• 學位論文

利用高介電材料與三五族高電子遷移率通道材料之介面調變工程作為鈍化保護以實現超越矽互補式金氧半場效電晶體技術之研究

高介電常數氧化物/金屬閘極再加上高電子遷移率三五族半導體，此金氧半疊層技術將為電子工業達成高效能與低功耗應用，成為下世代的新電子元件。此論文主要目的為藉由結合電性、化學性、結構性的各種分析方法，了解及控制這些異質結構疊層的介面鈍化保護效果。 此臨場沉積的方式，不僅利用稀土族氧化物甚至是氧化鉿相關的高介電材料，來做為介面調變工程以成功地達到三五族半導體表面的鈍化保護效果：低於十二次方且在能帶中段沒有峰形分布、低於一個奈米的等效厚度、低的漏電流、半導體與氧化物間的導電與價電能帶差皆大於一點五個電子伏特、優異的熱與化學穩定性(大於800度)。 更進一步成功地發展製作自我對準(self-aligned)閘極先上(gate-first)反轉通道(inversion-channel)增強型砷化銦鎵N型金氧半場效電晶體，有著低次臨界擺幅(<100 mV/dec)；汲極電流為1.5 mA/μm；非本質通道電導值為0.77 mS/μm；電子遷移率峰值為2100 cm2/Vs。 此研究顯示，藉由介面調變工程，可成功地滿足欲實現有著高效能之極微元件的關鍵要求。

• 學位論文

含錳三五族砷化物半導體材料之鐵磁性質研究

在這篇論文裡，我們首先探討於(001)及(311)A 兩種不同晶向砷化鎵基板上所成長之鎵錳砷薄膜的平面磁異向性。由磁化量對溫度的關係顯示，(311)A鎵錳砷其退火後居禮溫度的提升量較(001)鎵錳砷為小。而在磁滯曲線的研究中，(311)A鎵錳砷展現了單純的平面磁異向性，且具有沿著晶向的磁易軸；相反地，退火前後的(001)鎵錳砷其磁易軸皆偏離晶向。我們分析了各晶向的靜磁能並提出計算單軸及雙軸磁異向性能量及決定磁易軸方向的算式。 其次，我們探討(001)鎵錳砷薄膜與氧化錳薄膜之間的交換場行為。我們觀察到覆蓋一極薄層(6 nm)氧化錳的鎵錳砷不論有無經過磁場退火，其磁滯曲線皆同時具有交換偏移場及磁化量縱向偏移的現象，其中交換偏移場先隨退火時間的增加而減少但在30分鐘後則重新提升，而磁化量縱向偏移對退火時間的變化則不明顯。藉由X射線能譜儀的分析，我們發現氧化錳薄膜同時呈現一氧化錳(MnO)及四氧化三錳(Mn4O3)兩種氧化態，且隨退火時間的增加前者含量減少但後者含量相反地反而增加。有鑑於此，我們提出了一個簡單的載子自旋組態模型來說明在退火過程中，存在於氧化錳及四氧化三錳均勻介面的 “被固定住”未補償自旋造就了所觀察到接近恆定的磁化量縱向偏移。 最後，我們探討在Stranski–Krastano模式下成長的奈米尺度銦錳砷，其結構與磁性質和錳含量、生長溫度、及生長時間的關係。由於錳元素在不同成長溫度下的不同表面活性，銦錳砷奈米點及銦錳砷奈米(柱)線可分別在320450°C間及高於450°C的成長溫度下成長出。我們特別探討在380°C下所成長的奈米點其磁性質和錳含量及生長時間的關係。微結構分析顯示低於44%的錳濃度下能成長出閃鋅礦結構的鐵磁銦錳砷奈米點；而錳濃度在44%(含)以上的銦錳砷奈米點，能在零場冷及場冷的磁化量對溫度曲線的分歧處定義阻隔溫度，經由記憶效應的測試，發現奈米點的自旋呈現長程有序的超鐵磁態。我們針對不同成長時間的奈米點的磁化量與溫度關係之分析，提出了一個簡單的模型來解釋銦錳砷奈米點之載子自旋組態的隨奈米點成長之轉變型式。最後，我們發現高溫( 450°C)及高錳濃度(33%)為成長有序銦錳砷奈米(柱)線的必要條件。

