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含有超分子結構之共軛樹枝狀高分子的合成與能量轉移之探討

本論文主要是在合成出具有超分子氫鍵性質的奈米複合材料，並探討其之間的能量轉移效應，我們首先合成具有Thiol官能基之perylene bisimide的表面修飾材料，將其分別命名為T-PNH及T-PC6，並且合成了氧化鋅奈米棒，目的為增加電子傳導出去的機率。最後利用氫鍵受體及氫鍵給體理論，我們成功合成出擁有2,4-bis(ethyl-amino)-1,3,5-triazine結構的塞酚樹枝狀高分子，將其命名為15T5N。 期待此類的奈米複合材料藉由氫鍵的形成，能有良好的能量轉移效應，未來可以應用於太陽能電池及化學感測材料上，來增進效率以及感測靈敏度，這些奈米複合材料利用ESCA、變溫FT-IR、UV-visible、PL、TGA、CV以及TEM來進行物性探討，最後利用TRPL來探討能量以及電子轉移的效應。

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氧化鋁/氧化釔/氧化鋯複合材料與液態鈦金屬之介面反應

以燒結法製備不同組成之Al2O3/Y2O3/ZrO2陶瓷試片，與鈦金屬在1 atm氬(Ar)氣氛下，進行1700℃與2小時之高溫擴散反應，探討在此參數下，陶瓷材料與鈦金屬高溫擴散介面反應之影響。本實驗用X光繞射儀(x-ray diffraction, XRD)、掃描式電子顯微鏡(SEM/EDS)，以及穿透式電子顯微鏡(TEM/EDS)，分析擴散後介面反應微觀結構。 　　各組陶瓷試片與鈦金屬經熔融擴散反應後，在鈦側處會產生鈦鋁合金，隨著氧化鋁比例上升而反應變劇烈，鈦側看到Ti、Zr置換後的Ti2ZrAl；而陶瓷深處則會產生許多化合物，其中包含：ZrO2、TiAl、Y3Al5O12(YAG)、YAlO3、Y2O3、Al3Zr…等。其中當氧化鋁比例含量超過pecolation threshold，便會在陶瓷裡形成內通路，鈦便可在此內通路進行擴散至陶瓷深處，因此整體抑制鈦擴散的效果非常差，造成微觀結構與其他組成差異非常大。 　　在其中4組與鈦熔融擴散反應後，發現YAG在擴散反應過程有著重要的角色，故將YAG特別討論，單獨跟Ti做高溫熔融擴散反應。

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含銦鋅氧化物之薄膜電晶體之濕式製程研究

本研究以多醇法（Polyol Process）製備銦鋅氧化物薄膜（Indium-doped Zinc Oxide，IZO）並應用於薄膜電晶體（Thin-film Transistor，TFT）之製作。實驗以乙二醇（Diethylene Glycol，DEG）為溶劑/螯合劑，醋酸鋅（Zinc Acetate）和醋酸銦（Indium Acetate）為鋅與銦之來源，聚乙烯基吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone，PVP）為保護劑，在180C持溫2小時合成出IZO前驅物溶液，再經由離心作用將所得到之前驅物均勻分散在正戊醇（Pentanol）中，以旋轉塗佈法（Spin-coating）在玻璃基板上形成薄膜，並在大氣下進行退火形成IZO薄膜。研究過程中嘗試改變之製程參數包括反應溫度、反應時間、水添加量、退火溫度以及退火時間以探討薄膜結構與性質之變化；此外，更以IZO為元件通道層（Active Channel Layer），鍍上電極製成TFT元件，進行電性質之量測分析。 本研究亦添加不同比例之醋酸銦以探討銦添加量對TFT元件電性質之影響，實驗結果發現導通電流（On Current）和截止電流（Off Current）隨著銦摻雜濃度的增加而增加，並有往負電壓偏移的現象；當In/Zn成分比例為5 mol.%時，TFT元件呈現最佳之載子遷移率（Mobility，） = 0.595 cm2/Vsec、電流開關比（On/Off Ratio） = 1.1×106、臨界電壓值（Threshold Voltage，VTH） = 4.33 V、次臨界擺幅（Subthreshold Swing，S.S.） = 5.11 V/decade。

