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系統識別號 U0002-2008201211071100
中文論文名稱 奈米接觸型蕭特基感測元件之分析與應用
英文論文名稱 Ultrahigh sensitivity ZnO nanosensor with Schottky nanojunction
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 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 傅惠君
研究生英文姓名 Hui-Chun Fu
學號 699210257
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2012-07-05
論文頁數 64頁
口試委員 指導教授-葉炳宏
委員-鄭振益
委員-吳文偉
中文關鍵字 氧化鋅  矽化鍺  奈米線  奈米元件  紫外光感測  氣體感測  蕭特基接觸  蕭特基能障 
英文關鍵字 ZnO nanowires  Schottky contact device  nanosensor  nanojunction. 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要 一維奈米結構已被證實為電性非常優越的材料,由於其表面積與體積比甚大,以及易操控之徑向傳導特性,故常應用於製作超靈敏的奈米感測元件。然而,為了獲得更高品質的感測效率,相關研究提出了不對稱的蕭特基接觸(Schhottky contract)感測元件,並廣泛運用於紫外光、氣體以及帶電生物分子的感測工作上面[1-3],大幅度提升奈米感測元件的穩定性及靈敏度,其中半導體材料與金屬接面所形成蕭特基能障特性已廣泛被研究。
本研究將利用矽化鈷與氧化鋅奈米線作為蕭特基接面的金屬端與半導體端,藉由交叉排列使得金/半接面處以點接觸的方式形成蕭特基介面(point contact of schottky junction,PCSJ),縮小其能障在接面區域的範圍進而研究金/半奈米蕭特基接面之特性並應用於紫外光與氣體的感測工作。利用PCSJ 感測元件對紫外光及氧氣進行研究的結果,我們成功的得到非常優越的感測效果。感測因子可高效調整PCSJ 的能障高度表現出超高的感測靈敏度,最重大的突破在於本研究能大幅縮減反應所需要的時間。此種新型奈米接觸型感測元件將大幅提高感測元件的效率,並廣泛運用於各種感測系統。
英文摘要 One-dimensional nanostructures have been demonstrated as
outstanding materials for fabricating ultrasensitive nanosensors .In order to obtain gigantic sensitivity, our
research team had proposed such a new mechanism, schottky-gate effect, Schottky-contacted device can enhance the sensitivity of nanosensor devices dramatically. In this
study, we deliberately introduce a point contact of nonsymmetrical Schottky junction (PCSJ). The sensitivity of
this new device can be greatly enhanced due to the nano
Schottky contact area. The signal sensitivity was more than
2500%, the response and reset time of UV sensing are less than 1s. This work will provide a new technology to design the nanodevice and nanosensor.
論文目次 第一章 簡介 .............................................. 1
1.1 二十世紀的感測材料演進 .......................... 1
1.2 一維奈米結構 .................................... 1
1.3 蕭特基接觸元件 .................................. 2
第二章 研究動機 .......................................... 4
2.1 歐姆接觸元件 .................................... 4
2.2 蕭特基接觸元件 .................................. 4
2.3 奈米接觸型蕭特基元件 ............................ 5
第三章 感測機制 ......................................... 11
3.1 蕭特基接觸元件 ................................. 11
3.2 熱離子發射 ..................................... 14
3.3 紫外光感測機制 ................................. 15
3.4 氣體感測機制 ................................... 16
第四章 實驗裝置與方法 ................................... 23
4.1 奈米線的備製 ................................... 23
4.1.1 單晶非催化氧化鋅奈米線製備 ..................... 23
4.1.2 矽化鈷奈米線的備製 ............................. 23
4.2 元件備製 ....................................... 24
4.2.1 線源備製 ....................................... 25
4.2.2 奈米線設置 ..................................... 26
4.2.3 歐姆接觸型的電極 ............................... 26
4.2.4 穩定奈米接觸型蕭特基之接觸性質 ................. 27
4.3 電性量測與感測裝置 ............................. 27
4.3.1 安捷倫B1500A 半導體元件分析儀 .................. 27
