本章結主要針對單一 Co:ZnO 奈米柱不同參雜濃度的電學性質量測，
在由量測結果進行分析和討論。接著為了得到更精確真實的單根 Co:ZnO 奈米柱電阻值，儘可能避除掉接觸電阻的影響，而製作出四 點式的電性量測元件，並利用三種不同的電阻計算方式來討論分析，
接著為了得知溫度對電性的影響，進行了變溫電流-電壓
(Temperature-dependent I-V)之量測，也可從中了解電子的傳輸行為，
在最後的部分，探討奈米柱表面在空氣中對氧的吸附與在真空中的脫 附進行探討。
圖4-1 樣品元件示意圖
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4-1 兩點式電極之電性量測
一共有四種不同的樣品，分別摻雜 Co 之濃度為 0、0.02、0.1、0.2%(以 下代號為 Pure、樣品 A、樣品 B、樣品 C)，電性的量測是經電性量測 系統 KEITHLEY 6430， 量測方式是使用兩點探針(probe)去點探電極，
給予電壓並量測電流值，也就是 SWEEP VOLTAGE 的方式，從-1V~+1V，
step 為 0.01V，去量測其電流值，以電壓為橫軸、電流位縱軸做圖， 約 1.17MΩ ，電阻率為 15.52Ω cm(圖 4-8、9)，電阻率(resistivity)、導 電率(conductivity)，關係式為:
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ρ
is the static resistivity (Ω -cm);R
is the electrical resistance of a uniform specimen material (Ω );is the length of the piece of material (cm);
A
is the cross-sectional area of the specimen (cm²).σ is the Electrical Conductivity (S·cm-1)
4-1-1 兩點式電極之電性數據分析
上一節皆為各樣品所量測到的最佳電性，而且我們的電性與他人用 水熱法生長之氧化鋅所量測到的最佳電性可相提並論[4.1]，值得一提 的是，PURE 的電性範圍約在 0.636~0.1Ω cm，樣品 A 電性範圍約在 0.6~0.126Ω cm，樣品 B 電性範圍約在 25~63Ω cm，樣品 C 電性範圍約 在 15.52~150Ω cm，每個樣品的電性落點都約在同一級數(oder)，而造 成同樣品的電性差距歸咎於 ZnO 本身結構上的缺陷濃度的不同，如 oxygen vacancies 和 Zn interstitials，而造成載子濃度的改變，雖然最佳 的電性樣品 C 看似比樣品 B 量測到的更好，但由於樣品 C 成功量測 到歐姆接觸(Ohmic contact)比樣品 B 還多(樣品數 C:樣品 B 為 10:5)所以 樣品 C 有更好的機會去量測到更佳的電性，但樣品 B 與樣品 C 電性 都在同一級數，電性也應該是差不多的，而樣品 PURE 與樣品 A 也被
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66 量測電壓差，等於是以Sweep Current的方式量測. 電流從KEITHLEY 6430流到電極1，流過氧化鋅之後，再經由電極4流回KEITHLEY 6430，
過程中當電流流經電極2和電極3之間的奈米線時，此時KEITHLEY
67 由Wenhua Gu等人提出的Universal approach to accurate resistivity
measurement for a single nanowire方法[4.3]，是一種利用計算的方式，完 全去除掉接觸電阻，直接算出電阻率的方法.以[圖4-12]為例，一般我
68 where S is the cross-section area of the wire
所以我們只要兩兩電極去點探量測，測量出四個電阻值R13 、R14 、 R24 、R23還有一段長度L24，帶入(9)式就可求出扣除掉接觸電阻的 真實電阻率.以我製作的這個ZnO元件為例[圖4-14]
我量到的 R13 =72951Ω ， R14 =2600 Ω ，
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降溫電性量測方式是將試片放在Cryogenics Probe Station- CG-196 低溫電性量測系統， 同時將腔體保持在2*10-2torr以隔絕水氣預防結霜，
藉由Cryogenics Probe Station- CG-196系統來控制溫度，再利用兩點式 點探方式透過KEITHLEY 6430電性量測系統量測電流-電壓特性曲線.
