II-VI 族稀磁性半導體中的氧化鋅(ZnO)參雜鈷材料由於具有室溫鐵磁性的 性質[12]，因此擁有發展成自旋電子學元件的潛能。而氧化鋅經由重參雜可以形 成透明的導體性質使其被預期能被廣泛的運用在光電子學的材料上，譬如太陽能 電池，氣體感測元件和微機電元件等等。由於氧化鋅參雜鈷的奈米線磁性機制複 雜，所以許多參數都會影響到奈米線本身的磁性變化，像是參雜鈷的濃度，奈米 線本身的缺陷，直徑以及長度均會造成影響。
3-3-1 參雜鈷濃度以及缺陷與磁性的關係[13][14]
在 W.B.Jian 的論文中，以離子佈值方法(Ion Implantation)將不同濃度的鈷打 入氧化鋅奈米線中。並利用EDS 分析鈷與鋅之間的比率來定義 Zn1-xCoxO 之中 的成分比例。譬如以每平方公分有1×1016-個鈷離子的濃度對氧化鋅奈米線作離 子佈值可以得到Zn0.98Co0.02O 樣品。為了確定磁性來源不會來自於鈷本身第二相 的形成因此利用高解析穿透式電子顯微鏡(HRTEM)以及 X 射線能譜儀(EDS)加 以確定鈷均勻分布在氧化鋅奈米線之中［圖3-3-1-1]。再利用量子超導干涉儀量 測奈米線的各種性質，圖3-3-1-1 為以不同鈷和鋅比例的 Zn1-xCoxO 奈米線作溫 度與磁力的倒數關係可以發現奈米線具有順磁性且極為符合居禮定律。當奈米線 中的鈷濃度增加時順磁性的行為越明顯。
圖 3-3-1-1
右上圖右側為 Zn1-xCoxO 穿透式電子顯微鏡影像，右側為 成分解析影像。下圖為不同的 Co 離子濃度在 1000Oe 的磁場下，
其磁場倒數和溫度的關係圖。
[13]
若將Zn1-xCoxO 的 Co 離子取出，發現 Co 離子所造成的效應會是 Co=2理想值(4.8μB) 的一到兩倍，那是由於對於樣品體積計算的不確定性所導致。
由於離子佈值方法是利用高能量將鈷離子直接打入氧化鋅奈米線中，因此通 常離子佈值後的奈米線結構都會有很多缺陷(defect)存在。離子佈值會造成兩種 缺陷，第一種是奈米線成長方向的變異，圖3-3-1-2(a)的掃描式電子顯微鏡影像 可以看出離子佈值過的Zn0.89Co0.11O 奈米線在結構上均會造成彎曲的型態，並造 成晶格排列的方向改變。第二種缺陷是因離子佈值方法破壞奈米線上的結構所造 成的缺陷。圖3-3-1-2(b)為 Zn0.89Co0.11O 奈米線的高解析穿透式電子顯微鏡影像，
可以發現每一個三角形均標示了奈米線上的缺陷。且如果離子佈值進入氧化鋅奈 米線的鈷濃度越大，則奈米線上的缺陷也會越多。為了進一步探討缺陷對於奈米 線磁性的效應，因此利用退火的方式經由原子的重新排列將奈米線的缺陷修補。
圖3-3-1-3 說明以不同濃度的鈷離子佈值入氧化鋅奈米線所造成的缺陷數，可以 清楚的看出奈米線上缺陷的數量會隨著鈷離子濃度的增加而增加。但是經過退火 過程後，奈米線的缺陷數都可以減少到同一個數目。且彎曲的程度也會縮小。
圖 3-3-1-2
圖(a)離子佈值後的 Zn0.89Co0.11O 掃描電子顯微鏡影像，其中奈米線均呈 現彎曲狀態。
，圖(b)奈米線 TEM 影像，奈米線上三角 形標示的地方均為結構上的缺陷。[14]
將退火過的 Zn1-xCoxO 奈米線經由超導量子干涉儀(Squid)可以發現奈米線出 現鐵磁性的性質[圖 3-3-1-4]，但是卻也發現若在一大氣壓氬氣的環境下將奈米線 退火處理後所量測出的磁滯曲線線遠小於在超高真空環境下做退火處理的奈米 線。且在超高真空環境下退火的奈米線在室溫時仍可維持鐵磁性的性質，但是在 一大氣壓氬氣的環境下退火的奈米線ㄧ旦超過10K 溫度鐵磁性便立刻消失。但 是從高解析穿透式電子顯微鏡觀察不同的退火環境的奈米線並沒有發現結構不 同的地方。
而在圖3-3-1-4 中也可以看出當鈷離子佈值濃度越高，退火後所量測的磁滯曲線 也越高，這是由於越多的鈷離子被植入奈米線上則鐵磁性磁區的提升也相對增加
圖 3-3-1-3
圖(a)為奈米線的缺陷數目和鈷離 子濃度的關係。圖(b)為奈米線的彎 曲程度和鈷離子濃度的關係。兩者均 可以經由退火的過程將缺陷程度降 低。[14]
