本研究利用單晶氧化鋅奈米線在特定濕度環境中所產生的自發性再成長現象製備非晶氧化鋅奈米線。利用電子顯微鏡如SEM、TEM、AFM等對自發性再成長效應進行分析與驗證，研究中發現利用非晶氧化鋅奈米線可以大幅提升紫外光感測能力提高反應、回復時間至20毫秒(單晶氧化鋅光感測元件反應及回復時間約為8.6、53秒)，更可以利用此元件進行多波段光檢測(365nm、520nm、590nm、840nm、940nm)。本實驗不僅提供了非晶氧化鋅奈米線自發性再成長機制與方法，更進行了多波段光檢測實驗及感測能力。

In this work, we have demonstrated amorphous ZnO nanowires (a-ZnO NWs) could be spontaneous grown from crystalline ZnO (c-ZnO) NWs at specific humid environment. The spontaneous reaction mechanism and result can be analyzed by humidity controlling and OM/SEM/TEM system. The a-ZnO NW can be used as a powerful material to enhance the detection ability of photo-sensor; for UV light detection, the response and the reset time can be improved to 20 ms (8.6 s and 53 s, c-ZnO NW photo-detector), the sensitivity also can be enhanced to 600% (9%, c-ZnO NW photo-detector). Furthermore, the broadband light can be detected by using a-ZnO NWs sensor, such as 365nm, 520nm, 590nm, 840nm and 940nm wavelengths light. This work provides the spontaneous growth mechanism and methods of the a-ZnO NWs; the gigantic enhancement of photo-detection ability and broadband light detection can be achieved by using a-ZnO NWs. This a-ZnO NWs fabrication and photo-detection investigation can intensify ZnO-based nanodevices application.

第一章	簡介	1
1.1 奈米材料:	1
1.2一維奈米結構:	2
1.3 一維奈米線感測元件:	3
第二章 研究動機	4
2.1 氧化鋅奈米元件	6
第三章 元件製作與實驗裝置	8
3.1 實驗文獻回顧:	8
3.2 實驗步驟:	9
3.2.1氧化鋅奈米線製備	9
3.2.2實驗元件製備	10
3.2.3 氧化鋅奈米線線源製備:	13
3.2.4 奈米線設置:	14
3.2.5 非晶氧化鋅奈米線歐姆接觸元件:	14
3.3 電性量測系統與感測裝置	15
3.3.1 安捷倫B1500A電性量測系統	16
3.3.2 感測光源	16
3.4 材料分析儀器:	17
3.4.1 掃描式電子顯微鏡:	17
3.4.2 穿透式電子顯微鏡:	18
3.4.3 表面電位顯微鏡:	18
第四章 實驗結果與討論	24
4.1 濕度環境對氧化鋅奈米線自發性再成長的影響:	25
4.2 濕度環境下不同基板對氧化鋅奈米線自發性再成長的影響:	26
4.4 濕度環境下對單晶氧化鋅奈米線結構變異之分析:	32
4.4.1. 自發性再成長結構FE-SEM分析:	32
4.4.2 氧化鋅奈米線自發性再成長奈米分支能帶結構CL分析:	33
4.4.3 氧化鋅奈米線自發性再成長TEM分析:	35
4.4.4 氧化鋅奈米線表面位能與電漿鈍化效應探討:	39
第五章 數據及物理機制分析	45
5.1 非晶氧化鋅奈米線自發性再成長電性分析：	46
5.1.1非晶/單晶氧化鋅奈米線元件與光檢測數據分析:	46
5.2 非晶氧化鋅奈米線元件與光檢測機制說明:	48
第六章 結論與未來展望	51
6.1 結論:	51
6.2 未來展望:	52
引用文獻	53

