4-1 儀器介紹
4-1-1 掃描式電子顯微鏡(Scanining Electrons Microscope，
SEM)
隨著學術研究的發展，為了觀察奈米尺度下的微觀世界。對於顯微鏡的放大倍 率以及解析有更高的需求，然而光學顯微鏡受制於光源波長的限制，在得到電子具 波動的特性後，利用其性質去研究更高階的顯微鏡，電子的波長與加速電壓有關，
可大幅提高放大倍率以及解析度。
掃描式電子顯微鏡是由電子槍（electron gun）發射電子束，利用電壓加速經過第一、
第二電磁透鏡（condenser lens）進行聚焦，再透過控制電子束的掃描線圈、物鏡聚 焦後打至樣品上，電子束打至樣品時會產生大量的二次電子(secondary electrons)、
背向散射電子(backscattered electrons)、歐傑電子(Auger electrons)、X-ray.…等，如 圖 4.1 所示。
圖 4.1 電子束撞擊樣品的反應關係圖
接收器接收集二次電子，再透過放大器和精密電子儀器計算出樣品表面的形貌，
大致的掃描式電子顯微鏡的結構如圖 4.2 所示。
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圖 4.2 掃描式電子顯微鏡結構圖。[26]
其中電磁透鏡是藉由線圈產生強磁場，將通過的電子束進行聚焦，達到如玻璃 透鏡可將光線聚焦的功能。當電子束打至樣品上，產生的電子能量分佈廣泛，而二 次電子為電子束將傳導帶上的電子擊出的產物，其能量約小於 50 eV，屬於低能量 電子，並且二次電子的數量會取決於樣品表面起伏的狀況，因此收集並且計算二次 電子的數量可推演出樣品的形貌，因此掃描式電子顯微鏡採用此種電子來觀察樣品 表面的形貌。
根據電子槍發射出電子束原理的不同可分為熱游離及場發射二大類其結構如 圖 4.2 所示。
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圖 4.2 熱游離（a）與場發射；（b）的電子槍結構圖。[26]
熱游離電子槍的發射原理是利用加熱燈絲，高溫使得電子擁有足夠的能量克服 材料功函數（work function）能障，而釋放出熱電子。燈絲外圍以陽極的金屬帽蓋 住，因此產生的熱電子會受到陽極吸引，在外加電壓的加速下，被加速的熱電子會 由陽極底端的開孔射出，形成電子束。電子槍運作時希望以最低溫度來使用，以減 少材料的損耗，所以燈絲材料會採用低功函數的材料來提高發射電流密度。目前有 鎢燈絲（W）及六硼化鑭(LaB6)二種材料的電子槍，以鎢燈絲價錢較為便宜所以較 為普遍。
場發射電子槍的發射原理為金屬置於高電場中，外加電場使得材料上電子的能 障寬度變窄，高度變低，電子可較易穿隧通過能障脫離金屬表面，形成自由電子，
再經過加速電壓形成電子束。電子是由很尖銳的陰極針尖發射出來，所以其電子束 極細且電流密度高，其亮度可達熱游離式的百倍甚至千倍。金屬材料需要承受高電 場加諸在陰極尖端的高機器應力，比較後鎢金屬就成為較佳的選擇。要從極細的鎢 針尖場發射電子，鎢針金屬表面必須完全乾淨，因此場發射電子槍必需維持超高真 空度來保持其潔淨。
本實驗室有二台掃描式電子顯微鏡，分別為熱游離式的 JSM-6380 以及場發射 式 JSM-7000F。根據二台機器在解析度及操作方式而有不同的運用；JSM-7000F 為 場發射式解析度較高，用於拍攝奈米線在基東上的位置、並對奈米線線徑、長度以
29 電子阻劑 950 PMMA A5 成分為聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)，
是具高解析度(20 nm)的正電子阻劑、對白光反應差且室溫下存放很久。其搭配的顯 影液(developer)成分為甲基異丁基酮(methyl isobutyl ketone, MIBK）與異丙醇
