4-1 實驗結果(I) 氮化鎵薄膜與奈米柱 4-1-1 光致螢光光譜
我們利用 Origin 軟體以 Lorentian 函數擬合室溫下(295K)氮化鎵光致螢光光
譜。氮化鎵薄膜與奈米柱的光譜均出現 3.4 eV 能隙附近的螢光。圖 4-1 為氮化鎵
薄膜光致螢光光譜，可以觀察到除了 3.4 eV 的波長外，透過擬合我們找出其他
兩個峰值能量為 3.364 eV 與 3.306 eV。其中 3.306 eV 與 3.4 eV 之能量差可對應
到一個縱波光聲子的能量 91.2m eV [17]。關於 3.364 eV 峰值的放光原因我們目
前沒有很好的解釋，有文獻指出可能來自樣品的瑕疵[18]。在簡併激發-探測實驗
中，我們觀察到相對應波長對反射率的影響。
圖 4-1 氮化鎵薄膜光致螢光光譜
圖 4-2 氮化鎵奈米柱光致螢光光譜
4-1-2 布里淵散射
圖 4-3 氮化鎵薄膜激發-探測光譜(367.4 nm)。插圖為局部放大圖。
圖 4-4 氮化鎵薄膜激發-探測光譜(370.2 nm)。插圖為局部放大圖。
當我們分析氮化鎵薄膜的反射率隨時間的變化時，首先觀察到當波長為
367.4 nm 及 370.2 nm 有反射率震盪訊號，持續時間長達約 200 ps 以上。透過傅 立葉分析找出反射率震盪頻率與入射光波長有關，其現象與布里淵散射(Brillouin
scattering)類似。
圖 4-5 布里淵散射示意圖。
布里淵散射主要由連續音模聲子(coherent acoustic phonon, CAP)在材料中行
布里淵散射頻率(f)可寫成：
的震盪訊號。利用傅立葉分析得到頻震盪頻率分別為 131GHz 及 118GHz。由文
獻[21]得知氮化鎵折射率在 367 nm 及 370 nm 時分別為 2.65 及 2.64，根據公式
至於為何只有相對長波長時才能觀察到布里淵散射現象，主要是因為觀察厚
圖 4-6 氮化鎵薄膜激發-探測光譜(normalized)。
圖 4-7 氮化鎵奈米柱激發-探測光譜(normalized)。
首先，可以觀察到在薄膜與奈米柱的數據中，均有反射率變號(正負號顛倒，
減函數，三者擁有不同的衰減常數(decay time constant)。
1 2 3 0
圖 4-8 355.3 nm 激發-探測光譜擬合示意圖。
在薄膜及奈米柱的擬合結果中，5 ps 以下的快分量(t1)可以歸因於電子-電子
散射及電子-聲子散射。在非熱載子時期，載子的能量分布趨向費米-狄拉克分布。
此階段，載子之間交互作用頻繁，高能載子可以藉由電子-電子散射將能量傳給
低 能 量 之載 子 。 電 子 - 聲 子 散 射則 是 當入射 光 將 能量 傳 遞給 載子 後 ， 導 帶
(conduction band)內充滿熱載子(hot carrier)，此時電子除了透過前述之電子-電子 散射外，同時也與聲子散射在晶格中傳遞熱能。以氮化鎵為例，主要為光聲子參
與電子-聲子之散射。但在高載子濃度時會因為屏蔽效應而限制光聲子參與能量
釋放的機制[25]。在 366.1 nm 的擬合結果中，快分量(t1)消失，可能因為 366.1 nm
與 363.0 nm 間出現反射率變號，這裡需要注意，我們所用的光源是寬頻光，
366.1nm 指的是中點頻率，而半高寬約為 4nm。當光頻涵蓋吸收峰值左右，即正 反應與負反應同時相加時，信號會相互抵消，使得擬合不需要利用快分量。
在薄膜樣品中，最慢的分量衰減常數(t3)約為數百皮秒，為電子-電洞複合機
圖 4-9 氮化鎵指數衰減函數擬合統計圖
圖 4-10 氮化鎵吸收係數[26]
我們推測氮化鎵奈米柱 t2 分量為載子被捕獲到表陎態的時間。氮化鎵有內
建表陎電場(built-in surface electric field)的特性。在薄膜的樣品中，表陎電場影響
所及只有數十奈米[27]，對於整個樣品影響比例甚少；但奈米柱比薄膜擁有更大
的表陎積對體積的比例，我們預期表陎電場對光激載子在奈米結構中有顯著的影
響。奈米柱樣品中，當光激載子產生後，電子會往表陎移動，而電洞則往核心區
域前進[28]，一旦電子被表陎態捕獲後，與電洞結合放光的機會下降，並改由非
輻射方式複合；因此我們決定進行奈米柱螢光生命期之量測。圖 4-11 為利用時
間關聯單光子計數技術 (time-correlated single photon counting) 的量測結果，266
nm 脈衝光為激發光源，其脈衝時間約為 300 fs，266 nm 之訊號 FWHM(Full width
at half maximum)約為 50 ps，顯示出儀器的時間解析度。從圖中可發現氮化鎵奈 米柱的螢光生命週期與雷射脈衝的響應一樣，顯示螢光生命週期已經比儀器的解
析能力還短，小於 50 ps。這實驗結果是另一個證據與我們的時間解析激發探測
實驗吻合，載子被表陎態補獲的時間約為 20 ps 左右。
圖 4-11 時間關聯單光子計數量測結果。
