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具有載子注入平衡共主體結構之黃光有機發光二極體

本研究利用一無電子注入能障之主體材料，搭配利於電洞注入之共主體 tris(2-phenylpyridine)iridium(III) [Ir(ppy)3]，並使用高發光效率之磷光黃光染料 iridium(III)bis(4-phenylthieno[3,2-c]pyridinato-N,C 2')acetylacetonate (PO-01)，有效使元件於高亮度下仍能保持高效率，並製備一突破世界紀錄之高效率黃光磷光有機發光二極體。元件效率表現，在亮度為 100 cd/m2 下，能量效率為79 lm/W，電流效率為77 cd/A，外部量子效率為25%，在亮度為1,000 cd/m2下，則分別為59 lm/W，71 cd/A，以及23%。元件高效率的原因為：(1)使用薄發光層以及無電子注入能障主體，有效降低元件驅動電壓而達高效率；(2)使用共主體結構，使載子更易注入至發光層；於低電壓下，激子主要於共主體上產生，高電壓下則主要於主體上產生，使元件不論在低或高電壓下，皆能夠有良好的主客體能量傳遞，並於高亮度下仍能維持高效率。另外，選用不同性質之主體材料 (具電洞傳輸性或同時具電子電洞傳輸性)，搭配此共主體材料，於高亮度下，元件效率皆能獲得改善。

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以熔鹽合成法製備鈦酸鋇奈米線及其鐵磁與電容特性之研究

本實驗以 K2Ti4O9 奈米線為反應前驅物，與 BaCO3 粉末在共晶鹽 KCl - NaCl 中以熔鹽合成法透過離子置換過程成功製備出 BaTiO3 奈米線。實驗結果顯示，當反應溫度為 670 C 、反應 1 小時、共晶鹽 KCl 與 NaCl 重量比為 W=0.1時可獲得最佳長徑比與表面形貌之奈米線，長度可達數十微米，平均線徑為 400 奈米，並藉由 X 光繞射儀與穿透式電子顯微鏡鑑定其晶體結構與微結構、歐傑電子能譜儀則進行成分分析，最後可確認反應所得產物為 BaTiO3 奈米線。 　　本實驗中 BaTiO3 奈米線成長機制是透過 K2Ti4O9 奈米線中的鉀離子與 BaCO3 中的鋇離子在液相共晶鹽進行離子置換反應而成，由 XPS 分析結果得到 BaTiO3 奈米線中有氧空缺存在，並可由 Ti3+ 之形成加以佐證。另外，透過 SQUID 量測得知 BaTiO3 奈米線具有鐵磁性，且在大氣下進行不同時間之熱處理，會得到不同飽和磁化量，說明一維奈米材料表面氧空缺對鐵磁性之影響。 最後從 I-V 與 C-V 曲線說明所得奈米線表面氧缺陷對奈米線電性與電容密度之影響。