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(isopropyl alcohol, IPA)依照一定的比例調整成的混合液。不同甲基異丁基酮和異丙 醇比例會得到不同的解析度，如下圖 4.3 所示，則可得知 MIBK：IPA = 1：3 的比 例將會有最高解析度，因此我們採用此種比例的顯影劑，來得到較高解析度。
Composition MIBK:IPA
Resolution Sensitivity/throughput
1:1 High High
1:2 Higher Medium
1:3 Very high Low
MIBK Low High
圖 4.4 甲基異丁基酮與異丙醇不同比例下解析度的情況。[27]
4-1-3 熱蒸鍍機（Thermal evaporator）
熱蒸鍍機一般可依其加熱的方式不同而分為電阻加熱式、電子束加熱式以及雷 射加熱式等，本實驗採用電阻加熱式的熱蒸發蒸鍍法進行鍍膜，是利用對鎢舟(boat) 通以高電流直流電，使其升溫而將欲鍍膜的材料融化進而附著在樣品上形成薄膜的 製程，考量到材料在高溫下容易產生氧化反應，需備置一高真空系統，本實驗室採 用機械幫浦(mechanical pump)以及渦輪幫浦(turbo pump)作為真空系統，先利用機械 幫浦粗將腔體抽至低真空（約 1×10-2 mbar）後，再以渦輪幫浦抽至高真空（約 2×10-6 mbar）後再進行加熱鎢舟的動作，則真空度由內建的氣壓計以及離子真空計進行觀 測。
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圖 4.5 熱蒸鍍機腔體結構。[28]
本實驗蒸鍍的材料為鈦、金來做為樣品上的電極，因為金對矽基東的二氧化矽層 附著力不佳，所以先鍍鈦作為中間的媒介，此外在進行蒸鍍之前一般會先空鍍鈦來清 潔腔體，空鍍鈦就是在不打開擋東的情況下鍍鈦，利用鈦將腔體中的其他粒子黏著至 腔壁上，達到更好的真空度，當真空度良好且蒸鍍速率恰當時，才能移開擋東進行蒸 鍍，由膜厚計控制所沉積的時間。
4-1-4 低溫致冷器（Cryostat）
圖 4.6 低溫致冷器結構圖。[28]
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藉由量測低溫下各溫度的電阻變化來觀測氧化鋅的電性，為了達到這個目的，使 用的低溫致冷器如圖 4.6 所示，低溫致冷氣主要提供輸送訊號以及量測的路徑已經控 溫系統，再將致冷器插入裝有液態氮(77 K)的杜瓦瓶以降溫，而在將致冷器插入液態 氮之間會反覆抽取內層的真空並注入氦氣去除內層的水氣以防樣品結冰，並保持內層 充滿氦氣的狀態進行下低溫的動作。
降低溫度主要是靠致冷器與液態氮之間的傳導，將致冷器至於低溫環境中由外層 環境與內層加熱器達到熱平衡來完成控溫，為了讓溫度更穩定被控制，會將外層的真 空度抽至(2 10 torr
5 )可以使傳導的效率減低，而關於溫度的控制，可使用溫度控制 器（LakeShore430）來調節加熱器的功率以控溫。若想進一步達到更低的溫度，可將液態氮替換成液態氦(4.2 K)，利用機械幫浦將 杜瓦瓶中的液態氦由針閥抽入內層中，將機械幫浦與針閥打開，使載台內部通入液態 氦，並且控制液氦流量，讓低溫的液氦與內部加熱器達成動態平衡，達到控溫。
4-1-5 濺鍍機(Sputter)
濺鍍機的原理是在一個真空腔體內通入氬氣(Argon),並對其施加大電壓,此時氬氣 將發生弧光放電而變成電漿狀態。電漿中的氬氣離子(Ar+)會以高速衝向陰極,將放置 在陰極的鈀材原子撞出,材料原子因氬離子撞擊而飛向正極的基東,然後在基東上沉積 成膜,氬離子相對於鈀材原子的顆粒而言是重量很重的粒子,在高速的衝擊下,將可使得 鈀材粒子獲得充分的動能,鈀材粒子也高速衝向基東,重重的嵌入基東中,因此沉積的薄 膜有很好的附著力。它的薄膜細密度甚至比蒸鍍還好。
