4-1 實驗架構
經過上一個章節介紹的一連串單根 V2O5電性量測元件製作流程之後，
接下來就要針對單根 V2O5奈米線的電性量測結果進行分析和討論。首先是 兩點式的電性量測結果，我會針對不同的金屬電極材料以及不同的懸浮溶 劑對電性量測上的影響作一個討論。接下來在為了得到更精確真實的單根 V2O5奈米線電阻值，儘可能避除掉接觸電阻的影響，我製作出四點式的電 性量測元件，並利用三種不同的電阻計算方式來討論分析。最後為了得知 溫度對單根 V2O5奈米線電性的影響，進行了升溫的電性量測以及量測結果 的分析討論。
4-2 兩點式電極之電性量測
VOLTAGE 的方式，得到電壓-電流數據。設定電壓從-0.5V 掃到 0.5V，掃 描的步階(step)為 0.001V，所以會得到 1001 個數據點。以電壓為橫軸、電 流位縱軸做圖：可繪出如[圖 4.2]的電流-電壓曲線圖。從 I-V curve 可以發現其圖形並不是線性的(Non-Linear)，推測是金屬與 半導體之間的接觸介面做的不好，造成電流要流過接面必須要克服很大的 接 觸 電阻 ，所 以 V2O5 奈 米 線 和 金 屬 電 極 之 間 形 成 蕭 基 接 觸(Schottky contact)。為了求出電阻，我避開 I-V curve 中間電壓很小不足以克服接觸電
389 kΩ，約為 0.39 MΩ。
此外從電阻值，可以換算出電阻率(resistivity)、導電率(conductivity)，關係 式:
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)
這根 V2O5的長度為8.9 μm，直徑約為 550 nm，電阻值為 389 kΩ，計算出
電子拉到氧原子的表面，導致氧原子表面上常常是帶負電的；因為電子被
參數分析系統來進行電流-電壓值量測。量測方式是使用兩點探針(probe)去 點探電極並以 SWEEP VOLTAGE 的方式，給予電壓並量測電流值，取得電 壓-電流數據。設定電壓從-0.5V 掃到 0.5V，掃描的步階(step)為 0.001V，所 以會得到 1001 個數據點。以電壓為橫軸、電流位縱軸做圖：繪出如[圖 4.6]
的電流-電壓曲線圖。
從電流-電壓(I-V)特性曲線圖，發現換了電極材料之後，我們成功讓圖 形變成線性(Linear)且對稱的(Symmetric)，也就是讓 V2O5 奈米線和金屬電 極之間形成了歐姆接觸(Ohmic contact)。而且經過幾次的量測計算出來的電 阻都是 6.46 MΩ，換算出的電阻率為 2.65 Ω-cm，比之前用乙醇當溶劑時的 電阻率 1.04 Ω-cm 更大，也合乎我們的預期。
[圖 4.1] 以鋁為電極，乙醇為懸浮液的單根 V2O5奈米線元件
[圖 4.2] 以鋁為電極，乙醇為懸浮液的 V2O5奈米線之電流-電壓特性曲線
[圖 4.3] V2O5感測乙醇示意圖
[圖 4.4] V2O5分子結構及可作為感測區域之位置示意圖
[圖 4.5] 以金為電極，丙酮為懸浮液的單根 V2O5奈米線元件
[圖 4.6] 以金為電極，丙酮為懸浮液的單根 V2O5奈米線之電流-電壓特性曲線
4-3 四點式電極之電性量測
自己的電性量測系統 KEITHLEY 6430，經過幾次量測下來的結果發現若電
式量測的電阻比較發現，去除掉了 50,305 Ω 的接觸電阻。
4-3-3 四點點探計算結果
一樣是利用四點式電極，還有另一種電阻量測方式，就是 2006 年由 Wenhua Gu 等 人 提 出 的 ： Universal approach to accurate resistivity measurement for a single nanowire 方法【22】，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，一般我們利
