氣相修飾之矽奈米線

此節，我們以掃描式電子顯微鏡、光學顯微鏡、原子力顯微鏡、克爾文力顯 微鏡和化學分析電子儀，證明氣相修飾APTMS 於矽奈米線上的成功與否。

以掃描式電子顯微鏡 (scanning electron microscopy, SEM) 觀察矽奈米線的 表面結構 (圖 3-3)，依據顯微影像的結果，以氣相修飾之矽奈米線相對於液相修 飾來說，較不易產生聚積的情形且根根分明，如此的矽奈米線將有利於晶片製程 過程中，將矽奈米線在接觸轉印時，不因聚積導致矽奈米線成團。

圖 3-3 氣相與液相修飾矽奈米線之 SEM 影像。(a) 氣相修飾 APTMS 之矽奈米 線。(b) 圖 (a) 放大五倍後之顯微影像，氣相修飾之矽奈米線呈根根分明的狀態。

(c) 液相修飾 APTMS 之矽奈米線。(d) 圖 (c) 放大倍率後之顯微影像，液相修 飾之矽奈米線產生嚴重的聚積，而聚積的發生使得奈米線在接觸轉印至另一基材 上具一定的困難度。

我們亦以光學顯微鏡來觀察矽奈米線於APTMS 氣相修飾完畢後再經接觸轉 印各步驟之情形。由圖可見，以液相修飾的矽奈米線產生了嚴重的聚積現象 (圖 3-4 (b))，在經過超聲波震盪後，矽奈米線的濃密度下降 (圖 3-4 (c))，而後將其 接觸轉印於另一基材上，幾乎不見矽奈米線 (圖 3-4 (d))；同樣地，我們亦以氣

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相的方式修飾APTMS 於矽奈米線上 (圖 3-4 (f))，並接觸轉印於空白 (圖 3-4 (g)) 和含poly-L-lysine (圖 3-4 (h)) 的兩種基材上，比較兩種修飾法的結果，氣相修 飾之矽奈米線除了可避免聚積情形的發生外，其亦可輕易地接觸轉印至另一基材 上，有利於場效電晶體的製程，且含poly-L-lysine 的基材，因其表面帶電性，更 有助於矽奈米線的轉印。

圖 3-4 液相與氣相修飾之矽奈米線光學顯微影像。(a) 以 CVD-VLS 合成之矽奈 米線。(b) 液相修飾 APTMS 之矽奈米線產生聚積的情形。(c) 將 (b) 之矽奈米 線浸泡於酒精當中，利用超聲波震盪器震盪後之影像。(d) 將 (c) 之矽奈米線接 觸轉印至另一基材上之影像。(e) 於另一破片所合成之矽奈米線。(f) 以氣相修飾 APTMS 之矽奈米線仍是根根分明的狀態，沒有產生聚積的情形。(g) 將 (f) 之 矽奈米線接觸轉印至空白基材上。(h) 將 (f) 之矽奈米線接觸轉印至表面含 poly-L-lysine 的基材上，與 (g) 的結果相比較，轉印後的結果較為濃密，故含 poly-L-lysine 的基材將有助於矽奈米線的轉印。比例尺為 5 μm。

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實驗中，為比較修飾前後的差異，我們以AFM 和 KPFM 測量兩種不同的矽 奈米線。圖 3-5 (a) 和 (b) 分別為修飾後和修飾前矽奈米線之 AFM 影像圖，圖 3-5 (c) 和 (d) 則為 KPFM 之影像圖，測量結果顯示，修飾後的矽奈米線其表面 電位較修飾前約高出30 mV，這是因為 APTMS 為一帶有胺基的分子，帶有正電 性，使得矽奈米線的表面電位上升，此結果亦與文獻所得結果相符^77,78，指出在 修飾具有胺基的分子於二氧化矽材質之表面上時，會使得表面電位上升，故依據 KPFM 的量測結果，證明了氣相修飾 APTMS 於矽奈米線上是成功的。

圖 3-5 氣相修飾 APTMS 之矽奈米線 (左側) 和未修飾之矽奈米線 (右側) 以 AFM (上排) 和 KPFM (下排) 偵測之影像圖。(a & b) 以 AFM 量測修飾後與修飾 前矽奈米線的表面形狀。(c & d) 以 KPFM 量測氣相修飾 APTMS 後的矽奈米線，

因表面含有帶正電的胺基，其電位較周遭基材表面高約40 mV，而未經修飾之矽 奈米線，因表面為二氧化矽，故與基材表面不具電位差。

除此之外，我們亦以化學分析電子儀 (electron spectroscopy for chemical analysis, ESCA) 來加以證明修飾的成功與否。圖 3-6 中，比較以氣相修飾 APTMS 於矽奈米線上前、後之ESCA 圖譜的差異，結果顯示，在 APTMS 修飾完成後，

圖譜中的C1s (284 eV) 和 N1s (401 eV) 大幅增加，證明了我們可以成功地利用氣

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相修飾法修飾APTMS 於矽奈米線上。另外，我們亦比較了未修飾、修飾後和完 成熱退火步驟後矽奈米線表面N1s訊號 (401 eV) 之比例 (圖 3-7)，未修飾的矽奈 米線因表面不含APTMS，故不具有 N 元素的存在，而 APTMS 修飾之矽奈米線 經光阻塗佈、有機溶劑沖洗和高溫熱退火等製程所需步驟後，表面N1s的訊號仍 就存在著，約為APTMS 剛修飾完成時的 77 %，此結果確保了 APTMS 修飾之矽 奈米線在經過嚴峻的製程步驟後仍舊存在，不易受破壞。

依據以上的結果，證明了以氣相修飾APTMS 於矽奈米線上是成功的，且其 亦可通過bottom-up 製程技術的嚴苛考驗。

圖 3-6 ESCA 圖譜。黑色線為未經修飾之矽奈米線的結果；紅色線為以氣相修飾 APTMS 矽奈米線之圖譜訊號。依圖譜中，C1s (284 eV) 和 N1s (401 eV) 之訊號於 修飾APTMS 前後的差異，證明氣相修飾的成功。

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圖 3-7 ESCA 圖譜。藍色線為以氣相修飾 APTMS 矽奈米線之 N1s (401 eV) 圖譜 訊號；黑色線為未經修飾之矽奈米線的結果；紅色線為APTMS 修飾之矽奈米線 經製程與熱退火步驟後的偵測結果。以氣相修飾法修飾APTMS 之矽奈米線，確 實偵測出N 之訊號，且經過製程步驟後，APTMS 修飾之矽奈米線其 N1s的訊號 仍舊大於75 %，證明了氣相修飾的成功，且此預修飾之矽奈米線可經過繁複製 程步驟的考驗。

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當場效電晶體到達一特定的臨界電壓 (threshold voltage) 時，將處在「截止」

(cut-off) 的狀態，電流無法通過，此時在氧化層與半導體的介面會開始出現導電 電子層 (反轉層)，以後再增加的閘極電壓就不再用來改變空乏區的大小，而是 用來增加導電電子層的電子數目。對於p-type SiNW-FET 而言，其臨界電壓為一 正電壓，而當矽奈米線的表面修飾APTMS 分子後，因表面電荷的改變，導致其