在旋塗鈣鈦礦之後約有6 nm。在AFM形貌圖以及剖面圖可以看出鈣鈦礦於石墨烯上形成連續薄膜。此技術應用於元件製成可防止鈣鈦礦與金屬層的層間短路，使元件正常運作。二硫化鉬具有良好的載子遷移率，可作半導體材料，但仍有光吸收率相對不高的缺點[3]。鈣鈦礦/二硫化鉬異質結構具有較高光吸收率。但雖有許多關於鈣鈦礦/二硫化鉬結構光電性質的文章[4,5]，但對於鈣鈦礦在二硫化鉬上表面形貌的研究仍然缺乏。將鈣鈦礦旋塗於二硫化鉬上之後，在AFM形貌圖仍可分辨二硫化鉬的形狀，並且可見在二硫化鉬上的鈣鈦礦較基板上的緻密。在SEM圖的分析中，在二硫化鉬上的鈣鈦礦粒徑約在20 nm，在基板上約在30 nm。旋塗鈣鈦礦會造成二硫化鉬光致發光 (PL) 峰值的猝滅，並且造成峰值紅移。依文獻報導猝滅是因為鈣鈦礦到二硫化鉬的電荷轉移，紅移是因為二硫化鉬上量子點的n型摻雜效應[4]。形狀會影響二硫化鉬PL峰值。在旋塗鈣鈦礦後，缺角三角形二硫化鉬的PL峰值較三角形位移多，在3 ~12 nm區間，三角形的位移則在3 nm以內。在旋塗鈣鈦礦之後量測鈣鈦礦PL峰值位置，缺角三角形上的鈣鈦礦PL峰值比起三角形二硫化鉬藍移3 ~ 5 nm。文獻[52]中提及鈣鈦礦顆粒大小會影響PL峰值高低，我們推測可能由於三角形與缺角三角形上鈣鈦礦顆粒大小差異而影響PL峰值，但仍需進一步實驗確認。以450 nm藍光雷射照射鈣鈦礦/二硫化鉬結構，其中二硫化鉬從單層至6層，發現二硫化鉬PL峰值幾乎沒有變化，但峰值強度有減少的現象。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。Item 化學氣相沉積石墨烯轉移方式的改良以及元件的製作(2014) 蕭博唐; Po-Tang Hsiao在氣相沉積的石墨烯元件製備中，一般都會使用甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate，PMMA）作為轉移用的中間介質，但如何去除PMMA、光阻等聚合物的殘留物，避免影響石墨烯電性、鍵結等性質，一向是一個重要課題。我們發展出一種製程，透過舉離、壓印等方法盡可能地減少聚合物在製程中的參與，並用以製備石墨烯場效應電晶體、懸浮石墨烯奈米線等元件，並透過電性量測與拉曼光譜驗證石墨烯元件的品質。Item 石墨烯作為透明導電膜之應用(2013) 陳沐谷; Mu-Ku Chen自2004年石墨烯被以膠帶機械式剝離法發現以後，這個新奇的材料風靡了整個世界，許多製備石墨烯之實驗方法也如雨後春筍般冒出，諸如機械剝離法、晶體外延生長法、化學氧化石墨還原法、化學氣相沉積法與固態裂解法，製程進步與穩定使得石墨烯應用方面亦日漸茁壯，石墨烯極為透明、可導電、優異的機械特性與可任意彎折，由於這些特性使得石墨烯被廣泛地應用於可撓式透明導電薄膜，在觸控面板、液晶顯示器、有機發光二極體與太陽能板等領域相較於目前的銦錫氧化物，石墨烯具有相當地優勢。 本實驗是以石墨筆之粉末為固態碳源，在900°C高溫下調控通入之氫氣與氬氣流量比例製備石墨烯，所製備出石墨烯品質缺陷極少，且可見光穿透率可達87%，使用10 M硝酸與10 mM四氯金酸以體積比4：1混合對石墨烯進行摻雜，使得氫氣流量比例為50%之石墨烯片電阻由800 Ω／下降至131.8 Ω／，下降幅度達80%。 於應用方面，將所製備之石墨烯當作透明導電薄膜，以最簡便的方式組裝成四線電阻式觸控面板，可達到可重複使用、可定位觸碰位置、多種彎曲程度與彎曲時重複使用等功用。 科技與人類日常生活習慣一直在互相配合改變，而石墨烯在未來消費性電子產品上的應用具有可任意彎曲之絕對優勢，此為石墨烯取代ITO成為主流透明導電膜之關鍵，提供更進步與便利的產品於我們生活之中。Item 石墨烯場效電晶體製作及特性研究(2013) 陳萬暉; Wan-Huei Chen現今科技發展日新月異，一日千里，電晶體製程逐漸縮小化，且根據「摩爾定律」，於未來2020年閘極製程長度預估為7.4 nm，而首當其衝之問題則為矽製程之物理極限，因此必須尋找新穎材料代替矽，近年來對於下一世代半導體研究主題如：奈米碳管（Cabon Nanotube）、奈米線（Nanowires）與石墨烯等等。因石墨烯具有高電子遷移率、良好熱導率與準二維結構之優異特性，故本實驗將選擇石墨烯作為代替矽之新興材料。 