4.3.2 紫外光源 ....................................... 28
4.3.3 氣體流量控制系統 ............................... 28
4.4 奈米接觸型蕭特基元件之實驗步驟 ................. 29
4.4.1 紫外光感測實驗 ................................. 29
4.4.2 氣體感測 ....................................... 31
第五章 實驗結果與分析 ................................... 41
5.1 基本電性量測與數據分析 ......................... 41
5.1.1 奈米接觸型蕭特基元件之基本電性量測 ............. 41
5.1.2 數據分析與比較 ................................. 41
5.2 紫外光感測實驗之基本電性量測與數據分析 ......... 43
5.2.1 奈米接觸型蕭特基元件在紫外光照射下之基本電性 ... 43
5.2.2 奈米接觸型蕭特基元件之紫外光感測 ............... 43
5.3 熱效應實驗 ..................................... 45
5.4 奈米接觸型蕭特基元件之氣體感測 ................. 46
5.4.1 氧氣感測實驗 ................................... 46
5.4.2 一氧化碳感測實驗 ............................... 47
第六章結論與未來展望 .................................... 61
6.1 結論 ........................................... 61
6.2 未來展望 ....................................... 62
引用文獻 ................................................ 64
圖目錄
【圖4.1】氧化鋅奈米線V-S 成長方法示意圖。 ............... 37
【圖4.2】矽化鈷奈米線V-S 成長方法示意圖。 ............... 37
【圖4.3】矽化鈷粒子SEM 圖(左),XRD 分析(右)。 ........... 38
【圖4.4】矽化鈷奈米線SEM 圖(左),TEM 圖(中),結構分析(右)。
...................................................... 38
【圖4.5】奈米接觸型蕭特基元件示意圖(左),SEM 圖(右)。 ... 39
【圖4.6】安捷倫B1500A 半導體元件分析儀(左),腔體內部擺置試片
的加熱平台與四點探針(右)。 ............................ 39
【圖4.7】紫外光源(ENF-280C) ............................ 40
【圖4.8】氣體流量控制系統 .............................. 40
【圖5.1】傳統型蕭特基元件I-V 特性曲線,插圖為元件SEM 圖,左
為矽化鈷奈米線,右為氧化鋅奈米線。 .................... 50
【圖5.2】奈米接觸型蕭特基元件I-V 特性曲線,插圖為元件SEM 圖,
左為矽化鈷奈米線,右為氧化鋅奈米線。 .................. 50
【圖5.3】順向偏壓。 .................................... 51
【圖5.4】逆向偏壓。 .................................... 51
【圖5.5】 奈米接觸型蕭特機元件在紫外光照射前後之電流-電壓特
性曲線,以及感測靈敏度在不同電壓下的分布情形。 ........ 52
【圖5.6】 奈米接觸型蕭特機元件在紫外光照射前後之電流-電壓特
性曲線,以及感測靈敏度在不同電壓下的分布情形。 ........ 52
【圖5.7】 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5.8】不同逆向偏壓下之感測靈敏度,與反應、回復時間。 . 53
【圖5.9】外加偏壓-0.1V 時之紫外光感測結果。 ............. 54
【圖5.10】外加偏壓-0.2V 時之紫外光感測結果。 ............ 54
【圖5.11】外加偏壓-0.3V 時之紫外光感測結果。 ............ 54
【圖5.12】外加偏壓-0.4V 時之紫外光感測結果。 ............ 55
【圖5.13】外加偏壓-0.5V 時之紫外光感測結果。 ............ 55
【圖5.14】外加偏壓-0.6V 時之紫外光感測結果。 ............ 55
【圖5.15】外加偏壓-0.7V 時之紫外光感測結果。。 .......... 56
【圖5.16】外加偏壓-0.8V 時之紫外光感測結果。 ............ 56
【圖5.17】 外加偏壓-0.9V 時之紫外光感測結果。 ........... 56
【圖5.18】奈米接觸型蕭特基元件在不同溫度下之電流-電壓特性曲
線。 .................................................. 57
【圖5.19】高溫環境中電流載子從環境中獲得能量,能夠輕易地通過
蕭特基能障。 .......................................... 57
【圖5.20】室溫時真空與氧氣環境下的電流-電壓特性曲線。 ... 58
【圖5.21】室溫下氧氣之電流-時間感測。 ................... 58
【圖5.22】室溫時一氧化碳與氧氣環境下的電流-電壓特性曲線。 59
【圖5.23】室溫下氧氣-一氧化碳之電流-時間感測。 .......... 59
【圖5.24】氧氣-一氧化碳之電流-時間感測。 ................ 60
【圖6.1】 多通道式奈米接觸型蕭特基元件 .................. 63
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[9] Chun-I Tsai, Ping-Hung Yeh , Chiu-Yen Wang, Han-Wei Wu, Uei-Shin Chen,Ming-Yen Lu, Wen-Wei Wu, Lih-Juann Chen, and Zhong-Lin Wang. Crystal Growth & Design, Vol.9, No.10,2009.
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