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鈦對真空燒結鑽石銅基複合材料製程及熱性質之影響

本實驗使用真空液相燒結法製備鑽石銅基複合材。燒結過程中，並未施加任何壓力，純粹依靠液態銅潤溼在鑽石表面，因此液態銅與鑽石間的潤溼性，對鑽石與銅基間的接合以及複材熱性質的表現有決定性的影響。為了提升液態銅對鑽石的潤溼性，在銅基當中添加了活性元素鈦，探討鈦添加量及鑽石體積分率對熱性質之影響。採用冷壓成型再真空液相燒結所製備出的鑽石銅基複合材，其熱傳導係數可達608 W/m●K，熱膨脹係數在3.3 ~ 9.8 ppm/K之間，可隨著鑽石粒徑大小、鈦添加量與鑽石體積分率的改變而調整。此外，本實驗採用的製程屬於一無壓燒結的製程，無須加壓設備，因此可大幅降低成本且製程簡單，使此鑽石銅基複合材在電子構裝散熱材的應用上更具發展潛力。

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硫摻雜輔助P型氧化鋅薄膜與奈米結構研究

氧化鋅(ZnO)為ⅡⅥ族半導體材料，因為其高能隙值3.37eV及高激子束縛能60meV等材料性質，有非常多的應用領域如發光二極體、光催化材料、全透明電子元件等光電元件材料。但難以製備電性良好的p-type氧化鋅侷限了氧化鋅的發展空間，目前難以製備穩定p-type氧化鋅可以歸因於，摻雜物在氧化鋅中的溶解度太低與摻雜物活化能量太高等因素，因此如何提升溶解度與降低活化能成為很重要的課題。因此Persson et al.提出藉由摻雜等價元素硫以降低活化能的方式，希望以此降低摻雜物的活化能量。 本研究主要分三部分，第一部分是使用硫化後氧化兩階段熱處理方式將硫摻雜到以溶膠-凝膠法(Sol-gel method)製備的氧化鋅薄膜，用各種分析儀器去驗證硫的摻雜與比較摻雜前後性質差異。第二部分是以溶膠-凝膠法製備p-type氧化鋅薄膜，實驗選用了三種不同元素鋰、銅、氮做為p-type摻雜物。觀察不同退火溫度及摻雜濃度對p-type氧化鋅電性的影響，並藉由分析晶體結構、光學性質與化學鍵結的方式去探討薄膜內部缺陷的變化去解釋電性的轉變。第三部分是將成功鍍製的p-type氧化鋅薄膜進行硫化後氧化兩階段熱處理流程，觀察此一製程對p-type氧化鋅薄膜的電性與基本材料性質造成的影響。

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鐵酸鉍鐵電薄膜的電性及光伏效應

本實驗主要在探討鐵酸鉍(BiFeO3,BFO)薄膜在不同退火溫度、退火氣氛、緩衝層以及不同摻雜濃度下所表現出來的光伏效應，藉由各項儀器來觀察鐵酸鉍薄膜在不同情況下所表現出來的差異性，再藉由分析這些差異性來推測影響光伏效應的可能機制與原因。 本實驗的BFO薄膜以及導電緩衝層都是利用溶膠凝膠法(sol-gel method)在白金基板上鍍製。首先，先在白金基板上鍍上不同的導電緩衝層，分別為鎳酸鑭(LaNiO3,LNO)以及氧化鉍(Bi2O3)，接著將BFO薄膜或摻雜釔(Y)的BYFO薄膜分別鍍在具有不同緩衝層的基板上，分別為：Pt、LNO/Pt、Bi2O3/Pt。最後，這些BFO薄膜會分別經過不同溫度或不同氣氛的退火處理。 分析的儀器分別是利用場發射電子顯微鏡來觀察表面形貌與晶粒大小，X光繞射儀來分析薄膜的結晶行為，壓電力顯微鏡觀察BFO薄膜鐵電電域的排列情況，化學分析電子能譜儀進行薄膜表面化學分析，紫外光-可見光光譜儀量測薄膜的光學性質，鐵電量測儀量測電滯曲線，太陽光模擬系統量測光伏效應，半導體分析參數儀量測漏電流行為，LCR測試儀量測在不同頻率下的介電常數與散逸因子。 實驗發現，鐵酸鉍薄膜的晶粒大小、氧空缺的出現以及結晶性的差異都會對光伏效應產生影響。晶粒大小會影響電子電洞對的擴散距離，氧空缺的出現會形成缺陷能階，促使電子電洞對傾向複合，這兩個因素都不利閉路電流的產生。較好的結晶性會有較好的電導率，不利開路電壓的提升。此外，實驗發現，透過摻雜釔可以大幅提升BFO薄膜在照光下的閉路電流，也可稍稍提升開路電壓，推測主要原因與其光學性質的改變有關。但若過量摻雜釔反而會使光伏效應減弱，推測主要原因與摻雜後薄膜結構的轉變有關。由於適量摻雜釔可以提升閉路電流進而提升開路電壓，LNO緩衝層能夠降低BFO薄膜的缺陷含量，因此將適量摻雜釔的BFO薄膜鍍在LNO緩衝層上可以同時大幅提升閉路電流與開路電壓，其光伏效應的表現是本實驗中表現最好的一組。透過其他性質的量測，發現BFO薄膜光伏效應的強弱與本實驗中所進行的電滯曲線、介電常數隨頻率變化、散逸因子隨頻率變化與漏電流量測，並無觀察到有任何明顯直接的關聯。

