本實驗樣品為摻雜釤離子氧化鋅薄膜及單層過渡金屬硫屬化合
物MX
2
(M = Mo, W；X = S, Se)薄膜。摻雜釤離子氧化鋅薄膜由國立 臺灣師範大學駱芳鈺教授團隊提供，單層過渡金屬硫屬化合物薄膜由 阿布杜拉國王科技大學李連忠教授團隊提供。4-1 樣品製備
摻雜釤離子之氧化鋅(ZnO)
1-x
(Sm2
O3
)x
薄膜，x = 3,5,8,10，由脈衝 衝雷射沉積法製備。首先，將高純度(99.999%)之氧化鋅粉末以及高純 度(99.999%)Sm2
O3
依照所需比例混和，使用模具壓錠後送入 1050℃加熱爐烘烤燒結成靶材。於沉積腔體內，放置 c-plane 藍寶石基板平 行於靶材兩者距離5 公分。將槍體抽真空，真空度為 8 × 10
-7
mbar。並通入氧氣維持氧氣壓力為3 × 10
-1
mbar。使用 Nd:YAG 雷射以 10Hz，功率25mJ，入射角 30˚轟擊靶材，最後個樣品沉積厚度皆為 150 nm。
最後樣品沉積後，在真空下，對樣品進行650℃熱退火 30 分鐘，接著 在通入氧氣進行熱 650℃熱退火 30 分鐘。表 4.1.1 為製程參數表。
單層 MoS
2
、MoSe2
、WS2
及WSe2
薄膜製備皆使用化學氣相沉積 法製程。單層 MoS2
以及 MoSe2
薄膜的製備[36,37]:將硫(S)粉末或是 硒(Se)粉末船型石英容器放置於爐管前端(靠近進氣口)，將裝有 MoO3
55
粉末之船型陶瓷容器放置於熱爐管中心，藍寶石基板面朝下至於 MoO
3
粉末旁。並通入氬氣和氫氣，加熱爐管中心速率分別為 25℃/min (MoS
2
)與 15 ℃/min (MoSe2
)，當溫度達到 650 ℃後，維持此溫 度 20 分鐘，使爐子自然地冷卻至室溫。單層 WS2
以及 WSe2
薄膜的 製備[38,39]:將硫(S)粉末或是硒(Se)粉末船型石英容器放置於爐管前 端(靠近進氣口)，將裝有 WO3
粉末之船型陶瓷容器放置於熱爐管中 心，藍寶石基板面朝下至於 WO3
粉末旁。於 WS2
的製備過程通入氮 氣；WSe2
的製備過程通入氬氣、氮氣以及硒蒸氣。加熱爐管中心速 率為25 ℃/min 至 650℃ (WS2
)或是 950℃ (WSe2
)，維持此溫度 20 分 鐘，使爐子自然地冷卻至室溫。56
4-2 樣品特性
圖4.2.1 為摻雜不同濃度釤離子氧化鋅薄膜 X 光繞射光譜圖，我 們在 2θ = 34.5°觀察到一明顯的繞射峰，對應為氧化鋅(0 0 2)面繞射
峰，此峰值位置隨著摻雜濃度的提升而往高角度偏移，於5 %摻雜之
樣品達最高角度 2θ = 34.95°，且之後隨摻雜濃度上升角度逐漸下降。
表 4.2.1 為對應釤離子摻雜濃度之氧化鋅(0 0 2)繞射峰值位置及 c-軸 晶格常數。
圖 4.2.2 為溫度 5 K 摻雜不同濃度釤離子氧化鋅薄膜的磁滯曲線，
我們可以觀察到所有數據呈現 S 形曲線，沒有磁滯現象，表示所有樣
品皆為順磁性。在摻雜5%釤離子的樣品中，有最高的磁化率。
圖 4.2.3 為溫度 20 K 摻雜不同濃度釤離子氧化鋅薄膜的光激螢 光光譜，圖中截斷之位置為激發雷射之頻率位置。我們可以觀察到大 約在3.3 eV 之峰值為能隙的發光，2.5 eV 的發光對應缺陷的發光，整 體發光強度隨摻雜濃度上升而增加。
2012 年，Y. H. Lee 等人[36]成長單層 MoS
2
薄膜於 SiO2
/Si 基板 上，並量測其電子傳輸與光學特性。圖 4.2.4 為 1 至 3 層 MoS2
拉曼 散射與光激螢光光譜，677 nm 及 627 nm 之發光分別對應 A，B 激子，兩者的強度接隨著層數上升而下降，此現象為單層的MoS
2
為直接能 隙隨著層數上升轉變為間接能隙。圖 4.2.5 為高解析度穿透式電子顯57
微鏡圖，內插圖為[001]方向之電子繞射圖，顯示其晶格結構為六方晶 系結構，(100)與(110)晶格間距為 0.27 nm 與 0.16 nm。圖 4.2.6 為單層 MoS
2
之傳輸曲線，電流開關比為105
，載子漂移率為0.02 cm2
/(V‧s)，I
d
低谷位於‐84V，顯示單層 MoS2
為n-type 半導體。2014 年，Y. H. Chang 等人[37]成長單層 MoSe
2
薄膜於c-plane 藍 寶石基板上，並量測其電子與光學特性。圖 4.2.7 為單層 MoSe2
薄膜 之光激螢光光譜，793 nm 之螢光對應於 A 激子。圖 4.2.8 為高解析度 穿透式電子顯微鏡圖，顯示其晶格為六方晶系結構。圖 4.2.9 為 MoSe2
