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系統識別號 U0002-1209201401162800
中文論文名稱 利用鍺和二氧化錫奈米異質介面形成的多功能檢測器:多頻光譜與氣體偵測器
英文論文名稱 Multi-capability detection by using Ge/SnO2 Nano-heterojunction : Broadband light and gas detection
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 物理學系碩士班
系所名稱(英) Department of Physics
學年度 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 許景涵
研究生英文姓名 Ching-Han Hsu
學號 699210356
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-07-11
論文頁數 93頁
口試委員 指導教授-葉炳宏
委員-李勝偉
委員-徐秀福
中文關鍵字   二氧化錫  奈米線  奈米元件  奈米異質接觸  多頻光譜感測器  氣體感測器 
英文關鍵字 Germanium  Tin dioxide  Nanowire  Nano device  Nano-heterojunction  Broadband light sensor  Gas sensor 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要   近年來,在一維奈米尺度電子元件上有許多研究團隊利用歐姆接觸與蕭特基接觸方式,提升了元件的輸出能力與靈敏度及反應效率,但如何增加單一材料奈米元件的感測多樣性,是奈米元件發展的關鍵。
  本研究利用兩種不同材料(鍺與二氧化錫奈米線),形成鍺與二氧化錫奈米異質接面元件。在光感測部分,由於兩種材料的能隙不同,在形成異質介面時,因為能帶連續關係,使得元件可感測在兩者間的吸收波段。同時藉由操作在順、逆偏壓下,使得元件對不同波段的光源有不同的感測能力。而在氣體感測方面,由於本實驗元件屬於奈米點接觸元件,所以介面的焦耳熱效應顯著,增加了氧氣與一氧化碳吸附與脫附能力,在藉由操作順、逆偏壓下,使得元件對不同氣體有不同感測能力。
  本研究證明了鍺與二氧化錫奈米異質介面元件,藉由操作在順、逆偏壓下調控能帶的彎曲,可以提高對多波段光源和氣體檢測能力。
英文摘要   Recently, there are several articles discussed how using ohmic and schottky contact mechanism to form sensors and how to increase the sensitivity and efficiency. Most of them are focus on the single material detection; but there are few articles used one material to functionalize the other material for intensifying the detection ability. In this study, we used two different materials (Germanium and Tin dioxide nanowire) to fabricate Ge/SnO2 nano-heterojunction device (GSNHD) for light and gas detection. For light detection, the broadband light can be detected due to the heterojunction interface. That is because the band continue formed by the heterojunction formation. So the GSNHD can detect different wavelengths light by operating the device tuning voltage. In gas sensing, due to the device scale-down, the Joule heating effect can be enlarged to enhance the oxygen and carbon monoxide adsorption and desorption capability. Worth to mention, the sensing ability of GSNHD is different for different gas environments by tuning voltage. From above experiment, GSNHD shows high sensitivity for environment changing. The ability of broadband light and gas detection can be improved because the band engineering of GSNHD by tuning voltage. In this research work, the multi-capability ability can be proved by using GSNHD.
論文目次 第一章 簡介 1
1.1感測材料的演進 1
1.2一維奈米材料 4
1.2.1歐姆接觸元件 5
1.2.2蕭特基接觸元件 8
1.3異質接面元件 13
第二章 研究動機 15
第三章 元件製作與實驗裝置 17
3.1二氧化錫奈米線與鍺奈米線的製備 17
3.2奈米異質介面元件製備 20
3.2.1線源製備 20
3.2.2奈米線設置 22