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操控超穎材料與矽基太陽能電池之結構來增強其效能

自然界中有某些材料會因為其結構的不同而導致不同的特性。因此，在此研究中，我們將藉由改變超穎材料(metamaterials)及矽基太陽能電池的結構，來增強其表現及效應。超穎材料為一種次波長(sub-wavlength)的材料，而其整體對應電磁波的響應主要受到其結構的影響而非其本身的材料本質。在過去的十幾年中，超穎材料引起了廣泛的注意，主要是因為它所表現出獨特且前所未有的電磁特性，例如：負折射係數、反司乃爾定律(Snell’s law)、超級透鏡、慢光效應及完美吸收體。儘管如此，超穎材料卻往往受到其對應的入射電磁波的極化方向所限制。舉例來說，表現負磁導率的隙環共振器(split-ring resonator)和表現負電容率的電漿線(plasmonic wires)就必須在側向入射的情況下才能達到，而表現負折射係數的”工”字型金屬線、短金屬線對和兩手超穎材料等，卻只能在正向入射才能達到。因此，在這個研究當中，為了消除上述的限制，我們提出了一個創新的結構，使得超穎材料能夠在不論側向或正向入射的情況下皆能表現出負的磁導率、電容率及折射係數，我們並在微波的頻率下，利用理論計算及實驗結果驗證了此一結果。整體來說，藉由改變傳統超穎材料的形貌，我們成功的設計出一個對應多角度入射的負折射係數超穎材料，這個新的設計可以大大的減輕傳統超穎材料對於入射波極化方向的限制，並將超穎材料推向更廣泛的應用。 除此之外，我們還運用一種成本低廉的濕式蝕刻，Statistic electroless metal deposition (SEMD)，來操控矽的表面形貌，並用來加強矽基太陽能電池的轉換效率，因為現階段來說，各式各樣的光伏原件的性價比相較於石化能源相對太低。為了增加此一性價比，我們必須增加太陽能電池的轉換效率亦或是降低其製作成本。有著優異抗反射能力的矽奈米線(Si nanowires)，將有潛力完成此目標。但沒有額外結構支撐的矽奈米線是很脆弱的，這也可能會阻礙矽奈米線運用到實際的應用上。另外，複雜的矽奈米線製作過程如化學氣相沉積，也會增加其製作成本。幸好，同樣擁有著良好抗反射能力的矽奈米孔洞(Si nanoholes)，相較於矽奈米線有著較佳的機械強度，因此在製作太陽能電池上會是較好的選擇。在此研究裡，我們在室溫下使用一系列的濕式化學方法來製作矽奈米線及矽奈米孔洞並用來製作光伏原件。矽奈米孔洞的太陽能電磁有著優異的抗反射能力，使得其轉換效率高於單面拋光所做成的矽太陽能電池48%。此外，我們也發現矽奈米孔洞所作的太陽能電池比矽奈米線太陽能電池更能夠提供較高的填充因子(fill factor)，這是因為矽奈米孔洞有著較平整的表面。結論是，利用這個低成本的製作方法，我們可望能製作出低成本高效率的矽奈米孔洞太陽能電池。 另外，我們也利用SEMD此一低成本的方法來製作矽微米柵狀太陽能電池，因為若將矽奈米或微米結構應用在太陽能電池上能夠有展現很好的吸收特性和其可分耦光吸收路徑及少數載子傳遞方向的能力。因此，我們在此矽微米柵狀太陽能電池上整合了有著可以將傳統平面電極的反射損失最小化的垂直的側壁電極(vertical sidewall electrodes)，和可以增加載子收集效率的垂直pn介面(vertical multijunction)。利用此一矽微米柵狀太陽能電池，我們成功的將其光伏特性如光電流密度、填充因子和轉換效率，相較於控制組的太陽能電池，分別提升了11.2%、23.7%和52.9%。

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四元靶材濺鍍方式製備銅銦鎵硒太陽能電池

近年來再生能源的議題持續發酵，太陽能便是其中一種深具潛力的選擇，許多類型的太陽能電池，包括單多介面砷化鎵、單多晶矽太陽能電池以及其他正在興起的技術已經被廣泛的研究，以期能取帶現有的發電技術。本論文主要的研究為銅銦鎵硒薄膜技術的開發，我們成功開發出簡單的一段式濺鍍銅銦鎵硒薄膜之製備方法並研究以此方式製備的薄膜及元件特性。 在第四章的部分，我們的結果證明一段式濺鍍應用於製備銅銦鎵硒薄膜的可行性，藉由單一銅銦鎵硒四元靶材搭配脈衝直流濺鍍鍍方式在五百度的基版溫度下，即便沒有額外的硒供應，我們仍可製備出具有黃銅礦結構的銅銦鎵硒薄膜。而由此方式製備的銅銦鎵硒薄膜不同於傳統蒸鍍方式製備之特性，為具有（112）優選方向的柱狀晶結構，此外我們也針對此方式製備之薄膜及元件特性作進一步的探討與分析。在此章節，利用接近計量比的銅銦鎵硒靶材製備之元件，其最高效率可達到8.22 %。 在第五章的部分，我們探討靶材成分對於銅銦鎵硒薄膜及元件的影響。藉由控制靶材成分，我們可以調變薄膜的組成從富銅相變至缺銅相，而富銅相銅銦鎵硒薄膜常見的銅硒二次相也可經由此方式有效降低，因此即便沒有氫化鉀處理的薄膜仍可得到極佳的元件表現，使用稍微缺銅且富硒的銅銦鎵硒四元靶材，我們得到最高效率達10.14 %之元件。此外我們也在銅銦鎵硒薄膜上開發出非破壞性的成分分析技術，藉由歐傑電子顯微鏡及場發式電子微探針技術，可以分析表面及內部成分之分布，我們發現造成富銅的銅銦鎵硒元件在長波長範圍的光電流響應較低的原因，應該跟不均勻的硒分布有關。 在第六章的部分，我們探討如何藉由光學及電性的觀點改善元件之表現，包括鈉的摻雜以及奈米結構的導入。濺鍍氟化鈉製程目前的文獻中尚無報導，在本論文我們已成功將其與一段式濺鍍銅銦鎵硒薄膜製程整合，並觀察到明顯元件表現之提升，最高效率可達10.41 %。此外我們也開發出不需模版的方式製備銅銦鎵硒奈米針尖陣列，此奈米結構可以有效提升光捕獲效率並提升光電流之收集。