• 學位論文

軟磁鐵鈷鉿氧/氧化鋁多層膜與鐵鉿氮薄膜之開發及其磁性質對功率電感特性之影響

隨著無線通訊與可攜式產品之微型化，傳統的電感元件已無法滿足微小化的需求。為了縮小電感尺寸並提升直流-直流轉換器之轉換效率，需利用高的感值與飽和電流來達成此一目標。因此本研究藉由高導磁率鐵磁薄膜來提升功率電感之感值與飽和電流。 本研究運用dc-反應磁控濺鍍鍍製FeCoHfO/AlOx多層膜與FeHfN薄膜。在FeCoHfO/AlOx系統中，由於AlOx的置入提高了多層膜之導磁率進而提升功率電感的感值。此外FeHfN薄膜中，N2流量的增加會造成FeHfN薄膜從非晶相轉變成結晶相，因而影響FeHfN薄膜本身之磁特性與導磁率。在N2流量為1.2 sccm時，具有較高的導磁率(μ’ > 600 在100 MHz)。將此FeHfN薄膜與功率電感整合後，感值大幅提升將近13 %，飽和電流有超過2 A的表現。 為了進一步與直流-直流轉換器整合，因而挑選較高導磁率之FeHfN薄膜與功率電感結合。整合後高感值及高飽和電流之表現有效的抑制電流漣波，並提升直流-直流轉換器之轉換效率。因此FeHfN薄膜在電感與直流-直流轉換器之微型化應用上具有相當的潛力，可望被廣泛運用。

• 學位論文

高工作電壓LiNi0.5Mn1.5O4正極材料與高安全性Li4Ti5O12負極材料之合成及其電化學性質之改善

近年來，由於電動車市場的崛起，鋰電池的需求已由原先高能量密度轉變為高功率密度和長循環壽命。因此，本研究擬定針對高功率密度與長循環壽命之LiNi0.5Mn1.5O4正極材料及Li4Ti5O12負極材料進行研究。 藉由改良式固態法可有效合成多孔性無雜相之LiNi0.5Mn1.5O4正極材料。隨著多孔性結構形成，電容量由原先的105增加至120 mA/g而且循環壽命也從65 % (充放電500圈)提昇至80 % (充放電1000圈)。 調整煆燒溫度(700～800 0C)製備出LiNi0.5Mn1.5O4擁有Fd3m與(Fd3m+P4332)混合之space group。在55 0C，Fd3m與混合相(Fd3m+P4332)結構之LiNi0.5Mn1.5O4在150圈充放電後，電容量仍有77 與83 %。擁有Fd3m 結構 之LiNi0.5Mn1.5O4電容量衰退可歸咎於Mn3+的分解((Mn3+→Mn2+ + Mn4+)。 經由混合LiCl、TiCl4與草酸經過兩階段燒結過程製備出多孔性負極材料Li4Ti5O12。此多孔性Li4Ti5O12負極材料在0.5、1、5、10 C的充放電速率下，分別出現167、133、100、70 mAh/g且在充放電200圈後，電容量仍然維持超過98 %。 經由調整第一階段燒結溫度的調整能有效使Li2TiO3產生，此化合物能進一步與rutile TiO2反應成純相Li4Ti5O12。純相Li4Ti5O12在0.5與1 C的充放電速率下，能呈現出169與150 mAh/g的電容量且在150圈充放電後，電容量仍然維持超過98 %，然而，有TiO2雜相出現時，在相同的充放電速率下，只有148與125 mAh/g。 為了全面性改善Li4Ti5O12導電性差之缺點，結合Ru doping 與carbon coating的技術來改善Li4Ti5O12粉體內部導電度和降低外部Li4Ti5O12粉體間的傳輸阻抗。在5與10 C的充放電速率且充放電100圈後， Li4Ru0.01Ti4.99O12/C 仍出現120與110 mAh/g。由改質結果可知，Li4Ru0.01Ti4.99O12/C擁有最好的充放電能力與最佳的電容量。