因單層石墨烯為零能隙材料，故本實驗為利用化學氣相沉積法製備少層石墨烯，並藉由TRT轉印至基板，並利用諸多儀器測量其特性，而本實驗所製備之石墨烯其透明度為91.5%、片電阻為2.62 ± 0.48 kΩ/sq、2D/G為0.81與D/G為0.09。 有別於其它文獻，本實驗將石墨烯應用於場效電晶體，所利用方式為金屬光罩加上脈衝雷射蝕刻，其製作方式簡單、速度快且成本花費低廉，最後再將石墨烯場效電晶體量測其電性。Item 直接生長大面積石墨烯作為深紫外光發光二極體之透明電流擴散層(2018) 王建鑫; Wang, Chien-Hsin石墨烯(graphene)由碳原子與相鄰碳原子以共價鍵sp2軌域混成，排列呈六角形蜂巢結構之二維材料，其具有高載子遷移率、高光穿透率、低電阻率與高熱導性等優點，而最為顯著之優勢為於紫外光波段具有高穿透度，故本研究發展石墨烯應用於發深紫外光之發光二極體(UVCLED)作為透明電流擴散層(TCE)。然而發展石墨烯作為透明電流擴散層其關鍵需克服與深紫外光發光二極體表層材料之接觸問題。 本論文提出藉由原子層化學氣相沈積(ALD)進行沉積氧化鎳作為緩衝層以降低蕭特基能障，並改善接觸電阻不佳問題。而在本論文中致力於發展直接生長之大面積石墨烯，研究使用電漿輔助式化學氣相沉積(PECVD)，藉由鎳薄膜作為金屬催化劑直接成長石墨烯於目標基板，省去傳統石墨烯應用之轉印步驟，以利量產之可行性，同時也使得製程溫度降低以符合深紫外光發光二極體晶片之熱積存(thermal budget)。最後於深紫外光發光二極體之p型氮化鎵上完成氧化鎳緩衝層之沉積與約為四層直接生長之石墨烯，並測得其接觸電阻值ρc = (2.29 ± 0.73) × 10-1 Ω-cm2，且石墨烯/氧化鎳於280 nm深紫外光穿透度仍具有62.1%，得此為一具潛力以取代銦錫氧化物(ITO)作為深紫外光發光二極體之電流擴散層材料。Item 石墨烯透明電流擴散層應用於深紫外光發光二極體(2017) 陳浩宇; Chen, Hao-Yu石墨烯(graphene)為碳原子以六角型晶格所排列而成之二維材料，其具有低電阻率、高載子遷移率、良好之熱特性與機械特性等多項優點，其中於紫外光波段之高穿透率更被看好應用於深紫外光發光二極體(UVCLED)做為透明電流擴散層(TCE)之材料。然而，石墨烯與深紫外光發光二極體頂層材料之高接觸電阻率則為應用之最大障礙。 本實驗中提出以原子層化學氣相沉積法(ALD)之氧化鎳做為緩衝層降低蕭特基位障以改善接觸性不良之問題。於石墨烯製程方面，本實驗使用電漿輔助化學氣相沉積法直接成長石墨烯於目標基板之技術，改善傳統低壓化學氣相沉積法之高溫製程與轉印製程之不利要素，使大面積量產石墨烯為可行。最終直接於頂層之p型氮化鋁鎵層成長出約五層厚度之石墨烯，並輔以氧化鎳做為緩衝層可達到低接觸電阻ρc = (4.29 ± 0.46) × 10-1Ω-cm2，於280 nm之透光性仍有50%穿透率，為有潛力取代銦錫氧化物(ITO)做為電流擴散層之材料。Item 石墨烯應用於深紫外光發光二極體上作為透明電流擴散層(2016) 蕭長泰; Hisao, Chang-Tai石墨烯(graphene)為一種由碳原子依六角形排列而成之二維碳材料，其具有良好之電子遷移率、熱傳導度、機械特性與低片電阻等特性，而其於波長小於280奈米之高穿透度更被看好應用於深紫外光發光二極體(GaNLED)之上作為透明電流擴散層(TCE)。然而，石墨烯和GaN（特別是p-GaN）之間的高接觸電阻率(ρc)成為利用石墨烯作為GaNLED的透明電流擴散層需要解決的重大困難。 為了降低石墨烯和GaN介面的接觸電阻率，在本實驗中，我們準備了兩種類型的緩衝層包括氧化鎳(NiO)薄膜和銦錫氧化物(ITO)量子點放置於石墨烯和GaN之間，藉以增進石墨烯和GaN之附著力，並降低其介面的蕭特基能障。本實驗乃利用低壓化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition；CVD)方法製作石墨烯，p-GaN磊晶則由晶元光電所提供。其中厚度為2 nm之氧化鎳乃利用原子層化學氣相沉積法(Atomic Layer Deposition；ALD)將其沉積於石墨烯與p-GaN之間，另一緩衝層為於石墨烯與p-GaN間鍍層銦錫氧化物薄膜經蝕刻過後使之成為量子點銦錫氧化物。置入緩衝層後再以450°C氬氣環境下熱退火處理以加強結構完整性，最後利用圓形傳輸線模型(circular transmission line model；CTLM)與發光二極體元件量測其特性與電性。