本實驗所使用的 P3HT nanofiber 材料，是由交通大學應用化學所陳俊太教授實驗室 傅傳閔同學製備與提供，而在元件的製作過程和電性量測部分是在本實驗室進行，在此 章節將分成兩個部分，第一個部分會介紹本實驗使用的儀器和相關的知識及技術；第二 個部分是在介紹整個實驗的製作流程。
4-1 實驗儀器和相關技術
4-1-1 掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope,SEM)
電子顯微鏡主要是利用電子源高加速電壓之入射電子束發射出電子打擊在試片後，
使電子束於試片室內對試片表面作掃瞄，掃瞄之區域愈大則顯示於螢幕上之倍率愈小，
反之則愈大。產生相關二次訊號來分析各種特性，一般的二次訊號包括直射電子、散射 電子、二次電子、背向散射電子、Auger 電子及 X 射線等。而 SEM 主要觀察電子束與 樣品產生的二次電子為主。如圖 4.1 所示。
圖 4.1 電子顯微鏡的基本構造[44]
當入射的電子束打在導電性試片表面時，與試片表面的電子和原子核產生一系列的
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4-1-2 原子力顯微鏡 (Atomic force microscope, AFM)
原子力顯微鏡的工作原理是利用探針針尖原子與樣品原子間的作用力大小，其作用 力主是由探針針尖原子與樣品原子間在很接近時產生的凡德瓦力(Van der Waals force )。
凡德瓦力與原子的距離的關係圖，如圖 4.3 所示。根據凡德瓦力和原子間距離的關係圖 可知，凡德瓦力可分為斥力與吸力兩種，而原子力顯微鏡借由針尖原子和樣品表面原子 間的作用力又可分成接觸式(Contact mode)、非接觸式(Non-contact mode)與輕敲式 (Tapping mode)。而本實驗以輕敲式進行實驗，原理是將探針與樣品距離加近，然後增 大振幅，使探針在振盪至波谷時接觸樣品，由於樣品的表面高低起伏，使得振幅改變，
便能取得高度影像。
由圖 4.4 所示在實驗過程中，先將一雷射光束打在探針懸臂尖端，經過懸臂反射後 由光敏感偵測器( Position sensitive photo detector, PSPD)接收轉換成電壓訊號送入控制器 內進行訊號分析。當掃描探針非常接近樣品表面時，探針針尖原子與樣品表面原子會產
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生一排斥力，探針懸臂產生扭曲使得反射的雷射光點於 PSPD 上的位置產生位移。當探 針在樣品表面進行掃描時，探針接受到一連串相斥的排斥力，使得反射後的雷射光於 PSPD 上產生一連串的偏移，將這一連串偏移訊號輸出後利用電腦訊號轉換，即可得到 樣品表面形貌影像圖。
圖 4.3 凡德瓦爾力與距離關係圖[45]。
圖 4.4 原子力顯微鏡 PSPD 成像示意圖[45]。
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4-1-3 電子束微影技術(Electron-beam lithography, EBL)
在目前的半導體光學微影是現在的主流技術，主要是由於其可以生產大量、良率高
4-1-4 熱蒸鍍(Thermal evaporation)
熱蒸鍍是物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，簡稱 PVD)，以物理現象的方式，
來進行薄膜沉積的一種技術。在高真空的狀況下，將我們要蒸鍍的材料經通電流到鎢舟，
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4-2-2 P3HT nanofiber 的製備
本研究主要以 P3HT 奈米線為研究主體，並將其結果與一般的 P3HT 做比較，因此 需先製備 P3HT 的薄膜、以及 P3HT 奈米線。而 P3HT 奈米線又有兩種製備方式，以下 分別就各材料之製備逐一介紹。
(I) P3HT 薄膜
先取約 7.5 mg 的 poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)置於 3 毫升樣品瓶內，之後注入 Chloroform (500 ml)，於室溫下用磁石溫和地攪拌至少三小時，待完全溶解後，溶液會 轉為亮橘色，配成 1 wt%之 Pristine P3HT 溶液。
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用轉速 5000 rpm 離心 30 分鐘後使用微量注射器吸去離心液上層的懸浮液後，加入等量 相同品質的對二甲苯溶劑做轉速 5000 rpm 離心 30 分鐘，並重複此步驟至離心液上層的 懸浮部分為透明澄清得到高純度的奈米線溶液(奈米線部分:非奈米線部分為 95:5)後裝 入樣品瓶備用，並視需要將此溶液抽真空乾燥得到 P3HT 奈米線之固體粉末。
圖 4.5 晶鬚法流程圖
4-2-3 ZTO 和 P3HT 接觸奈米線元件之製備流程
1.清洗矽基板
清洗矽基板三個步驟，順序是丙酮、乙醇和去離子水，以及分別用超音波震盪器震 洗 10 分鐘，之後用氮氣吹乾。
2.奈米材料舖上矽基板
將清洗好的矽基板，利用壓印的方式把 ZTO 奈米線轉印到基板上，此時 ZTO 奈米 線會散布在整片矽基板上，接著以電子顯微鏡拍下 ZTO 奈米線，找尋單根的 ZTO 奈米 線的位置，即定位。
3.電子阻劑旋轉塗佈
定位好的 ZTO 奈米線，把基板放置在旋轉塗佈機內，利用滴管把電子阻劑 PMMA 正光阻滴於基板上，之後設定初轉速 1500 rpm 時間 15 秒，末轉速 5500 rpm 時間 35 秒，
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注意光阻是否塗佈均勻。
4.軟烤