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以自形成氧化錳薄膜應用於銅金屬化之擴散阻障層特性研究

在目前超大型積體電路(ULSI)的發展中，以銅作為導線已經為一種趨勢，而在深次微米製程中以銅取代鋁做為金屬導線材料後，為了克服銅與矽基材間相互擴散的問題，必須在銅與矽間鍍上具有高熱穩定性及良好界面附著性的擴散阻障層。本實驗中利用金屬錳具有極大之負氧化自由能(Standard free energy of oxide formation)，在高溫驅動下能與介電層相互作用，形成銅與矽基材間之自形成擴散阻障層。。 在本研究中鍍膜結構Cu(100nm)/Mn (15nm)/SiO2/Si，在利用濺鍍法沉積錳薄膜與銅薄膜導線後，施以不同溫度退火並在金屬錳膜與介電層發生反應形成擴散阻障層後，以四點探針量測銅片電阻；以掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察銅膜表面型態；以X光繞射儀做相的分析鑑定；以原子力顯微鏡(AFM)量測方均根粗糙度；以X光光電子能譜分析(XPS)分析表面鍵結狀態；以歐傑電子能譜(AES)做成份縱深分析；以穿透式電子顯微鏡(TEM)做鍍膜截面觀察；以I-V量測漏電流值；以BTS(Bias temperature stress)量測在定電場不同環境溫度下試片的穩定度(stability)；以薄膜附著力測試機(adhesion tester)分析薄膜機械強度；藉由沉積薄膜在圖案化基材檢視其覆蓋完整度。 本研究顯示退火後結構變成Cu(100nm)/MnOx(15nm)/SiO2/Si，顯示在400℃退火溫度下時自形成氧化錳擴散阻障層產生在界面間。上述分析方法顯示此種結構經500℃以下之退火處理具有優異的熱穩定性。然而在600℃退火後氧化錳與介電層產生分層現象(delamination)，使銅擴散進入矽基材，阻障層功效遭到破壞。

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應用噻吩并[3,4-c]吡咯-4,6-二酮於主鏈施體－受體高分子之主體異質接面有機太陽能電池之研究

基於對再生性能源的渴求，有機太陽能電池成為眾多應用太陽能研究之一重要類別。在元件結構上，為獲取最佳之能量轉換表現，在本實驗中採用總體異質接面結構製作主動層薄膜。本實驗室合成了四種新穎主鏈施體－受體共聚高分子，PT6TPD、PT8TPD、PCPDTTPD及PDTSTPD，其電子受體皆為噻吩并[3,4-c]吡咯-4,6-二酮（TPD），由於具有堅固、拉電子能力強的共平面雙環結構，讓四種高分子有熱穩定性高、光吸收波段寬廣、HOMO能階足夠深等優點，適合用作太陽能電池之n型材料。 在太陽能電池元件實作上，不同的製程參數及方法對元件之光電轉換效率影響甚鉅。為了易於溶解材料及旋轉塗佈成膜，必須選用適合之溶劑；依最佳的比例混摻P型與N型材料，可形成較平滑的表面形貌；進行熱處理，可讓薄膜內部分子有限度的重新排列以減少電荷陷阱；將PCBM替換為PC71BM與高分子混摻，可望提升在較短波長範圍之光吸收能力；為了讓P型與N型材料有適當的相分離程度，使用添加劑以改善分子排列。 在本實驗中調整以上各項製程參數後，得知四種高分子皆須溶於DCB中，且在90℃下施行退火20分鐘可有最佳表現。而PT6TPD、PT8TPD及PDTSTPD與PC71BM以1:1之比例混摻後，並加入4 vol % DIO可達最佳效率依序為2.56%、2.21%、3.45%；而PCPDTTPD則是以1:4之比例與PC71BM混摻後，再加入3 vol % CN可達最佳效率2.15%。