3.2.3 鍺和二氧化錫奈米異質介面元件 23
3.3 電性量測系統與感測裝置 24
3.3.1 安捷倫B1500A電性量測系統 25
3.3.2 多波段光源 25
3.3.3 氣體流量控制系統 27
3.4 材料分析儀器 28
3.4.1穿透式電子顯微鏡 28
3.4.2掃描式電子顯微鏡 31
第四章 實驗步驟與方法 32
4.1材料分析 32
4.1.1穿透式電子顯微鏡 32
4.1.2掃描式電子顯微鏡 33
4.2基本電訊分析 34
4.3鍺和二氧化錫奈米異質介面元件在多波段光源光感測 34
4.3.1基本材料特性光感測 34
4.3.2多波段光源光感測 35
4.3.3不同接觸型元件下的多波段光源光感測 36
4.4氣體感測 37
第五章 數據分析與感測機制 39
5.1材料分析 39
5.1.1鍺和二氧化錫異質介面元件之穿透式電子顯微鏡的分析 39
5.1.2鍺和二氧化錫異質介面元件之掃描式電子顯微鏡的分析 42
5.2基本電性量測分析 43
5.3鍺和二氧化錫奈米異質介面元件在多波段光源光感測分析 51
5.3.1基本材料特性光感測分析 51
5.3.2多波段光源光感測分析 54
5.3.3不同接觸型元件下的多波段光源光感測分析 57
5.4氣體感測分析 69
第六章 結論與未來展望 84
6.1結論 84
6.2未來與展望 85
引用文獻 87

圖目錄

【圖1.1.1】電腦處理器中電晶體數目的增長曲線符合摩爾定律
1
【圖1.1.2】奈米線 2
【圖1.1.3】奈米點 3
【圖1.1.4】傳統激光各活性層(a);多維量子井激光器分別為一維(b)、二維(c)和三維(d)等結構 3
【圖1.2.1】穿隧式電子顯微鏡下的奈米碳管。平行的黑線符合(002)碳晶格的影像。每一根奈米碳管示意圖如下(a)奈米碳管由五層碳層所組成的直徑為6.7nm。(b)兩層碳層所組成的奈米碳管直徑為5.5nm。(c)七層碳層所組成的奈米碳管直徑為6.5nm,而中間最小的奈米碳管直徑為2.2nm 4
【圖1.2.2】金屬-半導體接觸後造成的能帶彎曲示意圖,此圖為歐姆接觸示意圖 6
【圖1.2.3】歐姆接觸元件 7
【圖1.2.4】歐姆接觸元件之電流-電壓特性曲線 7
【圖1.2.5】金屬與半導體(a)形成接面前及(b)形成接面後之能帶示意圖 8
【圖1.2.6】蕭特基接觸元件 9
【圖1.2.7】蕭特基接觸元件操作於(a)順向偏壓及(b)逆向偏壓下電子流向示意圖 9
【圖1.2.8】蕭特基接觸元件之電流-電壓特性曲線 10
【圖1.2.9】歐姆接觸元件之紫外光感測工作的電流-時間曲線
10
【圖1.2.10】蕭特基接觸元件之紫外光感測工作的電流-時間曲線
11
【圖1.2.11】歐姆接觸元件之氣體感測工作的電流-時間曲線,藍色底為氮氣環境,粉色底為氧氣環境 11
【圖1.2.12】蕭特基接觸元件之氣體感測工作的電流-時間曲線
12
【圖1.3.1】P-N介面能帶圖 14
【圖3.1.1】二氧化錫奈米線固體-氣體成長方法示意圖 17
【圖3.1.2】以超臨界流體液固合成法進行奈米線合成示意圖 18
【圖3.1.3】以溶液-液-固機制進行奈米線合成示意圖 19
【圖3.2.1】二氧化錫奈米線線源 21
【圖3.2.2】鍺奈米線線源 21
【圖3.2.3】奈米線設置時三軸平移台裝置示意圖,載玻片上左為電性試片、右為線源,試片上方為玻璃探針 22
【圖3.2.4】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件 23
【圖3.3.1】安捷倫B1500A半導體元件分析儀 24
【圖3.3.2】四點探針量測系統 24
【圖3.3.3】可攜式紫外光燈管 26
【圖3.3.4】CREE XP-E 市售型LED 26
【圖3.3.5】氣體流量控制系統 27
【圖3.4.1】JEOL Ltd.型號JEM-2100F穿透式電子顯微鏡 29
【圖3.4.2】X光能量散射能譜儀 30
【圖3.4.3】電子能量損失能譜儀 30
【圖3.4.4】場發射式電子顯微鏡搭配陰極射線激發放光光譜儀
31
【圖5.1.1】鍺奈米線低倍率TEM影像,插圖為選區繞射條紋 39
【圖5.1.2】二氧化錫奈米線低倍率TEM影像,插圖為選區繞射條紋 40
【圖5.1.3】鍺奈米線高解析TEM影像,成長方向為(111),晶格常數0.33奈米 41
【圖5.1.4】二氧化錫奈米線高解析TEM影像,成長方向為(002),晶格常數0.19奈米 41
【圖5.1.5】鍺和二氧化錫異質接面元件之SEM示意圖 42
【圖5.2.1】鍺和二氧化錫異質介面元件基本電壓-電流特性曲線
43
【圖5.2.2】不同半導體具有不同的能隙Eg、介電係數εs、功函數qψs、和電子親和力qχ 44
【圖5.2.3】異質介面基本熱平衡下能帶圖 44
【圖5.2.4】鍺和二氧化錫材料基本參數 45
【圖5.2.5】鍺和二氧化錫異質介面元件基本熱平衡下能帶圖 46
【圖5.2.6】鍺和二氧化錫異質介面元件作用於順向偏壓下能帶圖
47
【圖5.2.7】鍺和二氧化錫異質介面元件作用於逆向偏壓下能帶圖
47
【圖5.2.8】鍺和二氧化錫異質介面元件順向偏壓電流傳輸 48
【圖5.2.9】鍺和二氧化錫異質介面元件逆向偏壓電流傳輸 49
【圖5.3.1】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件在順向偏壓下紫外光源光感測 52
【圖5.3.2】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件在逆向偏壓下紫外光源光感測 52
【圖5.3.3】比較傳統型(藍)與奈米接觸型(粉紅)之蕭特基元件對紫外光感測的反應與回覆時間 53
【圖5.3.4】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件在順向偏壓下多波段光源光感測 55
【圖5.3.5】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件在逆向偏壓下多波段光源光感測 55
