本研究使用表面改質的方式，調控蕭特基能障，提升元件於較低溫時(100 ℃下)之氣體感測能力。本研究使用一氧化碳氣體作為待測氣體，進行材料表面改質之探討，於蕭特基介面官能化不同分子鏈長之化合物(5－己烯基三氯矽烷/ 10－十一碳烯基三氯矽烷)以調控蕭特基能障變化。在60 ℃時，元件官能化10－十一碳烯基三氯矽烷後，電流變化量(93 nA)與未官能化(38 nA)時相比，增加244%，而元件官能化5－己烯基三氯矽烷後，電流變化量(296 nA)與未官能化時相比，能夠增加779%，元件於官能化後皆能增加元件電流輸出，以官能化5－己烯基三氯矽烷效果較佳。而蕭特基能障變化量於元件官能化10－十一碳烯基三氯矽烷後為33 meV，與未官能化時蕭特基能障變化量為18 meV相比，為增加之趨勢。操作溫度於60－80 ℃時，元件於官能化後與未官能化時之電流變化趨勢相反，官能化後之電流變化量為負值，未官能化之電流變化量為正值，由於表面改質的影響，元件於官能化後感測機制不同，因此造成此現象。

In this research, schottky barrier height (SBH) can be tuned by surface engineering. In order to improve the sensing ability of schottky NW device under 100℃, we use two kinds of chemical solvent which are different from chemical length in structure (10-Undecenyltrichlorosi-
lane/ 5-Hexenyltrichlorosilane) to functionalize NW. To prove the surface engineering effect, we can run the gas detection and find out the mechanism. In the result, the SBH variation of functionalized (10-Undecenyltrichlorosilane) NW device is 33 meV, and the SBH variation of unfunctionalized NW device is 18 meV in 60℃.The functionalized NW device can be increased 15 meV. After functionalized (5-Hexenyltrichlorosilane) NW device, the current variation can be increased larggest (779%) than unfunctionlized NW device in 60℃. The mechanism of functionalized NW device is different from unfunctionalized in 60-80℃,which show the current variation is negative when NW device functionalized. And the mechanism of functionalized NW device is the same as unfunctionalized NW device in 90-100℃. Surface functionalization can actually improve the NW sensing ability.

目錄

第一章 簡介	1
1.1 奈米感測材料的演進	1
1.2 一維奈米材料應用	2
1.3 蕭特基接觸元件	2
1.4 表面官能化	3
第二章 研究動機	5
2.1 歐姆接觸元件	5
2.2 蕭特基接觸元件	9
2.3 二氧化錫奈米線蕭特基接觸元件	14
第三章 元件製作與實驗裝置	16
3.1 奈米線的製備	16
3.2 元件製備	17
3.2.1 線源製備	17
3.2.2 奈米線設置	18
3.3 電性量測系統與感測裝置	19
3.3.1 安捷倫B1500A電性量測系統	20
3.3.2 氣體流量控制系統	21
3.4 材料分析儀器	22
3.4.1 穿透式電子顯微鏡	22
3.4.2 掃描式電子顯微鏡	23
3.5 化學藥劑	24
第四章 實驗步驟與方法	25
4.1 材料分析	25
4.1.1 穿透式電子顯微鏡	25
4.1.2 掃描式電子顯微鏡	25
4.2 電性量測	26
4.2.1 基本電性量測	26
4.2.2 氣體感測	27
4.3 表面官能化	30
4.3.1 元件官能化	30
4.3.2 官能化後氣體感測	31
4.4 實驗計算方法	32
4.4.1 電流變化量	32
4.4.2 反應靈敏度	33
4.4.3 蕭特基能障計算	33
第五章 實驗結果與分析	35
5.1 材料分析	35
5.1.1 二氧化錫奈米線之穿透式電子顯微鏡分析	35
5.1.2 二氧化錫奈米線之掃描式電子顯微鏡分析	36
5.2 基本電性量測數據分析	37
5.3 未官能化之元件於一氧化碳感測數據分析及感應機制	38
5.3.1. 未官能化之元件於低濃度(10 ppm)一氧化碳感測數據分析	38
5.3.2 未官能化之元件於高濃度(300 ppm)一氧化碳感測結果	40
5.3.2.1 未官能化之元件對一氧化碳與氧氣感測機制	42
5.3.2.2 溫度對氣體感測機制之影響	44
5.3.2.3 未官能化之元件於高濃度(300 ppm)一氧化碳感測數據分析	45
5.4 官能化之元件電性量測數據分析與感測機制	48
5.4.1 化合物之基本特性檢測	49
5.4.2 官能化10－十一碳烯基三氯矽烷之元件於一氧化碳感測結果	50
5.4.2.1 官能化10－十一碳烯基三氯矽烷之元件於較低溫(60－80 ℃)之一氧化碳感測結果	53
5.4.2.2 官能化10－十一碳烯基三氯矽烷之元件於較高溫(90－100 ℃)之一氧化碳感測結果	57
5.4.3 官能化5－己烯基三氯矽烷之元件於一氧化碳氣體檢測	62
5.4.3.1 官能化5－己烯基三氯矽烷之元件於較低溫(60－80 ℃)之一氧化碳感測結果	65
5.4.3.2 官能化5－己烯基三氯矽烷之元件於較高溫(90－100 ℃)之一氧化碳感測結果	69
5.4.4 氣體分子對化合物擴散於溫度下的影響	73
5.5 官能化之元件對小分子(氫氣)氣體感測	74
5.5.1 未官能化之元件在80 ℃時之小分子(氫氣)氣體感測結果與機制	74
5.5.2 官能化5－己烯基三氯矽烷/ 10－十一碳烯基三氯矽烷之元件對小分子(氫氣)感測結果與機制	76
第六章 結論與未來展望	79
6.1 結論	79
6.2 未來展望	81
參考文獻	82
 