ΔR＝（R13 － R14）＋（R24 － R23），同時消掉RC3 及 RC4
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 、
4-3-4 電性量測結果討論
（四）關於 V2O5奈米線電阻率的文獻並不多，其中有一篇2000 年 由 Jorg Muster 等人發表在 Advance Material 的研究論文【15】
指出 V2O5奈米線電阻率約為2 Ω-cm，雖然是在同樣的數量級 上，但是還是比我量到的 5.65 Ω-cm 稍微小一點。我認為是因 為他的量測並沒有真的針對單一根 V2O5奈米線，而是有五根 奈米線並聯的情形 [圖 4.15]，而且他假設每根奈米線跟電極的 接觸情形相同，所以將量測到的五根並連電阻值乘以五倍，並 且將五根截面積相加，計算出電阻率後再除以五，才得到單根 V2O5奈米線的電阻率 2 Ω-cm。而且隨著不同的合成方式，奈 米線的結構也會有些許的差別，也是造成電阻率差異的可能原 因之ㄧ。
[圖 4.7] 跨接在四個電極上的單根V2O5奈米線四點式電性量測元件
[圖 4.8] 四點式單根V2O5奈米線電性量測元件，內側電極之間奈米線的長度與直徑
[圖 4.9] 四點式電性量測元件，內側電極之間奈米線的電流電壓特性曲線
[圖 4.10] 單根 V2O5奈米線之四點式點探電性量測示意圖
[圖 4.11] 單根 V2O5奈米線四點式點探量測之電流-電壓特性曲線
[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
[圖 4.14] 四點式單根 V2O5奈米線量測元件之電極編號
[圖 4.15] Jorg Muster 等人發表在 Adv. Mater.的四點式 V2O5奈米量測情形
[圖 4.16] 電極上除了我們利用 FIB 局部鍍上 Pt 去固定的 V2O5奈米線以外，還 存在有其他的奈米線及顆粒。
4-4 變溫電性及光性量測
Freezing Stage 控溫載台上，藉由 Linkam TP94 Temperature Programmer 系統 來控制溫度，再利用兩點式點探方式透過 HP4145的電阻後，將電阻對溫度作圖得到[圖 4.19 ]，我們發現當溫度上升到 277℃
where σ is conductivity of transition metal oxide Vo is a phonon frequency 導電度 σ=L/RA，where L , R and A is the length,resistance and cross-section area of NW 帶入上式簡化後可得到，ln(T/R) = (–W/k)1/T + …
所以只要將 ln(T/R)對 1/T 作圖，就可從斜率 slope = (-W/k) 計算出活化能 W＝Ea , Activation Energy
將 ln(T/R)對 1/T 作圖，得到[圖 4.20 ]。我們發現數據點大致符合公式 而呈現線性的狀態，但是斜率卻分為兩段，表示存在有兩個活化能：在低 溫 27~207℃時，活化能為 0.24 eV；在高溫 227~277℃時，活化能則變為兩 倍 0.50 eV。一般而言，每個材料都有其相對應的活化能，為什麼我們針對
變化並不是線性的，而且我們注意到在降回室溫的過程中，電阻值雖然有
現平緩的情形；這跟前幾次的量測，電阻隨溫度變化呈現類似指數函數 (exponential)的曲線截然不同。（二）室溫下的電阻是 1.7 MΩ，最高溫 247℃
時電阻只有 1725 Ω，相當於 0.0017 MΩ，相差一千倍，高達 3 個數量級之 前我們算出的活化能 0.11eV，也跟 Jorg Muster【15】等人在抽真空下降溫 量測出的活化能 0.11eV 吻合[圖 4.28 ]。