圖 3-3-1-4
圖(a)離子佈值過後未經過退火 (方格)，在氬氣環境下退火(圓)，
在高真空環境下退火(三角)的在 2k 溫度下的Ｍ－Ｈ圖.圖(b)以各 種鈷離子濃度的氧化鋅奈米線在 2K 溫度下所量測的Ｍ－Ｈ圖。[13]
。為了進一步研究退火對於奈米線的鐵磁性質所造成的影響，於是將真空退火後 的奈米線再以氧氣或是氬氣做第二次的退火，並重新量測奈米線的磁性。可以發 現在一大氣壓的氬氣環境下做第二次退火後奈米線的磁性以及居禮溫度並沒有 改變。但是以氧氣對奈米線作二次退火後發現不但奈米線的磁滯曲線縮小，連磁 化強度也減弱[圖 3-3-1-5]。這指出了氧元素對於奈米線的磁性性質扮演了重要的 角色。很有可能是由於第一次的高真空退火產生了許多氧的空缺，而氧的空缺也 導致了奈米線上電子濃度的增加，使得奈米線磁滯曲線和磁化強度的增強，而利 用氧氣對奈米線作退火處理後氧的空缺被氣體中的氧氣填滿了，使得原本增加的 電子濃度減少，奈米線的磁滯曲線和磁化強度也相對的減弱了。
圖 3-3-1-5
將高真空退火過的奈米 線以氧氣的環境做二次退 火，可以發現奈米線的磁 滯曲線與磁化強度均較未 經過二次退火的奈米線 小。[14]
3-3-2 氧化鋅奈米線參雜鈷的易軸方向[15]
J.B.Cui 利用電沉積的方式分別做出參雜鈷以及參雜鎳的氧化鋅奈米線。製 程方式是先將10mmol 的[Zn(No3)2．6H2O]，10mmol 的[C6H12N4]以及 0.2mmol 的[C0(No2)3‧6H2O]加入 200ml 的去離子水混合並將混和液在外加-0.8V 電壓的 矽基板表面上加熱到90°C 形成參雜鈷的氧化鋅奈米線。如果將[Ni(No2)3‧6H2O]
溶液取代[C0(No2)3‧6H2O]溶液並利用相同的程序就可以形成參雜鎳的氧化鋅 奈米線。
在外加電壓-0.8V 以及電流密度大約 1mA/cm2的條件下奈米線成長的速率為每小 時1-3um，精確的成長速率要視溶液中參雜的程度而定。圗 3-4-1 為以-0.8V 成長 奈米線兩個小時的情形，在圖3-4-1(a)和圗 3-4-1(b)中可以看出奈米線垂直排列在 基板上方，且直徑為100~200nm 以及長度達 3um。並對鈷參雜和鎳參雜奈米線 做X 射線能譜儀分析，可以從 6.94kev 以及 7.47kev 找到微弱的訊號，這分別是 鈷和鎳的光譜訊號。並將得到的訊號對應鋅和氧的比例求出奈米線的參雜濃度，
可以得到參雜鈷奈米線上鈷的濃度為1.7﹪，參雜鎳奈米線上鎳的濃度為 2.2﹪。
圖 3-4-1
(a)為參雜鈷奈米線 SEM 影像 (b)為參雜鎳奈米線 SEM 影像。
(c)為參雜鈷與參雜鎳奈米線的 X 射線光譜儀所得到的成分分 析。[15]
現在以成長的時間作為參數，並分別以平行和垂直奈米線易軸(easy axis)的 方向加入磁場測量奈米線的M-H 圖[圖 3-4-2]。一般而言，MR∥以及MR⊥的強度 比例取決於奈米線上易軸的方向，若易軸傾向平行於奈米線則MR∥／MR⊥>1。
從圖3-4-2 的(a)，(b)，(c)中可以發現當成長時間越長則整體的矯頑力就越小，且 MR∥ 以及MR⊥的強度比例就越小。圗(d)為 MR∥ ／MR⊥與成長時間的關係，可以 清楚的看到成長時間較短的奈米線，其易軸方向平行於奈米線。而成長時間較長 的奈米線，易軸方向就傾向垂直於奈米線。這是由於成長的奈米線均垂直於表 面，若將奈米線看做是一磁偶極，因此雖然奈米線本身的易軸方向為平行於奈米 線。但在奈米線長度較短的情況下，奈米線和奈米線之間會彼此影響使得易軸方 向垂直奈米線。並可
以用下面公式做粗略的估計：
Ｈe=2πMs- 3
* 2
3 . 6
D L r πMs
圖 3-4-2
參雜鈷的氧化鋅奈米線以(a)50 分鐘(b)90 分鐘(c)120 分鐘的成長時間分別做垂直 與平行奈米線的 M-H 圖。圖(d)為 MR
∥/MR
⊥與成長時間的關係。[15]