圖目錄

【圖2.1】 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	7
【圖2.2】 歐姆接觸元件	8
【圖2.3】 歐姆接觸元件之電流-電壓特性曲線	8
【圖2.4】 蕭特基接觸元件	10
【圖2.5】 蕭特基接觸元件之電流-電壓特性曲線	10
【圖2.6】 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	11
【圖2.7】 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	12
【圖2.8】 蕭特基接觸元件之氣體感測工作的電流-時間曲線	12
【圖2.9】 歐姆接觸元件之紫外光感測工作的電流-時間曲線	13
【圖2.10】 蕭特基接觸元件之紫外光感測工作的電流-時間曲線	13
【圖3.1】 二氧化錫奈米線固體－氣體成長方法示意圖	16
【圖3.2】 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	18
【圖3.3】 安捷倫B1500A半導體元件分析儀	19
【圖3.4】 四點探針量測系統	20
【圖3.5】 氣體流量控制系統	21
【圖3.6】 JEOL LTD.型號JEM-2100F穿透式電子顯微鏡	22
【圖3.7】 場發射式電子顯微鏡搭配陰極射線激發放光光譜儀	23
【圖3.8】 藥品10－十一碳烯基三氯矽烷/5－己烯基三氯矽烷	24
【圖4.1】 實驗以蕭特基接觸端做為調控電壓端之示意圖	27
【圖4.2】 藥品匯聚於針尖進行元件官能化	30
【圖5.1】 穿透式顯微鏡對二氧化錫奈米線分析	35
【圖5.2】 掃描式電子顯微鏡對元件分析	36
【圖5.3】 在逆向偏壓下兩組元件電流－電壓特性曲線	37
【圖5.4】 二氧化錫奈米線在溫度區間為50-125 ℃之一氧化碳氣體檢測，黃色區域為一氧化碳，淺色區域為氧氣	38
【圖5.5】 二氧化錫奈米線在溫度區間為60-100 ℃之一氧化碳氣體檢測	41
【圖5.6】 金半接面在氧氣環境下提升蕭特基能障示意圖	43
【圖5.7】 金半接面在一氧化碳氣體下降低蕭特基能障示意圖	43
【圖5.8】 逆向偏壓下電子獲得能量通過蕭基特能障	47
【圖5.9】 化合物5－己烯基三氯矽烷/ 10－十一碳烯基三氯矽烷之電流－電壓特性曲線	49
【圖5.10】 官能化10－十一碳烯基三氯矽烷之元件於一氧化碳感測電流－電壓作圖	51
【圖5.11】 官能化10－十一碳烯基三氯矽烷之元件於一氧化碳感測電流－時間作圖	51
【圖5.12】 官能化10－十一碳烯基三氯矽烷之元件在60－80 ℃氧氣環境下感測機制	55
【圖5.13】 官能化10－十一碳烯基三氯矽烷之元件後在60－80 ℃一氧化碳環境下感測機制	55
【圖5.14】 官能化10－十一碳烯基三氯矽烷之元件在60－80 ℃一氧化碳氣體量測	56
【圖5.15】 未官能化之元件在60－80 ℃一氧化碳氣體量測	56
【圖5.16】 官能化10－十一碳烯基三氯矽烷之元件在80－100 ℃一氧化碳氣體量測	59
【圖5.17】 未官能化之元件在80－100 ℃一氧化碳氣體量測	59
【圖5.18】 官能化10－十一碳烯基三氯矽烷之元件在90－100 ℃氧氣感測機制	60
【圖5.19】 官能化10－十一碳烯基三氯矽烷之元件在90－100 ℃一氧化碳感測機制	60
【圖5.20】 官能化5－己烯基三氯矽烷之元件於一氧化碳感測電流－電壓作圖	63
【圖5.21】 官能化5－己烯基三氯矽烷之元件於一氧化碳感測電流－時間作圖	64
【圖5.22】 官能化5－己烯基三氯矽烷之元件在60－80 ℃氧氣感測機制	66
【圖5.23】 官能化5－己烯基三氯矽烷之元件在60－80 ℃一氧化碳感測機制	66
【圖5.24】 官能化5－己烯基三氯矽烷之元件在60－80 ℃一氧化碳氣體量測	67
【圖5.25】 未官能化之元件在60－80 ℃一氧化碳氣體量測	67
【圖5.26】 官能化5－己烯基三氯矽烷之元件在80－100 ℃一氧化碳氣體量測	70
【圖5.27】 未官能化之元件在80－100 ℃一氧化碳氣體量測	71
【圖5.28】 官能化5－己烯基三氯矽烷之元件在80－100 ℃氧氣感測機制	71
【圖5.29】 官能化5－己烯基三氯矽烷之元件在80－100 ℃一氧化碳感測機制	72
【圖5.30】 未官能化之元件在80 ℃對氫氣感測之電流－電壓作圖	75
【圖5.31】 未官能化之元件在80 ℃對氫氣感測之電流－時間作圖	75
【圖5.32】 官能化10－十一碳烯基三氯矽烷/ 官能化5－己烯基三氯矽烷之元件在80 ℃之氫氣感測結果	77
【圖5.33】 官能化10－十一碳烯基三氯矽烷/ 官能化5－己烯基三氯矽烷之元件在60 ℃之氫氣感測結果	78
【圖5.34】 官能化10－十一碳烯基三氯矽烷/ 官能化5－己烯基三氯矽烷之元件在25 ℃之氫氣感測結果	78
表目錄

