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系統識別號 U0002-3006201011052500
中文論文名稱 碲硒鎘鋅量子點之尺寸分佈結構的製作與研究
英文論文名稱 Fabrication and study of ZnCdSeTe quantum dot with size distribution in a single sample
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 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 杜崇榮
研究生英文姓名 Chung-Rong Dou
學號 696210508
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-06-25
論文頁數 116頁
口試委員 指導教授-鄭振益
委員-唐建堯
委員-陸健榮
中文關鍵字 熱壁式磊晶系統  奈米結構  砷化鎵  碲化鋅  硒化鎘  碲硒鎘鋅  量子點 
英文關鍵字 Hot-Wall Epitaxy  nano structure  ZnTe  CdSe  ZnCdSeTe  Quantum dot 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要 本論文主要研究在單一樣品中ZnCdSeTe四元化合物量子點奈米結構的尺寸成為大小分佈的樣品之製作與研究。此外在長時間下,奈米結構中分子堆的移動過程也被作精細的觀察。實驗內容包含:如何利用熱壁式磊晶系統製作出尺寸分佈結構的量子點;最佳偏移位置之選取;以及觀測奈米結構中分子堆移動過程。
實驗方面以熱壁式磊晶系統製作樣品,在量子點部份以ZnCdSeTe作為原料;覆蓋層部份以ZnSe為原料,然後藉由改變磊晶程式來製作每個實驗的樣品,接著以AFM來觀測基板表面結構。
實驗結果發現,在我們的系統中偏移位置以17mm為最佳,而若要製作覆蓋整個可見光範圍的樣品,那量子點的覆蓋率就要小於2ML;在奈米結構中分子堆移動的過程中,小量子點受分子堆距離遠近的影響:距離遠
英文摘要 ZnCdSeTe quantum dots samples, in which the dot size are gradually changed along 001 direction, was studied. The stability of nanostructure with time was also observed in detail.
The program of the Hot-Wall Epitaxy system had been adjusted to shift the position of the substrate; thus the size of the nanostructure is gradually changed along the 001 direction, due to the vapor gradient on the surface of the substrate. The optimal displacement of the substrate is estimated to be 17 mm, in such condition, the size distribution of the nanostructure was observed.
As the time west on, at room temperature, the large quantum dot will collapse the become smaller dot but without displacement. The small nanostructure will collapse to smaller size, assemble to larger dot, or become flat wall, which is depends on the space between nanostructures.
論文目次 序論 1
實驗動機 2
一、量子點簡介 3
1-1 量子點特性 3
1-2量子點的磊晶模式 6
二、量子點的理論簡述 9
2-1量子侷限效應 9
2-2.1 弱侷限範疇(Weak confinement regime) 12
2-2.2 強侷限極限(Strong confinement limit) 13
2-3 量子點的能態密度 18
三、實驗裝置 22
3-1 熱壁式磊晶系統(Hot Wall Epitaxy) 22
3-2光激發發光實驗系統 27
3-3 掃描式電子顯微鏡(SEM) 31
3-4 原子力顯微鏡(AFM) 33
四、實驗過程與數據分析 36
4-1 砷化鎵(GaAs)基板磊晶前準備與表面處理 38
4-2 SEM生長速率測試 39
4-3 X-ray 分析ZnCdSeTe四元化合物組成成份 41
第一部份 基本實驗結論 43
4-4 轉盤偏移的位置計算與程式修改 44
4-5 偏移量子點的樣品製作方法 49
4-6 2ML量子點最佳偏移位置 51
4-7 8ML量子點最佳偏移位置 55
4-8 2ML量子點最佳偏移位置:17mm ...58
4-9 8ML量子點最佳偏移位置:17mm 63
第二部份 最佳偏移位置時量子點的製作與AFM分析之結論 67
4-10 奈米結構中分子堆移動過程 69
4-10.1 5㎛x 5㎛ AFM觀察與分析 70
4-10.2 2㎛x 2㎛ AFM觀察與分析 83
4-11 低覆蓋率的奈米結構中分子堆移動過程 98
第三部份 奈米結構中分子堆移動過程之結論 105
4-12 2ML偏移量子點的最佳覆蓋量 106
4-13 2ML的 ZnTeCdSe 偏移量子點之PL 測量 109
第四部份 最佳覆蓋量及PL量測之結論 111
五、結論 112
六、參考文獻 114
圖表目錄
圖0-1 Zn0.67Cd0.33Seburied dots 隨位置之PL 變化圖...........2
圖1-1.2 激子在量子井中有二維的自由度.....................4
圖1-1.2 激子在量子井中有二維的自由度.....................4
圖1-1.3 激子在量子點中可有零維的自由度...................5
圖1-2.1 磊晶成長模式.....................................7
圖2-1.1 激子在不同侷限效應結構中的自由度................10
圖2-1.2 以Stranski- Kranstanov 成長模式成長量子點.......11
表2-2.1 Roots of the Bessel functions......................12
圖2-2.2 (a)強侷限下的激子能階情形 (b)為其吸收光譜.......13
圖2-2.3 侷限位能由Kayanuma 所發現,尺寸與能量關係........15
圖2-2.4 Born-Oppenheimer approximation 所得出的尺寸與能量關
係..............................................16
圖2-2.5 有效質量近似下,不同材料中,能隙與尺寸大小關係....17
圖2-3.1 不同維度下之能態密度與能量關係..................21