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第一原理計算研究LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2‧Li2MnO3 材料

LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2‧Li2MnO3比起其他的鋰電池正極材料有更高的工作電壓與電容量。Li2MnO3和LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2若結合成複合材料，Li2MnO3可提供多餘的鋰原子，LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2也可提供基本的結構穩定性，是有潛力的電池材料。然而，此種材料的充放電特性與其結構有密切關聯，在此篇文章中，使用第一原理之軟體VASP來探討LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2‧Li2MnO3充放電時的特性，實驗數據包含了充電曲線的模擬、鋰離子擴散活化能之計算，LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2中的氧空位所造成的影響。結果顯示LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2會在鋰原子取出三分之二時體積會有較大的變化，影響了此材料繼續充放電。這點是影響此材料的關鍵。另外，活化能的計算顯示，LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2‧Li2MnO3此複合材料在介面的活化能較低(~0.18eV)，因此可推測若兩種材料是以奈米化的程度結合，會有較好的擴散特性，對電池快速充放電有利。本文亦藉由兩種不同比例混合之LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2‧Li2MnO3計算，顯示出若LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2和Li2MnO3比例為1:1時，體積的變化較小，對循環充放電較為有利。整體來說，LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2‧Li2MnO3此複合材料若控制適當的比例與微結構，是有機會取代現今所用的鋰電池材料。

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金奈米結構及金薄膜邊界之表面電漿特性研究

本論文希望探討表面電漿極化子 (surface plasmon polariton, SPP) 在金奈米波導結構上的傳播性質以應用於電漿子電路，因此使用近場光學掃描顯微鏡量測以聚焦離子束蝕刻製作的金奈米波導結構。此波導結構包含奈米孔洞陣列以及用兩列溝槽做出的奈米橋。第一種結構為50 nm 厚的金膜以及2 nm 厚的鈦黏著層，孔洞陣列及溝槽處的蝕刻深度相等，我們觀察到其 SPP 干涉波紋波長約592 nm。第二種結構為50 nm厚的金膜以及50 nm厚的鈦膜，在孔洞陣列處的蝕刻區域包含金膜及鈦膜，在溝槽處的蝕刻區域則僅包含金膜，我們觀察到其 SPP 干涉波紋波長約523 nm。這顯示了SPP 波長將隨複合金屬薄膜的比例不同而改變。 此外，由於幾乎沒有文獻探討過薄膜邊界的侷域性表面電漿共振 (localized surface plasmon resonance, LSPR) 性質，本論文使用了暗視野光學顯微鏡量測金薄膜邊界的散射光譜。在散射光譜中可發現三個 LSPR 峰，在40 nm厚的金薄膜邊界上，其波長分別為517 nm、588 nm、646 nm。藉由分析穿透式電子顯微鏡影像及不同入射光極化方向的量測結果，我們推測了在金薄膜邊界對應於共振峰可能的 LSPR 方向。共振峰波長大致上隨著金薄膜厚度增加而紅移；也隨著介質環境折射率的增加而紅移，因此可做為感測應用。我們使用空氣、水、聚甲基丙烯酸甲酯三種不同介質以量測其介質折射率感測靈敏度，並在60 nm 厚的金薄膜邊界上達到最佳的112 nm/R.I.U.。

