3-1 化學氣相沉積法
化學氣相沉積法(CVD, Chemical vapor deposition)是一種廣泛被 用來製作高純度固態材料的技術，其是利用化學氣體或是蒸氣和晶圓 的表面發生反應，使得表面發生化學反應並沉積出高品質的薄膜。透 過調控適當的溫度、壓力、氣體流量或氣體混和的比例可以產生不同 形態的薄膜。而過程當中常常會伴隨著一些副產物的出現，不過通常 都會隨著氣流被帶出腔體。化學氣相沉積法是目前為止最廣泛用來成 長高品質石墨烯的方法，本實驗也是利用化學氣相沉積法在銅箔上催 化成長高品質的石墨烯，成長的機制如圖 3-1 所示。[37]
我們實驗室使用的高溫爐型號為 Lindberg/Blue M, TF55035A 最 高溫可達 1100oC，反應腔體為長 80 公分，外徑 26mm、內徑 22mm 的石英管柱。管線上則採用不銹鋼管搭配氣體流速計(（Mass Flow
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Controller readout,PROTEC PC-540)控制氣體的流量，最後在管柱的末 端裝上真空度感應器(VACUUM GAUGE CONTROLLER, PROTEC PC-165)監控整個腔體的壓力。藉由調控氣體流速和壓力去成長出高 品質的石墨烯，整個實驗裝置如 3-2 所示。
圖 3-1 銅箔催化成長石墨烯的機制。[39]
(1)碳源(甲烷)吸附在銅箔表面並解離形成活化的碳源物種(CHx<4)s。 s 表示其為吸附在銅箔表面上，而非氣態的分子。
(2)在高溫的環境下活化的碳源物種在銅箔表面進行擴散以及脫附。
(3)碳原子在銅箔上的活化位置成核並擴張成長成石墨烯薄膜。
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圖 3-2 化學氣相沉積法成長石墨烯裝置。
3-2 靜電產生及量測裝置
靜電是一種物理現象，在天氣乾燥的時候非常多見，一般的情況 下，透過接觸、摩擦都會產生靜電。我們實驗室所使用產生靜電的裝 置為：點狀式放電棒（Simco Pinner Applicator）、智慧型靜電產生機
（Simco-Ion）、靜電量測器（Simco FMX-003），如圖 3-3 所示。智慧 型靜電產生機是採用直流高週波電壓產生高穩定電壓輸出，藉由調控 電壓的輸出大小，搭配點狀式的放電棒，即可產生電荷。我們實驗室 的靜電產生器輸出電壓介於 8kV~18kV 之間，在使用的過程中，周圍 盡量保持乾燥，並將金屬物質盡量遠離尖端放電棒，放電棒和欲施加
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靜電的物體距離約 2 公分左右。我們藉由靜電產生器所產生的靜電力 去吸附已經有成長石墨烯在表面的銅箔，接著將銅箔利用蝕刻液去除 後，得到石墨烯於我們的目標基板上。另外，我們也使用靜電量測器 去測量各種不同情況下靜電累積以及消散的情況。
圖 3-3 靜電量測器以及靜電產生裝置
3-3 掃描式電子顯微鏡
掃描式電子顯微鏡(SEM,Scanning Electron Microscopy)主要是用 來觀察物體表面型態的儀器，其試片製作相對簡單，一般 SEM 有效 放大倍率可以從十倍到五萬倍，大概可以觀察到奈米等級的尺度，恰 好位於光學顯微鏡和穿透式電子顯微鏡之間，而且景深長，所以在觀 察材料的表面形貌上非常清晰而且容易。目前 SEM 被廣泛應用在化
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37 分為三種操作模式：接觸式（Contact mode）、非接觸式(Non-contact Mode)與敲擊式(Tapping mode)。
我們所適用的儀器型號為 Veeco diInnova，如圖 3-4 所示。在量
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鑑定石墨烯表面的清潔度。
圖 3-4 原子力學顯微鏡
3-5 拉曼光譜儀