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(CrNbTaTiZr)Cx薄膜的機械性質與微結構之研究

因申請專利緣故，資料延後公開

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二氧化鍺奈米結構的合成

二氧化鍺 (GeO2) 奈米線是藍色發光材料，因此可以當作光電元件的材料。關於二氧化鍺奈米結構的研究，目前比較注重於合成奈米線。 本實驗當中，利用熱蒸鍍方法，合成出不同奈米結構的二氧化鍺。把有鍍或沒有鍍 7.5 奈米金薄膜的鍺基板加熱到700 oC 和TiF4 粉末加熱到800 oC，合成出柱狀的二氧化鍺。降低有鍍7.5 奈米金薄膜的鍺基板溫度到 600 oC，TiF4粉末固定在800 oC，合成出樹枝結構的二氧化鍺。只要把有鍍上7.5 奈米金薄膜的鍺基板加熱到650 oC，合成出線狀的二氧化鍺。 這三種奈米結構的形貌、結晶性、晶體結構、和成分，可以利用掃描式電子顯微鏡(SEM)、X-光繞射分析儀(XRD)、和 穿透式電子顯微鏡(TEM) 來鑑定。

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溫度與基板對脈衝電鍍製備銅膜微結構影響之研究

電鍍製程擁有容易量產及低成本的經濟效益，因此被大量運用於製備積體電路中的銅金屬導線。因應微電子積體電路元件尺寸不斷的微縮，為了提升元件的可靠度，瞭解電鍍製程參數對銅金屬導線微結構的影響是一個重要的課題。銅的微結構與晶體成長的優選方向會受到電鍍時的過電位、電鍍液的成份、基板以及溫度的影響。在本研究中，主要是探討基板與電鍍液溫度對脈衝電鍍製程所製備銅金屬膜微結構之影響。本實驗所採用的基板，一為市售的鎳金屬箔，其具備很強的(200)晶體優選方向，另一基板為利用磁控濺鍍法在矽基板上沉積銅薄膜。電鍍液的溫度則控制在攝氏-1及20度。接著利用觀察不同條件下銅膜的表面形貌、優選方向及雙晶的間距作為探討。實驗結果發現，當溫度降低時，利用定電流模式下進行脈衝電鍍所鍍出的銅金屬膜其表面較為光滑，且在電鍍過程中整體的過電位也有所提升。推論降低溫度而造成的過電位上升使銅膜成核速率上升，進而使晶粒細化，而得到較為平整的表面。另外觀察到當電鍍液的溫度控制在攝氏20度時，初始電鍍的銅膜繼承了基板的優選方向，而當溫度下降時，初始電鍍的銅膜其基板效應較不明顯。導致此差異的主要原因在於溫度下降所造成的過電位提升使得各生長方向成核所需要的能量都大幅下降，導致晶粒各方向的成核速度沒有明顯差異而得到無特定優選方向的薄膜。最後也觀察到當溫度降低時，雙晶結構的間距大幅的下降。推論當溫度下降後，銅膜內的應力因在低溫電鍍下成核數量較多及晶界較多而有所提升，另外在低溫下，推測應力釋放將由差排滑移轉變成形成奈米雙晶的機制，使低溫下製備的銅膜內的雙晶結構更為緻密。