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三五族半導體上之臨場高介電氧化物原子層沉積

本實驗利用自行設計的緩衝腔體實現了臨場連接原子層沉積機台與分子束磊晶系統的組合。利用這個前所未有的組合，我們得以利用原子層沉積機制沉積高介電氧化物於乾淨的三五族半導體磊晶層上。 透過臨場光電子能譜分析發現在臨場原子層沉積之氧化鋁/砷化鎵界面有AsOx的鍵結存在。經由實驗發現在沉積約0.9nm的氧化鋁之後進行臨場超高真空退火可以有效去除AsOx的鍵結，並明顯改善此界面的電性特性。 利用變溫電導量測以及準靜態電容電壓量測方式發現臨場沉積原子層沉積氧化鋁及氧化鉿於含20%的砷化銦鎵上可分別得到7×1012以及5×1012 eV-1cm-2的中央能隙界面缺陷密度，而在含53%的砷化銦鎵上則可分別得到4×1012以及2×1012 eV-1cm-2的中央能隙界面缺陷密度。值得注意的是沉積氧化鋁鉿 (4.5nm)/氧化鉿 (0.8nm)於砷化銦鎵上的結構具有至少能夠承受800oC 熱處理的熱穩定性、在±1MV/cm 保持~10-8 A/cm2的低漏電流、以及1.2nm等校氧化物厚度等優越特性；這些優越特性是非臨場製程無法同時達到的。 另外，在用臨場沉積5nm氧化鋁在含53%的砷化銦鎵上當做閘極氧化物及使用自動對準製程製備的金氧半場效電晶體(閘極長度為1m)也展示了600m/m的汲極電流及350S/m的互導參數；此結果大幅超越了其他利用非臨場沉積氧化鋁在含53%的砷化銦鎵上當做閘極氧化物的金氧半場效電晶體。 由本實驗的結果得知臨場原子層沉積製程能夠製備同時具有高熱穩定性、低漏電流、低等效氧化物厚度以及低界缺陷密度的原子層沉積高介電氧化物/砷化銦鎵結構。

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利用簡易合成方法所得氮氧化鈦的濾膜做為超級電容器的應用上

本研究中先行利用水熱法和酸洗步驟得到鈦酸氫的自支撐薄膜。 藉由氨氣體氛圍下高溫熱處理可得到氮氧化鈦的自支撐薄膜。 此氮氧化鈦的自支撐薄膜同時具有高導電性，化學穩定性和多種 價數態的金屬氧化物，因此可做為超級電容的應用。於合成的氮氧化 鈦的自支撐薄膜中，以中孔洞奈米纖維的N64 樣品有著電容最好的表 現(5 mVs-1, 572.7 Fg-1) 。且氮氧化鈦相較於其他超級電容材 料有著便宜和製備簡單的優點，更由於氮氧化鈦為單一材料，更避免了 複合材料的界面問題。這些結果都顯示了N64 樣品可作為優異的一個超 級電容的材料。 另外，本研究中也利用N64 樣品組成一個簡單的兩極式固態電 容器元件，從這固態電容器的測試中再次驗證N64 元件為典型的超 級電容行為，且相較於熟知的超級電容器材料有較大的工作電位視窗。 因此，氮氧化鈦材料於日後應用於超級電容器上具有相當潛力。