拉曼光譜儀(Raman spectroscopy)由雷射提供的入射光與分子作 用後，電子會由基態躍遷到一個虛擬態(virtual state)，但分子隨即以 散射(scattering)方式釋出能量。此釋出的能量若等於入射光的能量回 到原來的能階態，則此散射光稱為 Rayleigh scattering。 若散射光能 量不等於入射光的能量，則為 Raman scattering，其中散射光能量減 少的稱為 Stokes scattering，能量增加的則稱為 anti-Stokes scattering。
拉曼光譜是直接量測分子結構的振動光譜，可對物質進行定性認證。
物質結構的任何微小變化會非常敏感反映在拉曼光譜中，因此可用來
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研究物質的物理化學隨結構的變化等各方面性質。我們實驗室所使用 的光譜儀為 HORIBA iHR550 spectrum 搭配 Symphony CCD 偵測器，
其光源系統為 632.8 氩-氖雷射光，如圖 3-5 所示。
我們主要是利用拉曼光譜來鑑定石墨烯的完整度以及層數的多 寡。石墨烯在拉曼光譜中主要有三個特徵峰，分別為 D band
（Disorder-induced band）、G band（Graphite-like band）以及 2D band
（Second order of D band）。D band 大約落於 1350cm-1，是表示石墨 烯本身是否在材料上具有缺陷，通常如果 D band 強度越強，我們會 將其視為石墨烯越不平整且越破碎；G band 大約落於 1580cm-1，可 以做為碳-碳原子之間是以完整的 SP2互相鍵結的指標，如果強度越 強，表示石墨烯的品質越好。在所有的碳材中都可以觀察到，而且 G band 會受到層數以及摻雜的影響而有所位移；2D band 則大約落在 2700cm-1的位置，從 2D band 的強度和 G band 的強度比可以得知石 墨烯的層數多寡，通常 IG/I2D < 0.5 時，我們將其視為單層石墨烯；
IG/I2D =1 時，則視為雙層石墨烯；若是 IG/I2D >1 時，我們則視為多層 的石墨烯。
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圖 3-5 拉曼光譜儀
3-6X 射線光電子光譜儀
X 射線光電子光譜儀(X-ray Photoelectron Spectroscopy)是用 X 射 線作為光源，當照射到材料表面的時候，內層能階的電子被激發出來，
藉由分析這些電子的訊息來得之材料表面的元素組成以及化學性質。
XPS 通常可以得到材料表面約 1~5 奈米深的所發射出來的光電子能 量分布，進而得到 X 射線光電子光譜。因為原子所處的化學環境不 同，所以會使得束縛能有所不同，進而影響激發出的光電子的能量，
透過這些資訊我們可以分辨出不同化學環境下的原子以得知材料表
41 是使用 KEITHLEY INTEGRA SERIES 2700 multimeter/data acquistion system，搭配 probestation 試片載臺，彼此的探針尖距約 1mm，探針 頭為鎢針，如圖 3-6 所示。本實驗的目的主要是要以石墨烯作為透明 導電電極去取代傳統的氧化銦錫薄膜，因此透過四點探針所得到的片 電阻值對我們而言是一個相當簡便而且非常快速可以鑑定出我們的 石墨烯品質優劣的指標，但是由於四點探針在量測時必頇對石墨烯表 面下壓一個固定的壓力，為了避免對材料造成破壞，所以我們會盡量
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量測材料的邊緣而且在做成元件以後就不會再作此量測。
圖 3-6 四點探針量測裝置
3-8 紫外光/可見光/近紅外光光譜儀
紫外光/可見光/近紅外光光譜儀(UV/VIS/NIR Spectroscopy)為一 種吸收光譜，近年來在物理、光電、電子製程、光學元件、化學分析 及線上監測等皆有許多的應用。其主因為 UV 具有非破壞性、無污 染、快速、信號清析等優點。其工作原理是因為當光照射到材料上時，
分子中的電子會吸收特定波長的光而從基態(ground state)躍遷至激發 態(excited state)，造成偵測器所接收到的光和光源所發出的光在某些