 
圖目錄
【圖1.1】放置於電極上的氧化鋅奈米線光學影像圖	5
【圖1.2】放置於電極上的氧化鋅奈米線於濕度環境下的光學影像圖	5
【圖2.1】氧化鋅纖鋅礦結構1	7
【圖2.2】氧化鋅奈米線發光波段	7
【圖3.2.1】VAPOR-SOLID 成長機制示意圖	10
【圖3.2.2】金(AU)、二氧化矽(SIO2)、氮化矽(SI3N4)基板的光學影像圖	11
【圖3.2.3】氧化鋅奈米線整齊排放於基板上之示意圖	11
【圖3.2.4】元件置入恆溫儀後通入水氣。	12
【圖3.2.5】單晶氧化鋅奈米線與水氣分子反應後表面結構產生潮解現象示意圖	12
【圖3.2.6】潮解後再結晶生成奈米分支結構示意圖	13
【圖3.2.7】非晶氧化鋅奈米線歐姆接觸元件	15
【圖3.4.3.1】奈米線設置時三軸平移台裝置示意圖	19
【圖3.4.3.2】安捷倫B1500A半導體元件分析儀	19
【圖3.4.3.3】四點探針量測系統	20
【圖3.4.3.4】可攜式雙波段紫外光光源	20
【圖3.4.3.5】高功率氧電漿系統	21
【圖3.4.3.6】高功率氫電漿系統	21
【圖3.4.3.7】供應氮氣、氫氣及氣體鋼瓶	22
【圖3.4.3.8】JEOL LTD.型號JEM-2100F穿透式電子顯微鏡	22
【圖3.4.3.9】Ｘ光能量散射能譜儀	23
【圖3.4.3.10】場發射式電子顯微鏡搭配陰極射線激發放光光譜儀	23
【圖4.1.1】氧化鋅奈米線於濕度環境中自發性再成長24小時結構變化圖	25
【圖4.2.1】基板與去離子水的接觸角。(A)二氧化矽(SIO2)基板的接觸角48.15°(B)氮化矽(SI3N4)基板的接觸角為59.75°(C)金(AU)基板的接觸角為85.6°	26
【圖4.2.3】(A).氧化鋅奈米線置於氮化矽基板的初始狀態。(B).氧化鋅奈米線置於氮化矽基板上24小時後狀態	27
【圖4.2.2】(A).氧化鋅奈米線置於二氧化矽基板上的初始狀態(B).氧化鋅奈米線置於二氧化矽基板上的24小時後狀態	27
【圖4.2.4】(A)氧化鋅奈米線置於金基板上的初始狀態。(B)氧化鋅奈米線置於金基板上24小時後狀態	27
【圖4.3.1】不同濕度與反應時間下氧化鋅奈米分支結構生成狀況	29
【圖4.3.2】氧化鋅奈米線奈米分支自發性再成長機制圖。(A).表面均勻的氧化鋅奈米線(深綠色柱狀物)置於水氣分子(藍色氣泡狀物)環境中。氧化鋅奈米線具有均勻的氧化鋅濃度如右上角內插圖表示(氧化鋅濃度與逕向比)。(B).水分子吸附在氧化鋅奈米線表面，氧化鋅奈米線表面形成熔融態氧化鋅衍生物成徑向擴散遠離本體，如內插圖所示。(C).熔融態氧化鋅衍生物當濃度達到成核條件，氧化鋅熔融態開始聚合形成奈米分支結構。(D)水氣分子不斷與氧化鋅奈米線反應形成更多的奈米分支結構如SEM內插圖	31
【圖4.4.1】金屬氧化物奈米線自發性再成長效應檢測	33
【圖4.4.2】氧化鋅奈米奈米分支結構及CL光譜分析。(A).單晶氧化鋅奈米線至於鍍有白金(PT)電極的基板進行再成長分支結構的生成。(B).自發性再成長結構生成並橫跨數個白金(PT)電極。(C).單晶氧化鋅奈米線CL發光光譜圖(圖(B)藍色圈選範圍)。(D).自發性奈米分支結構CL發光光譜圖(圖(D)綠色圈選範圍)	34
【圖4.4.3.1】氧化鋅奈米線自發性再成長分支結構與侵蝕面TEM分析圖。(A).再成長奈米分支結構於氧化鋅熔融態結構中成形，熔融態根部接近氧化鋅奈米線的界面出現非晶層狀結構如右上角內插圖所示。(B).自發性再成長結構可於氧化鋅奈米線表面再度觀察到。(C)與(D).氧化鋅奈米線與水氣分子作用形成的侵蝕面，侵蝕方向為[010]方向。此TEM分析所見之影像與【圖4.3.2.(C)】所推論的自發性再成長機制相同	36
【圖4.4.3.2】單晶氧化鋅奈米線自發性再成長SEM分析圖。(A).氧化鋅奈米線未與水氣分子進行反應前具有均勻的結構。(B).氧化鋅奈米線與水氣分子反應後產生自發性奈米分支結構	37
【圖4.4.3.3】自發性再成長奈米分支結構TEM分析圖。(A).自發性再成長奈米現狀結構圖。(B)和(C).分支結構紅色區域(圖(A))進行選區繞射及高解析影像分析，確立自發性再成長結構為非晶奈米線結構	38
【圖4.4.4.1.1】氧化鋅奈米線與水氣分子反應前的表面電位分析。相對於0V零位面(白色、紅色、綠色指標)，氧化鋅奈米線出現負電位(白色指標110.45MV)、正電位(紅色指標13.456MV、綠色指標23.212MV)	40
【圖4.4.4.1.2】氧化鋅奈米線與水氣分子反應後的表面電位分析氧化鋅奈米線與水氣分子反應前之表面電位分析。相對於0V零位面(白色、紅色、綠色指標)，氧化鋅奈米線出現負電位(紅色指標198.26MV)、正電位(綠色指標128.11MV、白色指標38.482MV)。與圖【4.4.4.1.2】比較可知氧化鋅奈米線與水氣分子反應後表面電位確實會產生變化	41
【圖4.4.4.2.1】單晶氧化鋅奈米線缺陷結構示意圖。分子結構中藍色圈選區域為懸鍵	43
【圖4.4.4.2. 2】單晶氧化鋅奈米線表面鈍化效應示意圖。以氫氧電漿離子對懸鍵進行填補產生表面改質	43
【圖4.4.4.2.3】氧化鋅奈米線表面電漿鈍化效應光學顯微鏡圖。(A-B).氧化鋅奈米線經過氧電漿表面改質(60W，1分鐘)擺放於濕度環境(80%±2.5%)中可維持48小時結構不變。(D-E).氧化鋅奈米線經過氫電漿表面改質(60W，1分鐘)擺放於濕度環境(80%±2.5%)中可維持48小時結構不變。由此可知氫、氧電漿確實可隔絕氧化鋅奈米線與水氣分子進行反應	44
【圖5.1.1】(A)非晶氧化鋅奈米線TEM分析圖(B)非晶氧化鋅奈米線電性元件圖	46
【圖5.1.1】(C).非晶氧化鋅奈米線照射UV (365 NM) LED所產生的光電流輸出訊號反應時間及回復時間非常迅速(約20 MS)。(D)單晶氧化鋅奈米線照射UV (365 NM) LED所產生的光電流輸出訊號反應時間及回復時間較慢(反應時間約8.36S，回復時間約為53S)	47
【圖5.2.1】(A)非晶氧化鋅奈米線TEM分析圖(B)非晶氧化鋅奈米線電性元件圖	49
【圖5.2.1】(C)非晶氧化鋅奈米線光檢測反應機制圖	49

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