第一章 緒論
1.2 奈米顆粒電性傳輸機制回顧
第一章 緒論
1.1 為何要研究奈米顆粒？
奈米結構塊材(Bulk nanostructure material)[1]、膠態奈米晶體固體(colloidal
nanocrystal solid)[2]皆是指由大小為奈米尺度的微小奈米顆粒所組成的巨觀材料，其物 理特性，如電性、光性，可由調整奈米顆粒的材料、尺寸、形狀、排列方式、奈米顆粒 間距來改變。此特性使得這些由奈米顆粒所組成的材料吸引了所多研究者的投入，試圖 創造出豐富的應用。例如載子倍增元件(carrier multiplication device)[3]、記憶體元件[4]、
場效電晶體[5]、熱電元件[6]、高敏感的光感測元件[7]、發光二極體[8]等。其中大部分 的應用都與電性特徵相關，因此奈米顆粒的電性研究一直是十分熱門的研究議題。
1.2 奈米顆粒電性傳輸機制回顧
以下將依照顆粒間距的變化，回顧重要論文。當顆粒間距較遠時，集體庫倫阻滯效 應(collective coulomb blockade)經常被觀察到，其特徵為電流對電壓關係存在著臨界電壓，
當電壓小於臨界電壓時，通過由奈米顆粒組所成的導電通道的電流非常微小，當電壓大 於臨界電壓時，電流對電壓呈現冪次關係(power low)，代表性的電流電壓關係如圖 1.1[9]。
此臨界電壓與電子因庫倫作用力而發生的阻滯有關，即與充電能(charging energy)有關，
當熱能小於充電能時，此現象才能被觀察到，此理論最早於 1993 年由 Middleton 與 Wingreen 提出[10]，因此，描述此種冪次關係的理論模型又被稱為 MW 模型。當熱能大 於充電能時，帶有足夠能量的電子將克服庫倫排斥力的阻滯，得以在顆粒之間有效傳導，
此時將會觀察到熱活化傳輸的現象。例如三維有序的金奈米顆粒陣列堆疊於二氧化矽上 時，當低溫時，集體庫倫阻滯效應被觀察到，當溫度漸高，電性上轉而表現出熱活化傳
- 2 - 充電能有關，此現象可由 Efros 與 Shklovskii 於 1975 年提出的 Efros-Shklovskii 變程跳躍 傳輸理論描述[16]。實驗上也有許多與理論相符合的現象被觀察到。例如 Heath 的團隊 發現低溫時發生集體庫倫阻滯的系統，在溫度升高後轉變為 Efros-Shklovskii 變程跳躍傳 輸，並且藉由調整奈米顆粒組成的通道寬度，可觀察到二維與一維系統的轉變，如圖 1.6[17]。Guyot-Sionnest 的團隊發現了當改變系統的溫度或能態密度，皆能觀察到 Mott 與 Efros-Shklovskii 變程跳躍傳輸的轉換，如圖 1.7[18]，這代表了庫倫排斥力在某些條 件下可被忽略，且庫倫作用力的存在與否，確確實實的影響了奈米顆粒元件的電性表現。
然後在眾多研究結果中，存在著對於庫倫作用力重要與否的爭辯。Murray 的團隊於低 溫時觀察到 Mott 變程跳躍傳輸的現象，如圖 1.8[5]。相反的，Drndic 的團隊改變了硒化 鉛奈米顆粒的顆粒間距，在低溫時觀察到了 Efros-Shklovskii 變程跳躍傳輸，如圖 1.9[19]。
隨後，Mentzel 的團隊提出在硒化鉛奈米顆粒陣列中並無觀察到變程跳躍傳輸的發生，
如圖 1.10，且認為庫倫作用力不應該在介電常數高達 200 以上的硒化鉛中重要，只能在 溫度小於 4 K 的系統下，才能看到庫倫作用力的影響[20]。當顆粒以無序排列時，例如 隨機物質(random material)[21]及奈米孔洞(nanoporous)[22]薄膜，此時的電性傳輸機制則
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由 Sheng 所提出的熱擾致穿隧傳導(fluctuation induced tunneling conduction)所描述[23]，
如圖 1.11。由此可見，奈米顆粒陣列其多變的電性傳輸機制仍然需要更多的實驗來澄清 真理，因此對於奈米顆粒陣列的電性研究是極為重要的。
圖 1.1 顆粒間距較遠時常見的電流對電壓關係[9]。
圖 1.2 顆粒間距較遠時溫度對電性的影響[11]。
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圖 1.3 顆粒間分子長度對電導率的影響[12]。
圖 1.4 顆粒間距變化時電阻對溫度關係的變化[13]。
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圖 1.5 金奈米顆粒退火 100 及 150oC 後的電阻對溫度關係[14]。
圖 1.6 金奈米顆粒電導對溫度做圖，觀察到系統維度的轉換[17]。
圖 1.7 改變硒化鎘奈米顆粒中電子的數量，可觀察到傳輸機制的改變[18]。
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圖 1.8 硒化鉛奈米顆粒元件的電導對溫度做圖，低溫時觀察到 Mott 變程跳躍傳輸[5]。
圖 1.9 硒化鉛奈米顆粒元件的電性，在 100 至 200 K 間觀察到 Efros-Shklovskii 變程跳躍 傳輸[19]。
圖 1.10 硒化鉛奈米顆粒元件的電導對溫度做圖，其中觀察到熱活化現象[20]。
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圖 1.11 隨機材料的電阻對溫度關係[21]。