【表3.1】 化合物之化學特性表	24
【表5.1】 二氧化錫奈米線在60－100 ℃下之能障變化量	44
【表5.2】 未官能化之元件對一氧化碳氣體檢測之結果	45
【表5.3】 官能化10－十一碳烯基三氯矽烷之元件對一氧化碳氣體            感測結果	54
【表5.4】 官能化5－己烯基三氯矽烷之元件對一氧化碳氣體感測結果	64

1.	Zhou, J.; Gu, Y.; Hu, Y.; Mai, W.; Yeh, P.-H.; Bao, G.; Sood, A. K.; Polla, D. L.; Wang, Z. L., Gigantic enhancement in response and reset time of ZnO UV nanosensor by utilizing Schottky contact and surface functionalization. Applied Physics Letters 2009, 94.
2.	Morales, A. M.; Lieber, C. M., A Laser Ablation Method for the Synthesis of Crystalline Semiconductor Nanowires. Science 1998, 279, 208-211.
3.	Pan, Z. W.; Dai, Z. R.; Wang, Z. L., Nanobelts of Semiconducting Oxides. Science 2001, 291, 1947-1949.
4.	Zhou, X. T.; Hu, J. Q.; Li, C. P.; Ma, D. D. D.; Lee, C. S.; Lee, S. T., Silicon nanowires as chemical sensors. Chemical Physics Letters 2003, 369, 220-224.
5.	Xiuyun Sun, Y. S. U. N., Single-Walled Carbon Nanotubes for Flexible Electronics and Sensors. Journal of Materials Sciences and Technology 2008, 24, 569-577.
6.	Law, M.; Sirbuly, D. J.; Johnson, J. C.; Goldberger, J.; Saykally, R. J.; Yang, P., Nanoribbon Waveguides for Subwavelength Photonics Integration. Science 2004, 305, 1269-1273.
7.	Fan, Z.; Wang, D.; Chang, P.-C.; Tseng, W.-Y.; Lu, J. G., ZnO nanowire field-effect transistor and oxygen sensing property. Applied Physics Letters 2004, 85, 5923-5925.
8.	Bai, X. D.; Gao, P. X.; Wang, Z. L.; Wang, E. G., Dual-mode mechanical resonance of individual ZnO nanobelts. Applied Physics Letters 2003, 82, 4806-4808.
9.	WangWang; Zhou, J.; Song; Liu, J.; Xu, N.; Wang, Z. L., Piezoelectric Field Effect Transistor and Nanoforce Sensor Based on a Single ZnO Nanowire. Nano Letters 2006, 6, 2768-2772.
10.	Wei, T.-Y.; Yeh, P.-H.; Lu, S.-Y.; Wang, Z. L., Gigantic Enhancement in Sensitivity Using Schottky Contacted Nanowire Nanosensor. Journal of the American Chemical Society 2009, 131, 17690-17695.
11.	Chiu, H.-C.; Yeh, C.-S., Hydrothermal Synthesis of SnO2 Nanoparticles and Their Gas-Sensing of Alcohol. The Journal of Physical Chemistry C 2007, 111, 7256-7259.
12.	王玟捷. 研究藉由增加奈米材料表面的氧空缺結構以大幅提升奈米線感測元件的感測能力. 淡江大學, 新北市, 2013.
13.	Wang, Z.; Li, Z.; Jiang, T.; Xu, X.; Wang, C., Ultrasensitive Hydrogen Sensor Based on Pd0-Loaded SnO2 Electrospun Nanofibers at Room Temperature. ACS Applied Materials & Interfaces 2013, 5, 2013-2021.
14.	Cheng, Y.; Xiong, P.; Yun, C. S.; Strouse, G. F.; Zheng, J. P.; Yang, R. S.; Wang, Z. L., Mechanism and Optimization of pH Sensing Using SnO2 Nanobelt Field Effect Transistors. Nano Letters 2008, 8, 4179-4184.