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雷射分子束磊晶成長釕酸鍶於鈦酸鍶基板之結構與成分分析

經由雷射分子束磊晶技術，成長高品質奈米尺寸單晶釕酸鍶薄膜在(001)晶面的鈦酸鍶基材上。高能量雷射打在靶材上所形成的離子團是決定成長品質的關鍵，靶材及基板的距離更是要視離子團的形狀大小來做仔細的調整，些微的差距對於成長的薄膜都會有一定程度的影響；同時成長溫度亦是薄膜品質重要的因素之ㄧ。因此，調變靶材及基板的距離及成長的溫度並進一步詳細分析是很必要的。 利用X光繞射技術(X-ray diffraction)，可以有效地研究磊晶薄膜的結構特性。X光反射率(X-ray reflectivity)的量測可得到各層的厚度以及介面的表面粗糙度。原子力探針顯微鏡(AFM)可了解薄膜成長後表面的粗糙度，而臨場反射式高能電子繞射的圖形亦幫助我們了解磊晶成長時薄膜之結構型態，經由這些分析得知高品質的單晶釕酸鍶成功成長在鈦酸鍶基材上，其薄膜趨近於立方體結構。

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低溫燒結之玻璃陶瓷系統在高溫之流變行為研究

本研究主要探討硼矽玻璃(BSG)+氧化鋁(Al2O3)系統中，添加不同含量、不同顆粒大小的Al2O3粉末，以及在不同溫度下對系統自由燒結時黏性行為的影響；此外，亦探討顯微結構的非等向性對此系統黏性行為的改變。 利用黏彈性模型(visco-elastic model)結合構成方程式(constitutive equations)計算出系統在各條件的單軸向黏度(uniaxial viscosity)。單軸向黏度隨著密度的增加而上升，而溫度越高，系統的單軸向黏度則越低；此外，在相同密度下，隨著氧化鋁含量的增加以及氧化鋁顆粒大小的減少，會造成單軸向黏度的上升。此系統的活化能約為225kJ/mol。 在顯微結構的非等向性的部分，在試片燒結時，藉由施加單軸向壓應力使其顯微結構產生變化，並量化分析Al2O3顆粒及孔洞的方向性。隨著試片施壓的相對密度區間增加以及施加的壓力越大，Al2O3顆粒會趨向於與施壓方向垂直，造成材料於施壓方向的單軸向黏度增加。此外，亦發現不同的氧化鋁含量對非等向性程度的影響不明顯。

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用氧化鋅記憶元件構成的互補式電阻開關

為了增加記憶結構的密度，發展出一種記憶元件的排列方式，稱作被動式交叉陣列 (passive crossbar array)。此陣列擁有極高的組成密度，許多記憶元件都能應用於交叉排列。但採用交叉陣列有一個很大的問題，就是潛通道電流 (Sneak path current)。在讀取特定一個元件的狀態時，會受到鄰近元件的影響，透過潛通道電流，導致讀取上的錯誤，嚴重限制了陣列的尺寸。為了解決潛通道電流的問題，Waser團隊提出互補式電阻開關 (complementary resistive switches ，CRS) 的概念，CRS由兩個雙極性轉換 (bipolar switching)的電阻式記憶體反向串聯而成，藉此解決潛通道電流的問題，並增加交叉陣列的尺寸。 本研究採用室溫製程來製作CRS，以ZnO作為中間的固態電解質，因為ZnO在室溫下就可製成具有柱狀晶結構的薄膜，且具有穩定的電阻轉換特性。我們使用射頻磁控濺鍍法在室溫下製成Ag/ZnO/Pt與Pt/ZnO/W的單顆元件。先量測元件的電性與耐久度 (endurance)，再分別將元件以平行串聯的方式組成CRS，量測兩種CRS的電性與耐久度，並比較彼此的差異。且假設在最差情況下，計算CRS運用於交叉陣列中，交叉陣列可達到多大的尺寸。 從實驗結果可得到三個重要的結論：(一)由於Ag/ZnO/Pt的電阻轉換電壓之變動較Pt/ZnO/W大，將其組成CRS後得到的耐久度也較差。可知單顆元件的轉換電壓如果變動過大，會影響CRS的操作耐久度。 (二) 將CRS應用於交叉陣列中，記憶體的陣列尺寸與單顆元件的高低電阻比有關。Ag/ZnO/Pt的高低電阻比大於Pt/ZnO/W，將其組成CRS後應用於交叉陣列中，能得到較大的陣列尺寸。(三) 由於Pt/ZnO/W使用的電流限制比Ag/ZnO/Pt高，將其組成CRS後得到的最大電流值也較高。可知單顆元件設定的電流限制與組成CRS後的最大電流值有關。