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波段的強度有所落差，記錄吸收光的強度對波長的圖譜極為所得到的 紫外光/可見光/近紅外光光譜。透過吸收光的公式：A = log𝐼𝐼0 =
−log T，A 為吸收度；I0為入射光強度；I 為穿透光強度；T 為穿透度，
我們可以量測出石墨烯的層數，根據理論計算以及實驗都證明出一層 的石墨烯約會吸收 2.3%的可見光，如圖 3-7，所以透過量測光線的吸 收度可以推得石墨烯的層數。在本實驗裡，我們所使用的光譜儀為 Jasco V-570 UV/Vis/NIR Spectrophotometer，如圖 3-8。此分析光譜儀 具有 2 個激發源，在掃長波長時（≥850nm），使用的燈源為鹵素燈；
在掃短波長時（<850nm），則會切換為氘燈（Deuterium lamp）。
圖 3-7 石墨烯吸收可見光的情形。[9]
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圖 3-8 紫外光/可見光/近紅外光光譜儀
3-9 真空熱蒸鍍機（Vacuum Thermal vaporation）
蒸鍍是一種在高真空的環境之下，將要蒸鍍的材料放在鎢舟中利 用電阻或是電子束加熱至材料融化的溫度，再使原子蒸發達到基板上 並附著於基板表面上成膜的一種技術。因為在極低壓下物質的蒸氣壓 相對的增加，且又因腔體近乎真空，氣體分子不易和環境發生反應，
可以得到一致性佳且純度高的薄膜。鎢舟的成分通常都是耐高溫的鎢、
鉬、鉭或是合金為主，而薄膜的厚度則是由石英振盪片來測定，蒸鍍 速率則是由控制電流大小來決定。熱蒸鍍雖然可以得到一個相當高品
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質的薄膜，但是在使用上有一些必頇要注意的條件，在熱蒸鍍的過程 中，對於材料成分上的控制比較不容易，因為在加熱蒸發的過程當中 材料有可能會發生分解的情況，導致蒸鍍上去的薄膜成分並不精確。
我們實驗室所食用的蒸鍍機如圖 3-9 所示。
圖 3-9 真空熱蒸鍍機。
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3-10 旋轉塗佈機(Spin coater)
旋轉塗佈是一種液相的成膜方法，而且相當快速且方便，所得到 的薄膜相當均勻，因此被廣泛應用在半導體以及化工材料的薄膜製備 上。其是工作原理是先利用真空幫浦將基板固定於旋轉軸心上，接著 將材料均勻塗佈於基板上時，調整適當的旋轉速度以及旋轉時間使得 溶液因為離心力的關係平均的成膜在基板表面上。我們實驗室所使用 的旋轉塗佈機如圖 3-10 所示。
圖 3-10 旋轉塗佈機。
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3-11 發光量子效率測試裝置
本 篇 中 我 們 使用 發 光 量 子 效 率 測式 裝 置 (OLED luminescence efficiency measurement system; EL)來測量元件的發光特性。儀器的原 理由直流電源對元件輸入特定範圍的電壓或電流引發元件放光，並且 由輝度儀來偵測固定面積中的發光強度，再由系統分析元件的光色、
外部量子效率等等數據。裝置如圖 3-11 所示。
實驗中所使用的輝度測量裝置為 PRECISE GAUGES 公司所生產 的 EL1003，如圖 3-12 所示。該儀器通過一次電壓、電流的掃描來對 光電元件進行電激發光的偵測，可以一次性的對多個測試項目(電壓、
電流密度、輝度、角度分布、發光光譜、色度座標等等)同時進行測 量和同步解析，不需顧慮由於樣品重複發光引起的材料劣化。
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圖 3-11 發光量子效率測式裝置示意圖。
圖 3-12 發光量子效率測式裝置 螢幕
系統電腦
直流電供應器 暗
輝度儀 箱
49 層的 HOMO，目前最常用的材料為 ITO；第二，發光層(Emission layer)。
發光層是元件發光的主要位置。當電子電洞在具有發光特性的有機物 以及磷光發光材料，例如：MCP。第三，電洞或電子傳輸層(Hole or Electron transport layer,HTL or ETL)。透過電洞或電子傳輸層的調控，