• 學位論文

利用電漿反應合成有機發光高分子以及活化二氧化碳為能源材料之研究

本論文主要利用低溫電漿反應合成有機發光高分子以及活化二氧化碳轉化為能源材料來進行研究與討論，以下共分成四個部分來進行摘要說明： 在第一部分，我們利用單步驟電漿聚合法來合成高效率的有機共軛發光高分子薄膜，本製程利用一種新穎的單體通入方式，將含有萘環結構的單體，直接通入電漿反應區域中進行高濃度聚合反應 。利用單體的鍵能與電漿中電子能量的關係來預測電漿化學的反應路徑，高濃度電漿聚合能夠保留單體的共軛結構進行聚合反應，此結果與觀察後所得之的三度空間的環鏈網路相符合。從螢光光譜圖來看，電漿聚合高分子薄膜的發光特性主要為萘環在自組裝所形成的交聯網路下所發出來的螢光。當進行電漿共軛發光元件時，元件的電致發光光譜相較於螢光光譜，明顯多出長波長的放光波段。此現象表示，當電子與電洞從兩邊電極注入時，電子在進入電漿高分子薄膜的介面上累積電荷，並直接注入電漿聚合發光高分子薄膜內較低的激發能階，再與電洞結合發出較長波長的光。由於電漿聚合發光高分子薄膜的共軛長度分布相當寬廣，提供一條連續的能量轉移路徑，並產生寬廣的電致發光光譜，發光元件表現出高效率的純白光光色，位於CIE色座標(0.34,0.33)，最高發光效率為9.8 cd/A，以及最大亮度為3075 cd/m2。此乾式薄膜沈積製程可允許同時注入多種單體來對光色及效率等性質進行調整，並且有機會導入至大面積的應用。 在第二部分的研究當中，延續第一部分利用電漿進行發光高分子的聚合，並與過渡金屬銥進行化學螯合來合成磷光高分子錯合物，並探討其發光元件特性。經由加熱和電漿氣化1,10-phenanthroline單體，直接注入高濃度單體至電漿環境當中進行聚合反應，高濃度單體進行電漿聚合不僅能提供高的合成產率還能保留單體的結構以利於金屬螯合及發光特性。電漿聚合後的發光高分子發光特性由於聚合效應所以發光光譜較為寬廣(300 至 600 nm)，經過與銥迴流反應後的高分子錯合物也顯示寬廣(400至600 nm)的螢光光譜以及(450至750 nm)的磷光光譜。此錯合物的磷光光譜是包含Metal-to-ligand charge transfer以及Ligand-centered三重態的貢獻而得。在元件方面，全光譜的白光光譜則是由電漿高分子的螢光光譜 (435 nm)以及Metal-to-ligand charge transfer的磷光光譜( 605 nm) 所貢獻而成。此白光元件展現隨電壓增加而穩定的發光光色，其CIE色座標位於(0.25,0.26)，最高發光效率為7.44 cd/A，以及最大亮度為4486 cd/m2。此方法對於白光麟光發光高分子材料工程及合成領域提供了一個簡化的製程，並期望帶來助益。 在第三部分的研究當中，我們將二氧化碳氣體與共反應分子(己烷、癸烷、癸二烯與甲苯)利用低溫低壓電漿活化後進行反應轉化為一系列氣態、液態及固態的碳氫及含氧化合物。經由電漿活化後，二氧化碳可解離為CO及O，並與共反應分子的碳氫鏈分子碎片反應形成含氧化合物，包含醇類、醚類、醛類、酯類、酮類及有機酸類。經由XPS分析含氧化合物的產物分佈後，C-O為主的官能基(醇類、醚類)較C=O (酮類、醛類)來的多。另一方面，氫原子反應過程中，會終結分子鏈成長的反應，並且與O自由基形成醇類。本實驗也根據不同實驗參數、共反應分子種類以及比例來提出可能的反應路徑。根據此反應路徑，可藉由控制不同的共反應分子及反應參數來調整產物分佈，利用低溫電漿將二氧化碳得到高轉化效率之液態燃料。 在第四部分的研究當中，我們利用低溫常壓電漿將二氧化碳氣體與水轉化為燃料，經由常壓電漿中的電子讓二氧化碳與水分子累積振動能量而激發來進行解離，藉由電漿中的電性量測，可監測在反應過程中，電漿放電模式(α及γ mode)及穩定性，並由電漿放射光譜的分析得知，其特性放光為CO2, CO, C2, CH, OH, O, H等所組成， 這些激發後的CO2, CO, C, O, H 及OH等碎片重組後可合成含氧碳氫化合物， 經由冷凝後所收集的液態與氣態產物進行氣相層析質譜儀分析得知，可發現其液態產物主要為醇類及酮類並伴隨少量有機酸類的生成，氣態產物主要是醇類、酮類、醛類、碳氫化合物、氫氣、氧氣和一氧化碳等，另一方面，利用自製的酒精氣體感測器來量測反應後的氣體，也同樣發現醇類生成。本實驗中，增加通入水蒸氣的量，可提高產物生成率，原因為電漿將水解離後可產生氫，氫原子會將二氧化碳在電漿中的解離碎片進行氫化反應，並得到一系列的碳氫氧化合物。本研究也同時提出二氧化碳和水經由常壓電漿激發後之化學反應路徑，並藉由調整二氧化碳與水的比例與反應參數得到高醇類選擇性之液態燃料。