4-1-4 結論
本論文中，利用光致螢光系統及激發探測光反射系統比較氮化鎵薄膜及奈米
柱的激發光譜、聲子動力學與載子的超快現象上的差異。我們發現薄膜的激發光
譜，除了能隙躍遷外同時也觀察到光聲子參與放光機制；相對奈米柱的光譜只有
觀察到能隙躍遷的波長。在薄膜的樣品中，我們觀察到布里淵散射，分析結果顯
示文獻中的折射率值在我們氮化鎵樣品能隙變化附近不適用。若以文獻中的聲速
當作擬合參數，可得到 367nm 及 370nm 的折射率分別為 2.95 及 2.70。我們在奈
米柱樣品並沒有觀察到反射率震盪的訊號。在參考文獻[29, 30]指出氮化鎵奈米
柱同樣存在由音聲子所造成的反射率變化，震盪頻率與奈米柱的長度或直徑相關。
考量我們的樣品長度及直徑的分布範圍，每一根奈米柱的振動頻率不盡相同，巨
觀來看也就互相抵消而無法測量。載子鬆弛率的結果顯示，薄膜與奈米柱都可以
觀察到電子-聲子散射與電子-電子散射，衰退常數(t1)分布也相當接近。薄膜與奈
米柱的慢分量(t3)則由不同機制主導，薄膜由電子-電動復合所貢獻而奈米柱則顯
示出載子擴散速率與波長之關係。而(t2)分量，我們認為是載子被表陎態所補捉
的時間尺度，約為 20ps 左右。
4-2 實驗結果(II) STO/SRO 異質結構
圖 4-12 400 nm 簡併激發探測光譜。
圖 4-13 395 nm 簡併激發探測光譜。
圖 4-14 390 nm 簡併激發探測光譜。
圖 4-15 布里淵散射頻率與波長關係圖。
4-2-2 400 nm/800 nm 激發-探測光譜
圖 4-16 90 K 400 nm/800 nm 激發-探測光譜。插圖為擬合局部放大圖。
圖 4-17 150 K 400 nm/800 nm 激發-探測光譜。插圖為局部放大圖。
圖 4-18 300 K 400 nm/800 nm 激發-探測光譜。插圖為局部放大圖。
布里淵散射
從統計圖 4-19 可以清楚看到，在 100K 附近布里淵散射頻率從約 45 GHz 升
至 47 GHz。文獻[34, 35]指出，STO 存在結構相變溫度約在 105K。當在室溫時，
STO 為立方結構，但降溫至 105K 時則變成簡單四方結構(tetragonal)，從 X-ray 繞射實驗得知 a/c≈1.003。雖然晶格常數變化不多，但剛性在降溫的過程中，明
顯的觀察到在臨界溫度 Tc≈105K 附近時大幅度降低[33]。聲子行進速率根據公式 4-2，當剛性係數降低時，速率也會跟著下降，兩者為 V∝c1/2之關係。此外，文
獻[33]圖 4-20 指出，從室溫降溫時，剛性略為上升至臨界溫度後大幅下降；與圖
圖 4-19 400 nm/800 nm 布里淵散射頻率與聲子生命期隨溫度變化圖。
圖 4-20 STO 剛性係數隨溫度變化圖[33]。
圖 4-21 SRO 單位晶格體積對溫度變化圖[36]。
當我們搜尋 STO 折射率文獻時，發現 Handbook of Optical Constants of
Solids[32]之數據主要為多組實驗成果彙整而成。其中在 400 nm 附近之數據由
Cardona et al.[37]及 Baeuerle et al.[38]所組成，兩者皆以量測反射光譜並透過
Kramers-Kronig 分析計算光學常數，但結果有些微差距且文獻[38]折射率在 380
nm-360 nm 間有大幅度地變化。我們利用鈦藍寶石雷射可調波長之特點，計算
365 nm-370 nm 的折射率。首先，我們根據架構二 400 nm 激發-800 nm 探測系統 在室溫 300 k 的結果，以文獻[37]提供 800 nm 之折射率計算聲子速率約為 7.89
nm/ps，我們假設聲子速率為此一定值。根據公式 4-1 計算所得折射率整理如圖
4-22。
圖 4-22 STO 折射率與波長關係圖。
STO/SRO 載子鬆弛機制
圖 4-23 STO/SRO 400 nm/800 nm 指數衰減函數擬合統計圖。
4-2-3 結論
我們透過簡併激發-探測系統及 400 nm 激發-800 nm 探測系統研究 STO/SRO
異質結構。我們分析兩項實驗數據得到 STO400 nm 到 365 nm 折射率的變化。從
變溫實驗中得知，即便 400 nm 激發-800 nm 探測系統所觀察到的載子行為來自
於 SRO，但在 STO 結構相變溫度(100 K)或是 SRO 的居禮溫度(~160 K)都會間接
影響載子的動力行為，在 100 K 時擬合中三個分量的強度(A1、A2 及 A3)均有顯
著的增強，表示材料有更多的吸收。160 K 附近，快分量(t1、A1)受到 SRO 順磁
與鐵磁的相變影響，讓 SRO 的吸收增加且載子的衰退時間也變慢。此外，聲子
在兩相變溫度出現生命期簡短的現象。
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