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高頻高功率應用之氮化鎵系列半導體

氮化鎵系列材料為新世代半導體之星，其應用範圍涵蓋高頻元件、功率電子元件、以及光電元件。本論文即針對氮化鎵材料的高頻與高功率應用所做之研究。首先是機械張應力對氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體之效應的研究，研究發現機械張應力能使元件產生額外的通道電子，進而改變通道飽和電流特性，此現象同時取決於電子通道的方向；另外，張應力能使元件的脈衝電流特性變差，這表示張應力透過增加壓電極性使元件表面產生更多電子能井，這些額外的表面能井侷限住更多電子，使通道瞬間電流受到抑制。論文第二部分成功驗證了氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體在30GHz下依舊保有優良的低雜訊特性，當該元件偏壓在閘極為-3V與汲極為10V時，其30GHz的最低雜訊值為1.6dB且元件的增益值為5dB，在現今文獻中，此項成果是第一篇將氮化鎵元件低雜訊特性提升至30GHz之國際期刊。論文第三部分結合氟離子電漿與金氧半閘極結構技術，成功製作出具備高閘極起始電壓的增強型氮化鋁鎵/氮化鎵電晶體。透過16nm的氧化鋁閘極氧化層，使閘極起始電壓提升至5.1V，同時，該元件依舊保有高電流密度500mA/mm，此成果是第一篇將閘極起始電壓提升至超過5V並能同時具備高電流密度之國際期刊。

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週期性線狀圖案a-plane藍寶石基板成長半極性氮化鎵薄膜之研究

一般在藍寶石基板(a、c-plane sapphire substrate)上成長GaN發光二極體時，都會沿著極性c軸的GaN晶面成長，如此一來便會產生內建電場造成能帶扭曲，使得電子電洞復合機率下降，減少內部量子效率，同時也因能帶扭曲會有發光波長紅移-藍移的現象，而解決或降低能帶扭曲現象的其中一個方法就是使磊晶成長方向沿著非c軸方向成長，也就是非極性或半極性GaN晶面，因此本研究希望製作出a-plane線狀圖案化藍寶石基板成長半極性的GaN晶面。 　　在第一組實驗與平邊平行的a-plane線狀圖案化藍寶石基板中，利用乾蝕刻的方式分別製作出Pyramid-DPSS與Flat-DPSS做比較，發現不管在SEM表面形貌、XRC半高寬、PL發光強度…等等量測都顯現出Flat-DPSS具有較好特性，但是XRD鑑定晶面後發現所成長出來的仍為極性GaN晶面，而Pyramid-DPSS則是利用側壁成功成長出半極性的(10-11)GaN晶面。 　　 而第二組實驗與平邊夾三十度的a-plane線狀圖案化藍寶石基板中，利用乾加濕蝕刻的方式裸露出特定(13-46)sapphire斜面，濕蝕刻同時也改善了受到乾蝕刻受損的表面，並且成功在上成長半極性的(10-11)GaN晶面，但該晶面的成長速率仍然偏慢，且表面形貌仍有點粗糙，若未來改善該晶面的成長速率以及表面的平整度，對於後續製作成LED元件時，預估將對發光波長紅移-藍移的現象有很大的改善。

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水熱法合成氧化鋅奈米結構及其光電特性研究

本研究以氯化鋅(ZnCl2)和六亞甲基四胺(HMTA)作為前驅物，進行水熱法合成氧化鋅奈米結構，探討溶液濃度、成長溫度與成長時間等參數對氧化鋅奈米結構所造成之影響，藉此可有效合成出氧化鋅奈米管、奈米線與準直性奈米柱陣列。並以多步驟水熱法成長，可以有效增加長寬比(aspect ratio)，一步驟成長之長寬比為22.5，五步驟成長之長寬比增加至57，每增加一次成長皆使長度成一定比例增加，並保持奈米柱之外觀完整。PL光譜則用來研究氧化鋅奈米結構之光學性質，可由紫外光波段訊號推算出氧化鋅奈米結構之能隙約為3.37 eV與氧化鋅塊材能隙相當；可見光波段之缺陷發光會隨著表面積貢獻增加而便增強，且隨著更換溶液次數增加的OH分子團，缺陷發光波鋒具紅移之現象，經波段分析可得知黃光(~580 nm)波段之缺陷發光與OH分子團相關。 其次，利用水熱法成長之氧化鋅奈米線進行單根奈米線電傳輸性質量測，奈米線線徑與電阻率呈現反比的關係，並且氧化鋅單根奈米線場效電晶體(FET)相較於薄膜電晶體有較好的電子遷移率。最後，更運用於單根奈米線與奈米柱陣列紫外光感測器，採以極小之偏壓進行量測(小於0.005 V)，可降低能源消耗並且得到極快速之反應時間(小於1 s)並改善持續光導效應(persistent photoconductive)，致使感測器的開關更為快速且明顯。