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樣品A及B變溫範圍為80~300K(圖4-15、16、19、20)，每20K量次一次，
樣品C變溫範圍為80~240K，每15K量測一次(圖4-23、24)，以上量測到 達每個溫度點先等其樣品溫度平衡五分鐘後量測， 我們進一步探討 溫度和電阻之間的關係(Temperaturedependent Resistance)，由經驗式 (Arrhenius relation)可算出因熱而產生電子-電洞對(electron-hole pairs)所 需活化能(activation energy)大小.以ln R 對1/T作圖，符合thermally activated transport mechanism，其關係式: R=R0exp(EA/kbT)，其中R0是T=∞
時的電阻(Resistance)，Ea是(thermal activation energy for conduction)，
k
是波茲曼常數(Boltzmann’s constant)，T為絕對溫度，然而我們發現，所有樣品在約160K左右時有個轉折點，導致斜率不只一條(圖4-17、21、
25)，說明了導電機制可能不只一種，在尋找一些參考文獻後，發現 這可能是hopping所造成的，在低溫中氧化鋅的hopping傳導機制裡有可 能是近鄰跳躍(NNH)[4..4,4.5]、Mott 變程跳躍(Mott VRH)[4.6,4.7]
Efros-Shklovskii 變程跳躍(ES VRH)[4.8]，若是NNH的導電機制:
Rh
(T ) R
h 0 exp( )所以依然可以在ln(R)對1/T作圖，,而得到線性之關係。
若是Mott VRH:
R M
(T ) R
M 0 exp( )1/(d+1)d代表維度，在觀察文獻裡，多以三維為主，故用ln(R)對T-(1/4)可得到線
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compensating acceptors和ionized donors使得隨機庫倫場提高，造成施子 能階分散進雜質能帶，接著雜質能帶在分裂為較高的雜質(D-)能帶和 較低的雜質(D)能帶(圖4-27)，前者由neutral donors生成，而後者由singly charged donors生成，而造就了氧化鋅在不同溫度下有不同的傳導能
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量。
但由於受限於機台之可到達之最低溫，我們無法看到第三段斜率之 存在(E3)，且在更低溫，或許會改變其傳導機制，有此可知，在低溫 中其傳導之複雜和不可預測性，我們所量測到的樣品A：E1=27.26meV, E2 =7.37meV9(圖4-18)，樣品B:E1=33.67, E2=10.7meV(圖4-22)，樣品C:
E1=32.6meV, E2=13meV(圖4-26)，量測到的E1比E2大(表4-2)，符合公式 Freezing Stage控溫載台上，藉由Linkam TP94 Temperature Programmer
73 activated transport mechanism所量得的活化能為22.62meV，和低溫所量 到的27.26meV相差不遠，表示活化能實驗具有再現性，且在160k以上 確實是以熱活化傳輸，因此只做一組樣品。
4-4 探討氧化鋅奈米柱表面之氧吸附及脫附
我發現，當樣品一做完製程坐第一次量測後，放置約莫過兩三個禮
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拜，電阻會慢慢的上升，於是我們做了一個實驗，我們將4-1所提到 的樣品C放置在空氣中約過三個禮拜再次量測，發現電阻率由15.52上 升到116Ω cm，在多放置一天後，發現電阻率又上升到126Ω cm(圖4-32)，
這有可能奈米柱表面的氧吸附之關係，氧化鋅奈米柱表面可能同時保
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圖4-2 Pure 之SEM 圖
圖4-3 Pure 之I-V Curve
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圖4-4 樣品A 之SEM 圖
圖4-5 樣品A 之I-V Curve
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圖4-6 樣品B 之SEM 圖
圖4-7 樣品B 之I-V Curve
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圖4-8 樣品c 之SEM 圖
圖4-9 樣品C 之I-V Curve
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圖4-10單根ZnO奈米柱之四點式點探電性量測示意圖
圖4-11 兩點量測與四點量測之電流電壓曲線
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圖4-12 點探量測時的電壓與電阻情形
圖4-13 利用四點式電極量測單根奈米線
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圖4-14 四點式單根ZnO奈米線量測元件之電極編號
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圖4-15 降溫量測的樣品A
圖4-16 樣品A之降溫電流電壓特性曲線圖
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圖4-17 樣品A之lnR對1/T作圖
圖4-18 樣品A兩段活化能之比較
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圖4-19 降溫量測的樣品B
圖4-20 樣品B之降溫電流電壓特性曲線圖
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圖4-21 樣品B之lnR對1/T作圖
圖4-22 樣品B兩段活化能之比較
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圖4-23 降溫量測的樣品C
圖4-24 樣品C之降溫電流電壓特性曲線圖
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圖4-25 樣品C之
lnR 對1/T作圖
圖4-26 樣品C兩段活化能之比較
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圖4-27 電子DOS圖，μ 為費米能階，E1為電子從費米能階(μ F)由熱激 發的方式激發至導電帶所需的能量，E2 為電子由費米能階熱激發至 較高的雜質(D-)能帶所需的能量，μ 與較低的雜質能階D非常靠近，所
以沒有畫出(E3)
圖4-28 通氮氣變溫電性量測情形
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圖4-29樣品A之升溫電流-電壓特性曲線圖與活化能圖
圖4-30 樣品A之升溫冷卻後之電流電壓特性曲線圖
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圖4-31 樣品C燒毀之SEM
圖4-32 樣品C放置三禮拜後的電性比較圖
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圖4-33 真空對樣品C之電性影響
圖4-34 Zn-rich和oxygen-rich示意圖
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93 小3%，而用Wenhua Gu等人提出的Universal approach to accurate resistivity measurement for a single nanowire方法去計算電阻比兩點量 測的大0.4%，由此可見，接觸電阻近乎可以忽略，用此種方法做