4-4-4 高解析微拉曼光譜分析
Micro Raman Spectrum 分析。相變之後的奈米線拉曼光譜[圖 4.29 ]和相變之前 V2O5 奈米線的拉曼
（vanadium trioxide）在室溫下是導體的狀態，導電度大約是 80 Ω-1cm-1，換 算成電阻率大約只有 0.0125 Ω-cm，這就可以解釋為什麼 V2O5奈米線相變 之後，電阻會變小了。
補充說明:因為 V2O3並不是一個好的Raman scatterer【26】，所以從文獻上 找不到明顯完整的拉曼光譜，造成比對上的困難，所以我直接針對一樣由 交通大學應化系李積琛實驗室合成的 V2O3 奈米線去做拉曼光譜分析[圖 4.31]，作為訊號比對的依據。另外，溶劑、電極、基板的訊號，除了將文 獻上可以找到的資料拿來做比對之外，也透過實驗量得拉曼光譜來對照文 獻上查不到的訊號。而且，從文獻上得知在 V2O5 和 V2O3的相轉換之間還 可能存在有其他的過渡氧化態，例如 V6O13 、V4O9 、V5O9 、VO2…等等，
所以量測出來的光譜才會呈現出很複雜的情形。在這些氧化態的拉曼光譜 中，我們也找到了 VO2的訊號，所以其他的未知的訊號推測可能是來自其 他過渡的氧化態所造成。
4-4-5 變溫量測結果討論
第二次變溫量測，在活化能開始變化（開始相變）之前的活化能是 0.12 eV，比第一次量測時的 0.24eV 還低，我認為是前一次相轉換形成的 V2O3
所造成的貢獻。
通氮氣下的變溫量測，一開始的活化能是 0.11eV，跟文獻中【15】量 到的值相同；207℃之後的活化能高達 3.34eV，表示相變相當劇烈，是前兩 次量測沒有出現過的，也再度符合我們認為氮氣下較有利於相轉變的推 論。最後在降溫時，活化能只有 0.03eV，也展現出 V2O3優異的導電性。
[圖 4.17] 開放式變溫電性量測情形
[圖 4.18] 第一次變溫電性量測之 V2O5奈米線
[圖 4.19] 第一次變溫電性量測，不同溫度下的電流-電壓特性曲線
[圖 4.20] 第一次變溫電性量測之電阻對溫度作圖
[圖 4.21] 第一次變溫電性量測 ln(T/R)對 1000/T 作圖
[圖 4.22] 第二次變溫電性量測，不同溫度下的電流-電壓特性曲線
[圖 4.23] 第二次變溫電性量測之電阻對溫度作圖
[圖 4.24] 第二次變溫電性量測 1000/T 對 ln(T/R) 作圖
[圖 4.25] 通氮氣變溫電性量測情形
[圖 4.26] 通氮氣變溫電性量測之單根 V2O5奈米線
[圖 4.27] 通氮氣變溫電性量測之溫度對電阻作圖
[圖 4.29] Jorg Muster 等人在抽真空下降溫量測 V2O5奈米量之電阻對溫度作圖及活 化能計算
[圖 4.30] 氮氣下變溫電性量測之後，奈米線之拉曼光譜訊號
[圖 4.31] 變溫電性量測前，V2O5奈米線之拉曼光譜訊號
Raman peak (cm-1) Assignment 117 Acetone（by experiment）
143 V2O5 ( V-O-V sym-related stretch) 251 V2O3（by experiment）
271 Gold electrode (Au ,by experiment）
387 VO2 (Ag mode)
437 Ethanol (C-C-O in-plane bend)
520 Si substrate (Si)
689 V2O34+ (V-O-V) 908 ACE (C-C stretch) 1008 V2O34+ (V=O)
[表 4.1] 氮氣下變溫電性量測之後，奈米線之拉曼光譜訊號與對應的意義
[圖 4.32] 直接量測 V2O3奈米線之拉曼光譜訊號
[圖 4.33] VO2之拉曼光譜訊號
[圖 4.34] 直接量測金(Au)電極之拉曼光譜訊號
[圖 4.35] 直接量測溶劑丙酮之拉曼光譜訊號