4-1-6 高溫加熱爐系統(Annealing system)
高溫加熱爐主要是進行高溫熱退火的製程步驟，而進行退火時需要真空的環境，
先將欲退火的樣品置於石英管中，石英管與真空系統連接，真空系統由機械幫浦與渦 輪幫浦所組成，先利用機械幫浦粗將系統抽至低真空（約 1×10-2 mbar）後，再以渦輪
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幫浦抽至高真空（約 1×10-5 mbar）才可進行加熱的動作。高溫加熱爐的結構如圖 4.3 所示，將熱線圈至於石綿中，通電流至線圈而使熱線圈加熱，藉由溫度感測器以及控 制電流量來調控加熱溫度及速率，而石棉具有絕熱的功能，能有效穩定加熱爐的溫度，
經由電子介面版設定升降溫速率、溫度和時間，則可組成退火系統。本實驗所用的高 溫加熱爐最高可加至 1200 ℃，依據不同實驗用途而設定不同的溫度及時間。
4-2 實驗步驟
4-2-1 氧化鋅奈米線的製備
本實驗使用由交大材料所的吳文偉教授團隊所提供的氧化鋅奈米線為材料去進 行元件的製作，在此介紹其奈米線成長的製作流程。[29]
以矽晶圓做為成長氧化鋅奈米線的基東，依序以丙酮、酒精、去離子水於超音 波震盪器中震洗後，以氮氣吹乾，由於奈米線成長需要以金作為催化劑，所以先使 用電子束蒸鍍機在基東上鍍上 3 奈米的金，完成成長基東的製備。
用來成長的材料來源則是將氧化鋅粉與石墨粉混合，放置氧化鋁晶舟中，混合 的重量比為 2:1，將晶舟放在高溫的區段，在爐管溫度的設置上分為三區，以每分鐘 上升 10℃的升溫速率分別在溫度控制在 950 ℃、750 ℃以及 600 ℃，持溫 1.5 個小時 作為反應時間，同時通入氬氣與氧氣混合氣體，氬氣作為傳送氣化的鋅原子，而氧 氣則是提供氧原子進行反映。
圖 4-7(a)為氧化鋅奈米線的 SEM 圖，而(b)、(c)則是分別使用 X 光繞射儀(X-ray diffractometer，XRD)以及穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM) 的分析圖形，在圖(b)中，藉由產生峰值的角度與資料卡對照可得知其為 wurtize 晶 體結構，再由圖(c)TEM 影像可看出氧化鋅的內部並無缺陷，具有良好的結晶性，
其原子間距分別為 0.52 nm 與 0.28 nm，對應到(0001)以及(1010)面，兩晶面垂直，
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而由選區繞射圖中齊極軸(zone axis)為[1210]則能幫助我們再一次確認其為氧化鋅 奈米線，且沿著[0001]方向成長，其晶格常數 a=0.324nm 與 c=0.519nm。
圖 4-7 (a)氧化鋅的 SEM 圖形(b)XRD 圖形(c)TEM 圖形，插圖為對應的繞射圖形
4-2-2 氧化鋅奈米線元件製程
本次氧化鋅奈米線元件有兩種種類，為了使接觸面積縮至原子級，我們採用金 奈米線作為電極使用，其製程有所區別，我們先以分別用鉑、鈦/金作為電極的元件 的製成流程做介紹，再講解兩種元件的製程差異。
本實驗所使用的基東為矽基東，並於其上沉積 300 nm 的氧化矽，鍍上鈦、金 作為外接電極。
(1)清洗基東
將基東浸於清洗溶劑中，放置超音波震盪機震洗五分鐘，清洗溶劑依序為丙酮、
酒精、去離子水，分別去除無機物、有機物、以及粉塵顆粒，震洗後立刻以氮氣吹 乾，以免溶劑殘留。
(2)轉印材料:
將長滿氧化鋅奈米線的矽基東與使用的量測用基東交疊，使用鎢鋼筆於上方施
將長滿氧化鋅奈米線的矽基東與使用的量測用基東交疊，使用鎢鋼筆於上方施