將塗佈好電子阻劑的基板，放置在加熱台上，加熱 180°C 時間 1 分鐘。
5.電子束曝寫
使用 Hitachi S-3000H 機台，先利用 DesignCad 軟體設計電極的圖案，再轉換檔案到 控制器所能讀取的軟體，設定我們所需要的參數接著把電子束移至所要曝寫的位置後，
即可開始曝寫。
6.顯影
由於我們使用的是正光阻劑，因此當電子束曝寫過的矽基板，已曝寫過之區域電子 阻劑的化學鍵結容易斷裂因而溶解在顯影液中。將矽基板泡在顯影液的燒杯中，顯影液 的成分為甲基異丁銅(Methyl Isobutyl Ketone，MIBK)與異丙醇(Isopropyl Alcohol，IPA)，
比例 1:3，顯影時間與當時的溫度有關，因此可利用加熱台控制溫度在 25 度時，顯影時
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蒸鍍的機制是通入適當的電流到鎢舟，放置在鎢舟上的靶材會因為鎢舟加熱而融化、蒸 發形成氣態分子，控制蒸鍍速率，氣態分子會往上飄在樣品表面上形成薄膜，需要注意 的是通入電流時要控制速率約間隔 5 分鐘。蒸鍍完後將樣品從蒸鍍的腔體取出，將其浸 泡在丙酮中 5 小時以上，丙酮會把光阻劑溶解掉，沉積在基板的鈦金薄膜會因此脫離，
剩下電子束曝寫的圖形，即完成電極製作的步驟。
8.高溫熱退火
退火系統目的在於使樣品在高溫下，藉由得到熱能而使晶格重新排列，進而減少缺 陷產生。本實驗使用之高溫加熱爐為 Lindberg 出產的 1200 度單區管型爐，整個熱退火 系統由，石英玻璃管、真空系統、高溫加熱爐構造，如圖 4.6 所示。利用高溫加熱過程 讓氧化鋅錫去除氧使得氧空缺變多，增加其導電性。首先把石英玻璃管按照清洗順序用 丙酮、酒精、去離子水在超音波震洗機清洗 10 分鐘，接著使用無塵紙(kimwipes)把石英 管擦乾放置在加熱爐上，接著再把樣品放進石英管內。首先利用機械幫浦粗抽至壓力 2×10-2 torr，再用渦輪幫浦抽至高真空，壓力為 2×10-5 torr 以下，之後操作加熱爐面板設 定參數，即可運作，本實驗熱退火條件為溫度 500 ℃維持 10 分鐘。
圖 4.6 高溫加熱爐[46]
9.電性量測
此步驟主要是確定電極與樣品間是否有良好的接觸，因此我們會先將樣品放置於探
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針量測系統中，將腔體抽真空至 2×10-2 torr，利用 Keithley 6517B 在矽基板上送電壓，
使用 Keithley 6430 在樣品上送電壓－量測電流的方式進行量測，如圖 4.7 所示。在圖中 Vsd使用 Keithley 6430；Vg使用電錶為 Keithley 6517B[47]。
圖 4.7 量測 ZTO 奈米線示意圖
10.重複上述 3~6 步驟，塗佈 P3HT ，抽真空
使用電子束微影的方式寫一個長方形框，之後把基板放置在旋轉塗佈機內，利用滴 管把 P3HT 奈米線滴至樣品的正中心上方，之後設定轉速 4000 rpm 時間 60 秒。將已經 滴有 P3HT 的矽基板放置於真空保存盒，使用機械幫浦抽真空至壓力為 2×10-2 torr 以下，
放置時間約為 4 小時至 8 小時，樣品製作完成。
4-3PN 接面照光、無照光及邏輯實驗之電性量測方法
本次實驗可量測 ZTO、P3HT 本質材料和兩種材料所形成的 PN 接面之電性，也量 測在照氦氖雷射光下此三種結構的電性，另外做了邏輯實驗。如圖 4.8 所示為三種量測 之電路圖，接下來介紹所使用的量測儀器及方法。
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圖 4.8(a)量測 ZTO(b)量測 P3HT (c)量測 P-N 接面示意圖
4-3-1 室溫真空環境下之電性量測
本實驗採用兩種不同型號的電錶分別為 Keithley 6430 和 Keithley 6517B[47]，主要 量測電錶為 Keithley 6430 送電壓－量測電流的方式，而 Keithley 6517B 高阻抗電錶則做 為電壓源，量測的操作指令使用 LabVIEW 程式控制。將樣品置於真空腔體中，如圖 4.9 所示，真空度約為 2×10-2 torr，利用探針接上所要量測的電極開始進行量測，電路接法 如圖 4.10 所示。
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圖 4.9 四點探針量測機台
圖 4.10 電錶在樣品上的電路接法
4-3-2 室溫真空環境下之照光之電性量測
本實驗和前小節敘述的基本電性量測皆相同，最大不同的地方在於此實驗使用波長
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為 632.8 奈米的氦氖雷射，照射至樣品處的能量為 0.02(mW/cm2)，如圖 4.11 表示，將樣 品置於真空腔體中，量測時把氦氖雷射放置於樣品的正上方。
圖 4.11 氦氖雷射照光下量測接法
4-3-3 室溫真空環境下邏輯實驗之電性量測
本實驗量測需要四種不同的電錶，主要是藉由調控兩種不同的電壓源，可以觀察到 接面通道開關的特性。此量測的方法和第一小節量測電錶為 Keithley 6430 送電壓－量測 電流的方式，Keithley 6517B 做為電壓源的方法皆相同。接著使用電錶 PSM2010 為提供 額外的電壓源如圖 4.12 所示，VP3HT為電錶 PSM2010 所提供的電壓，樣品在真空下進 行量測，量測的操作指令使用 LabVIEW 程式控制。
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圖 4.12 邏輯實驗之電路接法
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