• 學位論文

一維矽、鍺材料之製作及其場發射性能

One-dimensional (1D) structures are regarded as ideal electric field emission (EFE) sources owing to their high aspect ratio. In previous studies, the strong screening effect of the crowded silicon wall-like arrays that are formed by EMD (electrolessmetaldeposition) degrades the performance of EFE. In this thesis, free standing and vertically aligned silicon rice-straw like array emitters were fabricated by modified-EMD, using HFH2O2 as an etching solution to reduce the emitter density and to make the emitter end of the formed silicon rice-straw arrays shaper than those formed by conventional EMD. These silicon rice-straw array emitters can be turned on at 4.7 V/μm, yielding a field enhancement factor b of 1406 and an EFE current density of 139μA/cm2 in an applied field of 12.8 V/μm. For a long-term modified etching, highly porous, individually separated, and vertically aligned rough silicon rods (r-SiRs) were formed. r-SiRs, to be a silicon-based template, were decorated with two kinds of field emitters (carbon nanotubes, CNTs, and zinc oxide nanowires, ZnO NWs) to form a heterojunction nano/microstructure and have better EFE properties than emitters grown on flat silicon substrates. For CNT/r-SiRs has a turn-on field of 2.3 V/um, a β value of 1384, and a current density of 3.7 mA/cm2 at applied field of 5.1 V/um; and for ZnO NWs/rSiRs has a turn-on field of 2.9 V/um, a β value of 1311, and a current density of 900 uA/cm2 at applied field 8.6 V/m. Furthermore, 1D germanium (Ge) nanostructures were synthesized by reduction of GeO2 in H2 atmosphere at various temperatures. Entangled and straight Ge nanowires with oxide shell were grown at high temperatures. Ge nanowires with various amounts of nodules were obtained at low temperature. Ge nanowires without nodules exhibited remarkable field emission properties with turn-on field of 4.6 V/μm, field enhancement factor of 1242. and a current density of 910 uA/cm2 at applied field 10.9 V/um.

• 學位論文

奈米碳管在綠豆的運輸途徑及其對綠豆生長之影響

近年來，奈米碳管被廣泛應用在各個領域。其存在的潛在危險是奈米碳管可能在製造、使用或廢棄的過程中，逸散到生活環境當中，危害生物體。為了探究此可能性，諸多學者開始探討奈米碳管對各種植物生長的影響及可能的機制。然而，卻鮮少有研究學者討論植物攝取奈米碳管的可能性以及奈米碳管進入的運輸途徑等相關之課題。故本研究首先觀察奈米碳管對綠豆生長過程所造成的影響，並嘗試對奈米碳管進入植物中的運輸途徑進行一探討，最後進一步思考思考奈米碳管影響植物生長的可能機制 本實驗，分別以光學顯微鏡、環境掃描式電子顯微鏡、場發射掃描式電子顯微鏡觀察比較有無奈米碳管共同培養的植物形貌之差異，並由數據統計發現奈米碳管具有明顯促進綠豆芽伸長的能力，尤其在根部的長度最為明顯，比控制組平均增長了10-13 mm，而莖部則是平均增長5-8 mm。但是，與少壁奈米碳管溶液共同培養的綠豆細胞形貌有破損的現象產生。本研究進一步運用熱差分析儀偵測不同培養條件的綠豆芽蘊含水含量多寡，結果顯示，奈米碳管可能促進綠豆水分的吸收。另一方面，本研究亦使用了拉曼光譜儀以及場發射掃描電子顯微鏡探討與證實奈米碳管是否確實被攝取進入植物體內。 最後，本研究利用非侵入式3D活體影像系統追蹤已接上螢光的奈米碳管進入植物及在植物體內運輸的途徑，並利用共軛聚焦顯微鏡進行更細部的微觀分析與觀測，結果顯示帶螢光的少壁奈米碳管主要存在於細胞壁之間。由此推論，其可能的運輸途徑為經由質體外運輸進入綠豆植株。