15.	Xue, X.; Chen, Z.; Ma, C.; Xing, L.; Chen, Y.; Wang, Y.; Wang, T., One-Step Synthesis and Gas-Sensing Characteristics of Uniformly Loaded Pt@SnO2 Nanorods. The Journal of Physical Chemistry C 2010, 114, 3968-3972.
16.	Jeong, S. H.; Kim, S.; Cha, J.; Son, M. S.; Park, S. H.; Kim, H.-Y.; Cho, M. H.; Whangbo, M.-H.; Yoo, K.-H.; Kim, S.-J., Hydrogen Sensing under Ambient Conditions Using SnO2 Nanowires: Synergetic Effect of Pd/Sn Codeposition. Nano Letters 2013, 13, 5938-5943.
17.	Yuasa, M.; Kida, T.; Shimanoe, K., Preparation of a Stable Sol Suspension of Pd-Loaded SnO2 Nanocrystals by a Photochemical Deposition Method for Highly Sensitive Semiconductor Gas Sensors. ACS Applied Materials & Interfaces 2012, 4, 4231-4236.
18.	Gurlo, A., Interplay between O2 and SnO2: Oxygen Ionosorption and Spectroscopic Evidence for Adsorbed Oxygen. ChemPhysChem 2006, 7, 2041-2052.
19.	Manesse, M.; Sanjines, R.; Stambouli, V.; Jorel, C.; Pelissier, B.; Pisarek, M.; Boukherroub, R.; Szunerits, S., Preparation and Characterization of Silver Substrates Coated with Antimony-Doped SnO2 Thin Films for Surface Plasmon Resonance Studies. Langmuir 2009, 25, 8036-8041.
20.	Agarwal, P.; Vijayaraghavan, M. N.; Neuilly, F.; Hijzen, E.; Hurkx, G. A. M., Breakdown Enhancement in Silicon Nanowire p-n Junctions. Nano Letters 2007, 7, 896-899.
21.	Zhang, A.; Kim, H.; Cheng, J.; Lo, Y.-H., Ultrahigh Responsivity Visible and Infrared Detection Using Silicon Nanowire Phototransistors. Nano Letters 2010, 10, 2117-2120.
22.	Hoang, S.; Guo, S.; Hahn, N. T.; Bard, A. J.; Mullins, C. B., Visible Light Driven Photoelectrochemical Water Oxidation on Nitrogen-Modified TiO2 Nanowires. Nano Letters 2011, 12, 26-32.
23.	Xu, M.; Da, P.; Wu, H.; Zhao, D.; Zheng, G., Controlled Sn-Doping in TiO2 Nanowire Photoanodes with Enhanced Photoelectrochemical Conversion. Nano Letters 2012, 12, 1503-1508.
24.	Perea, D. E.; Li, N.; Dickerson, R. M.; Misra, A.; Picraux, S. T., Controlling Heterojunction Abruptness in VLS-Grown Semiconductor Nanowires via in situ Catalyst Alloying. Nano Letters 2011, 11, 3117-3122.
25.	Mohite, A. D.; Perea, D. E.; Singh, S.; Dayeh, S. A.; Campbell, I. H.; Picraux, S. T.; Htoon, H., Highly Efficient Charge Separation and Collection across in Situ Doped Axial VLS-Grown Si Nanowire p–n Junctions. Nano Letters 2012, 12, 1965-1971.
26.	Sze, S. M., Physics of Semiconductor Devices 2nd Edition.