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成長單一方向氧化鋅奈米線及其光學、場發射、電子傳輸與光催化特性之分析

本研究以碳熱還原法結合VLS機制，成功地(100)面矽基板上成長單一方向的氧化鋅奈米線奈米陣列，藉控制不同基板溫度、氧氣流量和爐管內總壓可得到各種形貌的氧化鋅奈米線。在基板溫度為750 ℃，通以氧氣10 sccm，控制壓力0.75 torr的條件下，可得長寬比達250，結晶性良好、成長方向為[0001]的一維氧化鋅奈米線。在螢光光譜儀量測下，可觀察氧化鋅奈米線發光主要來自兩個波長：386 nm和506 nm，且506 nm相對於380 nm的發光強度會隨著氧流量增加而下降；當氧流量固定時，則以奈米線表面積決定強度，表面積增加，強度增強。在場發射特性的量測上，本研究所成長的單一方向氧化鋅奈米線陣列皆具有良好的場發射特性，尤其是類似鉛筆狀的奈米線，其獨特的結構使之具有低的起始電場約3.82 V/μm與高的電場增強因子約2303。除此之外，以傳統的電子束微影製作單根氧化鋅奈米線的場效電晶體，可觀察其為一種N型半導體的特性，並利用閘極電壓可有效控制電流的大小。最後，在氧化鋅奈米線的光催化實驗中，顯示氧化鋅奈米線為一種良好的光觸媒材料，且其催化效率與表面積相關，較細的奈米線擁有較好的催化效果，並進一步利用蒸鍍金薄膜，藉由退火而在奈米線上形成金粒子，使其減少光電子-電洞對之結合，且尺寸越小的金粒子提升催化速率越明顯，在未來則可運用於環境保護，作為分解有機汙染物的催化劑。

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單晶鍺奈米線合成及特性量測

本研究利用熱蒸鍍法配合氣液固(Vapor-Liquid-Solid, VLS)機制進行單晶鍺奈米線的合成，討論載流氣體、基板溫度、腔體壓力及矽基板方位的改變對鍺奈米線成長的影響。另外，本研究也成功利用低溫熱蒸鍍法，在大幅降低熱預算的情況下，有效進行單晶鍺奈米線及奈米串珠結構的合成。本研究利用X光繞射分析儀(X-ray diffractometer, XRD)及高解析穿透式電子顯微鏡(High Resolution transmission Electron Microscope, HRTEM)進行奈米線及奈米串珠的結構鑑定，由XRD量測可觀察到鑽石立方結構的鍺，由HRTEM影像及傅立葉轉換繞射圖形確定鍺奈米線為單晶無缺陷且沿[111]方向成長。 本研究將鍺奈米線散佈於電性量測基板，利用電子束微影進行電路的定位，在完成鎳的沉積及光阻的去除後即完成元件製備。並利用快速退火系統對元件進行加熱，使其反應成為鍺化物/鍺/鍺化物的異質結構，異質接面的形成能有效的降低接觸電阻，並形成良好的歐姆接觸;另外我們利用統計的方式，對不同直徑奈米線做I-V量測，觀察到鍺奈米線的電阻率與直徑有正相關的趨勢。由HRTEM影像及傅立葉轉換繞射圖形確定鍺化物為斜方晶結構的Ni2Ge，且觀察到Ge與Ni2Ge的磊晶關係為Ge[110]//Ni2Ge[110] 及 Ge(-1 1 -1)//Ni2Ge(1 -1 -2)。另外本研究也對此異質接面進行臨場加熱觀察，在500 ℃的加熱溫度下，觀察到Ni2Ge以1.29 nm/s的速率進行成長。我們再對鍺化物/鍺/鍺化物的異質結構奈米線進行場效電晶體特性量測，觀察到本研究合成的本質鍺奈米線具有P型半導體特性，且其場效電洞遷移率可達44.3 cm2/Vs。由發光特性量測得知鍺奈米線表面存在許多氧缺陷，進而引發鍺奈米線的光感測特性，並在光感測特性的量測觀察到兩階段的電流釋放。