• 學位論文

Morphology Control of Si Nanostructures by SEMD Method and Their Application on Solar Cells

Recently there have been worldwide interests in the research of next generation solar cells by novel nanostructures and nanomaterials. Because of their near-wavelength-scale geometry, the Si nanostructure arrays have broadband low reflection and therefore strong absorption from near IR to visible region, which can be applied as an antireflection layer without further coating processes. Moreover, the high aspect ratio of nanostructure allows enhancing optical absorption while simultaneously decreasing the carrier diffusion length through the fashion of core-shell nanowires. In this study, first we fabricated a p-type single-crystal (sc) Si nanostructure arrays as the base by statistic electroless metal deposition (SEMD) method. The morphology control of the Si nanostructures on Si substrate by four major factors was discussed in SEMD process. Next, we employed a spin-on-dopant (SOD) method to form a uniform n-type emitter on our Si nanostructures, which is suitable for the dense and high aspect ratio arrays with a super-hydrophilic surface. The thin layer of emitter facilitates to construct the core-shell structure arrays for radial p-n junction solar cell that decouples the incoming light route and carrier diffusion path into orthogonal directions. This architecture benefits to the light absorption as well as the carriers collection by allowing lateral diffusion of minority carriers to the p-n junction rather than many microns away as in Si bulk solar cells. At last, we investigated relative reflection and photovoltaic parameters of four kinds of Si nanostructure based solar cells such as nanopores, nanowires, nanotips, and nanohills. The Si nanowires (SiNWs) based solar cell possesses the lowest total reflection (~ 1%) within the range of wavelength from 530 to 1030 nm. It also improves the conversion efficiency up to more than 25% in contrast to planar sc-Si solar cell under identical condition. In addition, the issues of length and electrode contact of SiNWs based solar cell were discussed, and several guidelines for optimizing such SiNWs based photovoltaic device were further suggested. The proposed novel design of solar cell by incorporating SiNW array revolutionizes the current architecture of solar cells, promising niche points of (1) better absorption, (2) self-antireflection, and (3) cost-effective fabricated process.

• 學位論文

金屬矽化物與矽異質結構奈米線陣列之製備與性質研究

Ordered and heterostructured NiSi2/Si nanowire arrays have been successfully fabricated by reacting nickel thin films on silica-coated ordered Si NW arrays. The coating of thin silica shell on Si NW arrays has the effects of limiting the diffusion of nickel during silicidation process to achieve the single crystalline NiSi2 NWs and maintain the straightness of the nanowire. The work function of Si NWs with NiSi2 tip (4.88 eV) was lower than the original Si NW arrays (5.01 eV). Excellent field emission properties were found for NiSi2/Si NW arrays. The excellent field emission characteristics are attributed to the well-aligned and highly ordered arrangement of the heterostructured NiSi2/Si field emitters. The characteristic of the Schottky junction were also verified by the I-V measurement. The weak ferromagnetic properties were also determined by the SQUIDs. The heterostructured CoSi2/Si and PtSi/Si NW arrays have been also fabricated by silicidation of Si NW with a Co and Pt film, respectively. The CoSi2 is of platelet shape and forms endotaxial structure in Si NWs. The results indicate that the thin SiOx coated on Si NW arrays will be effective to obstruct the diffusion of the Co atoms and form platelet-shaped CoSi2.

• 學位論文

鈦原子在矽(111)表面擴散過程與釓矽化物奈米結構之研究

This thesis is divided into two parts. One focuses on the diffusion process of Ti atom on Si(111), and the other part aims on the nanostructures of GdSi1.7. Ti atom diffusion on Si(111) was investigated by scanning tunneling microscopy (STM) and density functional theory (DFT). The preferable adsorption sites and favorable diffusion paths are disclosed by STM and examined by DFT calculations. On the other hand, two distinct types of GdSi1.7 nanowires (NWs) were grown. The electrical properties of the epitaxial GdSi1.7 NWs were measured. The superb field emission properties were obtained on the free-standing GdSi1.7 NWs.