圖 3-1.1 渦輪分子邦浦結構示意圖.........................23
圖 3-1.2 B-A 式離子真空計結構示意圖......................24
圖3-1.3 熱壁式磊晶生長系統(a)內部示意圖(b)照片..........25
圖3-2.1 光激發發光光譜實驗裝置圖 .......................30
圖3-3.1 SEM 系統 (a)系統全貌 (b)樣品腔 (c)金膜電鍍器....32
圖3-3.2 SEM 系統示意圖..................................32
圖3-4.1 原子力顯微鏡示意圖..............................34
圖3-4.2 原子力顯微鏡 (a) 裝置全貌 (b) 探針與樣品載台 (c)
探針固定座...............................................35
圖4-2.1 ZnSe 和ZnTe-CdSe 的SEM 截面圖..................40
圖4-3.1 X-Ray 繞射示意圖................................41
圖4-3.2 X-Ray 測量結果(圖中標記的位置為計算後結果)......42
圖4-4.1 偏移距離計算示意圖..............................45
表4-4.2 計算偏移距離相關數據及結果......................46
圖4-4.3 基板與石英管相對位置示意圖......................46
圖4-4.4 偏移程式的修改..................................48
圖4-5.1 熱壁式磊系統中HW1 的溫度設定....................49
圖4-5.2 偏移的ZnCdSeTe 量子點示意圖.....................50
圖4-6.1 AFM 掃描順序示意圖..............................51
圖4-6.2 2ML 偏移量子點AFM 3D 圖..........................53
圖4-6.3 2ML 偏移量子點AFM 2D 圖..........................54
圖4-7.1 8ML 偏移量子點AFM 3D 圖..........................56
圖4-7.2 8ML 偏移量子點AFM 2D 圖..........................57
圖4-8.1 箭頭所示為AFM 觀察位置,從左至右依序為(1)至(6)...58
圖4-8.2 2ML 偏移量子點AFM 2D 圖..........................60
圖4-8.3 2ML 偏移量子點AFM 3D 圖..........................61
圖4-8.4 2ML 偏移量子點之數據量測圖......................62
圖4-9.1 8ML 偏移量子點AFM 2D 圖..........................65
圖4-9.2 8ML 偏移量子點AFM 3D 圖..........................66
圖4-9.3 8ML 偏移量子點之數據量測圖......................67
圖4-10.1.1(a) 5 ㎛ x 5 ㎛ AFM 2D 圖 0hr∼20hr...............72
圖4-10.1.1(b) 5 ㎛ x 5 ㎛ AFM 2D 圖 20hr∼48hr..............73
圖4-10.1.2(a) 5 ㎛ x 5 ㎛ AFM 3D 圖 0hr∼20hr...............74
圖4-10.1.2(b) 5 ㎛ x 5 ㎛ AFM 3D 圖 20hr∼48hr..............75
圖4-10.1.3(a) 5 ㎛ x 5 ㎛ AFM 3D 圖局部4 倍放大圖
(0hr~20hr)...............................................76
圖4-10.1.3(b) 5 ㎛ x 5 ㎛ AFM 3D 圖局部4 倍放大圖
(20hr~48hr)..............................................77
圖4-10.1.4 橫、縱切面的剖面圖選取位置,量子點的編號設
定.......................................................78
圖4-10.1.5(a) 橫、縱切面的剖面圖以及AFM 3D 局部放大圖......81
圖4-10.1.5(b) 橫、縱切面的剖面圖以及AFM 3D 局部放大圖......82
圖4-10.2.1(a) 2 ㎛ x 2 ㎛ AFM 2D 圖 0hr∼20hr...............86
圖4-10.2.1(b) 2 ㎛ x 2 ㎛ AFM 2D 圖20hr∼48hr..............87
圖4-10.2.2(a) 2 ㎛ x 2 ㎛ AFM 3D 圖 0hr∼20hr...............88
圖4-10.2.2(b) 2 ㎛ x 2 ㎛ AFM 3D 圖20hr∼48hr..............89
圖4-10.2.3 2 ㎛ x 2 ㎛ AFM 3D 圖局部3 倍放大圖..............90
圖4-10.2.4 2 ㎛ x 2 ㎛ AFM 3D 圖局部4 倍放大圖..............91
圖4-10.2.5 剖面圖位置選取及量子點的編號設定.............92
圖4-10.2.6 剖面圖以及AFM 3D 局部4 倍放大圖...............96
圖4-10.2.7 剖面圖中A、B、C 點之間的高度、半高寬、A-B 間距等
數據的變化圖.............................................97
圖4-11.1(a) 2 ㎛ x 2 ㎛ AFM 2D 圖 30min∼10hr..............100
圖4-11.1(b) 2 ㎛ x 2 ㎛ AFM 2D 圖 10hr∼15hr...............101
圖4-11.2(a) 2 ㎛ x 2 ㎛ AFM 3D 圖 30min∼10hr..............101
圖4-11.2(b) 2 ㎛ x 2 ㎛ AFM 3D 圖 5hr∼15hr................102
圖4-11.3(a) AFM 3D 圖局部2.5 倍放大圖 30min∼10hr.......103
圖4-11.3(b) AFM 3D 圖局部2.5 倍放大圖 11hr∼15hr........104
圖4-12.1 樣品示意圖與AFM 掃描位置示意圖................107
圖4-12.2 不同覆蓋量的AFM 掃描2D 圖以及剖面圖............108
圖4-13.1 PL 掃描位置示意圖.............................109
圖4-13.2 同一樣品中六個位置的PL 量測圖;圖(a)為cap 36nm、
圖(b)為cap 39nm.........................................110
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