【圖5.3.6】單根鍺奈米線歐姆接觸元件多波段光源光感測 58
【圖5.3.7】單根二氧化錫奈米線歐姆接觸元件多波段光源光感測
58
【圖5.3.8】單根鍺奈米線蕭特基接觸元件在逆向偏壓下多種不同波段光源光感測 59
【圖5.3.9】單根二氧化錫奈米線蕭特基接觸元件在逆向偏壓下多種不同波段光源光感測 60
【圖5.3.10】單根鍺奈米線歐姆接觸與蕭特基接觸元件在逆向偏壓下對紫外光365nm LED光感測 61
【圖5.3.11】單根二氧化錫奈米線歐姆接觸與蕭特基接觸元件在逆向偏壓下對紫外光365nm LED光感測 61
【圖5.3.12】鍺和二氧化錫異質介面元件在順向偏壓下對紫外光365nm LED光感測 62
【圖5.3.13】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件操作於順向偏壓下紫光源光感測 65
【圖5.3.14】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件操作於逆向偏壓下紫光源光感測 65
【圖5.3.15】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件操作於順向偏壓下的多波段光源光感測 66
【圖5.3.16】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件操作於逆向偏壓下的多波段光源光感測 67
【圖5.4.1】〖SnO〗_(2-X)及〖SnO〗_2在250oC下純氧及2ppm一氧化碳氣週
期性感測之電流密度-時間曲線 70
【圖5.4.2】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件操作在順向偏壓150℃下,對氧氣與一氧化碳濃度50ppm的電流變化圖 71
【圖5.4.3】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件操作在順向偏壓150℃下,對氧氣與一氧化碳濃度50ppm氣體週期性感測之電流-時間曲線 72
【圖5.4.4】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件操作在逆向偏壓150℃下,對氧氣與一氧化碳濃度50ppm氣體週期性感測之電流-時間曲線 72
【圖5.4.5】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件操作在順向偏壓100℃下,對氧氣與一氧化碳濃度50ppm氣體週期性感測之電流-時間曲線 73
【圖5.4.6】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件操作在逆向偏壓100℃下,對氧氣與一氧化碳濃度50ppm氣體週期性感測之電流-時間曲線 73
【圖5.4.7】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件操作在順向偏壓50℃下,對氧氣與一氧化碳濃度50ppm氣體週期性感測之電流-時間曲線 74
【圖5.4.8】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件操作在逆向偏壓50℃下,對氧氣與一氧化碳濃度50ppm氣體週期性感測之電流-時間曲線 74
【圖5.4.9】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件操作於順向偏壓氧氣環境下氣體感測 76
【圖5.4.10】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件操作於順向偏壓氧氣環境下氣體感測 77
【圖5.4.11】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件操作於順向偏壓一氧化碳環境下氣體感測 78
【圖5.4.12】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件操作於逆向偏壓一氧化碳環境下氣體感測 78
【圖5.4.13】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件操作於順向偏壓下,不同濃度一氧化碳環境下之氣體感測 81
【圖5.4.14】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件操作於逆向偏壓下,不同濃度一氧化碳環境下之氣體感測 81

表格目錄

【表5.3.1】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件在順向偏壓下對多波段光源的電流變化量、反應靈敏度、反應時間與回復時間 56
【表5.3.2】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件在逆向偏壓下對多波段光源的電流變化量、反應靈敏度、反應時間與回復時間 56
【表5.3.3】單根鍺與二氧化錫奈米線歐姆接觸元件與蕭特基接觸元件和鍺和二氧化錫異質介面元件,對365nm光源開啟與關閉的反應靈敏度、反應時間、回復時間 63
【表5.4.1】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件在順向偏壓下150℃、100℃、50℃下對氣體感測的電流變化量與反應靈敏度 79
【表5.4.2】鍺和二氧化錫奈米異質接面元件在逆向偏壓下150℃、100℃、50℃下對氣體感測的電流變化量與反應靈敏度 79
【表5.4.3】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件在順向偏壓對不同濃度的一氧化碳感測 82
【表5.4.4】鍺和二氧化錫奈米異質介面元件在逆向偏壓對不同濃度的一氧化碳感測 83
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