非晶碳奈米片製備氣體感測器與場發射之研究

The Study of Amorphous Carbon Nanosheet Gas Sensor and Field Emission

賴林慈(Lin-Tzu Lai)

指導教授 ： 楊勝州

國立虎尾科技大學/電機資訊學院/電子工程系碩士班/碩士(2013年)

摘要

本論文主要研究方向可分為兩部分。第一部分為敘述何氧化鋅奈米片電子場發射與紫外光照射下之電子場發射研究。第二部分為非晶質碳奈米片電子場發射與氣體感測。以上研究方向略述於下：
第一部分：氧化鋅奈米片合成與電子場發射之研究：
本實驗所合成的氧化鋅奈米片，使用水溶液法以室溫25℃合成氧化鋅奈米片，溶液的製備是使用硝酸鋅與氫氧化鈉作為反應物，以矽基板做為基板成長一小時，在上面成長氧化鋅奈米片之結構。將成長完之氧化鋅奈米片做場發射掃描式電子顯微鏡、X射線繞射分析儀、拉曼光譜分析、化學分析電子光譜儀與電子場發射量測分析，發現到氧化鋅奈米片高度約1.5 μm，直徑約10 nm，氧化鋅奈米片呈現六角纖鋅礦之結構，並發現到在氫氧化鈉濃度為0.5 M時具有最佳結晶品質。依氫氧化鈉濃度0.4 M、0.5 M、0.6 M分別量測在UV照射下與未UV照射下之電子場發射特性，發現到在氫氧化鈉濃度0.6 M時有最低的場發射起始電場與最高的β值，並且在UV照射下可以增強場發射起始電場與增強因子，其場發射起始電場由5.40 V/μm降至4.97 V/μm，β值為1192升至1163。
第二部分：非晶質碳奈米片電子場發射與氣體感測之研究：
本實驗所合成的非晶質碳奈米片，使用化學氣相沉積法合成，是利用通入乙炔30 sccm進入腔體內，再利用加熱線圈加熱至700 ℃維持一分鐘，使得碳原子沉積碳於氧化鋅奈米片表面，進行時乙炔通過熱分解產生碳同時蝕刻氧化鋅奈米片內部，形成非晶碳奈米片陣列。
將成長完之非晶質碳奈米片做場發射掃描式電子顯微鏡、穿透式電子顯微鏡、拉曼光譜分析、電子場發射量測與氣體靈敏度分析，發現到非晶質碳奈米片高度約1.5μm，直徑約24 nm，非晶質碳奈米片呈現非晶之結構，並在結構短程具有石墨排列，並由ID/IG發現到在氫氧化鈉濃度為0.5 M時具有最佳結晶品質。依氫氧化鈉濃度0.4 M、0.5 M、0.6 M量測電子場發射特性與氫氧化鈉濃度0.5 M氣體靈敏度量測，在電子場發射量測發現到在氫氧化鈉濃度0.6 M時有最低的場發射起始電場與最高的β值，其場發射起始電場由4.36V/μm，β值為1659。在氣體靈敏度量測實驗上在不同O2、NH3、CO2濃度下以兩極電阻式做氣體感測分析。氧化鋅奈米片感測O2、NH3、CO2氣體，濃度900 mTorr時靈敏度大約為1.87 %、1.67 %、1.75 %。

關鍵字

氧化鋅 ； 片狀 ； 場發射 ； 氣體感測器 ； 非晶碳

並列摘要

ZnO crystal is an important semiconductor material and has been investigated widely for its piezoelectric, electrical, optoelectronic and optic properties. In this thesis, the main interest is in the development of ZnO nanosheets and its sensing properties. In our experiment, ZnO nanosheets of 5~20 nm in radius and 1~2 μm in height had been synthesized by chemical solution deposition method. The arrays were prepared by deposition of carbon on the surface of well-aligned ZnO nanosheets arrays by thermal decomposition of acetylene followed by spontaneous etching and evaporation of core-ZnO. By utilizing the decomposition of acetylene as well as interaction between intermediate products and ZnO, well-aligned amorphous carbon nanosheets arrays were separately prepared by the working temperature from 700 ℃. Morphology, Crystal quality and defect level were examined by FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy), XRD (X-Ray Diffraction) patterns, Raman scattering spectrometer, ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) and PL (Photo-luminescence) measurement.

並列關鍵字

Zinc-oxide ； sheet ； field emission ； gas sensitivity ； amorphous carbon

參考文獻

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[1] A. Grill, “Diamond-like carbon: state of the art” , Diamond Rel. Mater., 8 (1999) 428

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