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錳摻雜對鐵酸鉍薄膜之能隙影響及其性質探討

本實驗使用溶膠－凝膠旋鍍法(Sol-gel spin coating)製作BFMO薄膜，由薄膜的穿透率光譜圖經由Tauc formula計算，成功地證實使用錳摻雜的方式可以使BFO的能隙降低，最多可降低約0.17eV左右。這將有助於在光學應用上能隙過大的BFO可以更有效率地轉換能量。 實驗還分別探討了鍍製在白金基板上的低錳摻雜量BFMO與鍍製在LNO緩衝層上高錳摻雜量BFMO，在不同氣氛下熱處理的基本性質、照光前後的性質等討論。除了透過XRD證實鍍製出的薄膜為BFMO鈣鈦礦結構單一相，LNO緩衝層的使用將有效地在摻雜量上升時降低第二相的產生。而透過介電常數與漏電性質的量測與XPS能譜的分析，發現除了BFO中部分的Fe3+會還原成Fe2+，摻雜錳在BFO中取代鐵原子的位置，也會因為錳在結構中形成一部分的Mn2+，因此透過電荷補償機制在薄膜中形成許多氧空缺，造成介電常數在低頻時數值過大以及漏電上升等現象。 BFMO在照光前後的性質，除了BFO展現光伏特性以外，摻雜錳的薄膜皆沒有光伏效應產生，這可能是因為氧空缺等空間電荷使得因照光產生的電子電洞對在分離後擴散到晶域的兩端前就發生了複合(Recombination)，使光伏效應消失。另一方面，所有BFMO薄膜在照光後皆有閉路電流上升的現象，根據文獻報導，這種光電導性質(Photoconductivity)的來源，原因之一可能就是氧空缺，這也符合我們在先前實驗的量測結果以及推論。

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不同破裂方式於光阻薄膜引發破裂波紋受加馬射線影響之探討

在此實驗中，我們將實驗結果主要分為兩個部份來探討。第一部分， 將mrI-8030E的光阻旋於已經清理乾淨的矽基板上，而後立即覆蓋上另一片同等大小的矽基板，以形成三明治結構試片。經過加熱加壓，確保光阻層與兩片矽基板呈現緊密接合，接著使用三種不同的實驗破裂方式，來引發規則且具週期性的破裂導致微結構。然後進一步探討與比較各個破裂波紋的圖形、空間波長、振幅等。在第一個破裂實驗中，我們將施力集中在矽基板上板的一點來分開三明治試片，結果會得到以施力點為中心的半圓形波紋。而在第二個實驗中，我們將三明治試片用單軸的拉伸力使之分離，即會出現與光阻薄膜邊界呈45°(或135°)的規則直線波紋。於第三種破裂實驗中，我們採用將刀片嵌入光阻薄膜內來造成破裂的方式，形成了與刀片嵌入方向平行(或垂直)的週期性破裂波紋。 在第二部分，我們運用於被鈷60輻射後的光阻，並依上述實驗步驟，針對輻射前後的光阻和不同輻射劑量所引發的破裂波紋做膜厚，波紋波長及振幅的探討。 最後，我們利用由表面能和殘留表面應力所組成的表觀表面應力理論來解釋表面波紋的形成，並研究輻射前後的光阻在破裂過程中所引發的表觀表面應力上的差異。

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利用壓電力顯微鏡探討鈮酸鹽之一維奈米線結構的區域壓電特性

本研究將以掃描探針顯微鏡 (SPM) 分析鈮酸鉀與鈮酸鈉的一維奈米結構，了解其在奈米尺度下所表現的鐵電特性。實驗首以微米級五氧化二鈮與不同金屬氫氧化物，如氫氧化鉀或氫氧化納，進行反應，在回流環境下進行合成，分別獲得鈮酸鉀與鈮酸鈉水合物 (SOMS) 的奈米線 (KNbO3 寬 50-100 nm，長0.2-3 μm ; Na2Nb2O6.H2O 寬 200-500 um 長 5-10 um)，後者經過退火處理可成為斜方晶的鈮酸鈉奈米線。所得生成產物經分散後，利用掃描探針顯微鏡的探針施加直流電與交流電並量測其單一奈米線所產生之形變，亦稱為壓電力顯微技術，探討奈米材料的鐵電疇分佈、偏壓極化與局部電滯現象，並結合穿透式電子顯微鏡、X光繞射分析與相關文獻以了解晶格結構與退火製程之關係。 研究證實鈮酸鉀奈米線有自發極化的現象，另外則發現鈮酸鈉奈米線所表現的鐵電特性，不同於文獻記載的傳統塊材反鐵電性表現，未經過電場高溫極化即具有區域鐵電特性，在施加平行軸向偏壓後以側向壓電力顯微鏡觀測可明顯觀察到延奈米線軸向 [100] 呈週期性排列的電域疇，平均d33=3.25 pm/V，與鐵電性的鈮酸鉀奈米線 (d33 = 7.32 pm/V) 的壓電性略有不同。