雙層電晶體(electric double-layer transistors)在 p-channel 以及 n-channel 之輸出特性圖，內插圖為其傳輸曲線，顯示MoSe
2
為 n-type 半導體，電流開關比大約為 10
4
~105
，電子及電洞之漂移率為 23 cm2
/(V‧s)和 15 cm2
/(V‧s)。2013 年，Y. H. Lee 等人[38] 成長單層 WS
2
薄膜於 SiO2
/Si 基板 上，並量測其電子傳輸與光學特性。圖 4.2.10 為單層 WS2
之光激螢 光光譜，633 nm 之螢光對應於 A 激子。圖 4.2.11 為高解析度穿透式 電子顯微鏡圖，顯示(100)與(110)晶格間距為 0.27 nm 與 0.16 nm。圖 4.2.12 為單層 WS2
之傳輸曲線以及輸出特性，顯示 WS2
為 n-type 半 導體，電流開關比大約為105
，載子漂移率為0.01 cm2
/(V‧s)。2014 年，J. K. Huang 等人[39] 成長單層 WSe
2
薄膜於c-plane 藍58
寶石基板上，並量測其電子傳輸與光學特性。圖4.2.13 為單層及雙層 WSe
2
之光激螢光光譜，760 nm 之螢光對應於 A 激子，當層數為雙層 時，峰值紅移至806 nm 且強度下降，單層 WSe2
為直接能隙，隨層數 上升，其轉變為間接能隙。圖4.2.14 為高解析度穿透式電子顯微鏡圖，顯示(100)與(110)晶格間距為 0.38 nm 與 0.33 nm。圖 4.2.15 為 WSe
2
雙層電晶體(electric double-layer transistors)在 p-channel 及 n-channel 之輸出特性圖，內插圖為其傳輸曲線，顯示 WSe
2
為 p-type 半導體，電流開關比大約為 10
4
~105
，電子及電洞之漂移率為 7 cm2
/(V‧s)和 90 cm2
/(V‧s)。59
表4.1.1 摻雜不同濃度釤離子氧化鋅薄膜製程參數。
表4.2.1 對應釤離子摻雜濃度之氧化鋅(0 0 2)繞射峰值位置以及 c-軸 晶格常數。
2θ (degree)
c (Å)
0 % Sm 34.50 5.20
3 % Sm 34.54 5.19
5 % Sm 34.95 5.14
8 % Sm 34.64 5.18
10 % Sm 34.29 5.23
Substrate temperature Oxygen pressure Oxygen flow 0 % Sm 750℃ 3 × 10
-1
mbar 3 sccm 3 % Sm 750℃ 3 × 10-1
mbar 3 sccm 5 % Sm 750℃ 3 × 10-1
mbar 3 sccm 8 % Sm 750℃ 3 × 10-1
mbar 3 sccm 10 % Sm 750℃ 3 × 10-1
mbar 3 sccm60
61
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
undoped 3%
5%
8%
10%
Intensi ty (arb. un it )
Photon Energy (eV)
圖4.2.3 溫度 20 K 之摻雜不同濃度釤離子氧化鋅薄膜光激螢光光譜 圖。感謝臺灣師範大學物理學系駱芳鈺老師提供。
圖4.2.4 1~3 層 MoS
2
拉曼散射與光激螢光光譜圖[36]。62
圖4.2.5 單層 MoS
2
高解析度穿透式電子顯微鏡圖，內插圖為[001]方 向之電子繞射圖[36]。圖4.2.6 單層 MoS
2
之傳輸曲線圖[36]。63
圖4.2.7 單層 MoSe
2
薄膜之光激螢光光譜圖[37]。圖4.2.8 單層 MoSe
2
高解析度穿透式電子顯微鏡圖[37]。64
圖4.2.9 MoSe
2
雙層電晶體(electric double-layer transistors)在 p-channel 以及n-channel 之輸出特性圖，內插圖為其傳輸曲線圖[37]。圖4.2.10 單層 WS
2
及MoS2
之光激螢光光譜圖[38]。65
圖4.2.11 單層 WS
2
高解析度穿透式電子顯微鏡圖[38]。圖4.2.12 單層 WS
2
之傳輸曲線及輸出特性[38]。66
圖4.2.13 單層及雙層 WSe
2
之光激螢光光譜圖[39]。圖4.2.14 高解析度穿透式電子顯微鏡圖[39]。
67
圖4.2.15 WSe