3-1 樣品
實驗樣品是請交通大學應化所李積琛老師實驗室王偉翔同學製 作，用水熱法（Hydrothermal Method）的方式成長，製造出奈米級的 柱狀氧化鋅與氧化鋅摻鈷氧化物，製作的簡要過程如下圖：
其中HMTA為Hexamethylenetetramine或Hexamine，與含水硝酸鋅和硝 酸鈷都可溶於水。HMTA的作用在於作為奈米線氧化鋅的的晶核，從 硝酸鋅得到正二價鋅離子，成長出六角形的纖維鋅礦結構，在成長的 同時若有硝酸鈷提供正二價鈷離子，則形成摻鈷氧化鋅。藉由硝酸鈷
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比例X ％的不同，可改變鈷金屬在氧化鋅裡的濃度，製作出純氧化 鋅或不同濃度的摻鈷氧化鋅。
此種磁性材料可經由超導量子干涉儀（SQUID，Superconducting Quantum Interference Devices）得知其磁性強度(圖3-1)。SQUID 是由兩個約瑟芬元件(Josephson Junctions)以並聯方式組成，具獨特 的磁通與電壓的週期特性，用以探測磁通量量子(Magnetic Flux Quantum)，可精密測量微弱的物理量如磁場、磁化率等。由圖3-1的 M-H曲線看出樣品的殘磁量（Remanence Permanent Magnet）只有10-3 emu/g，展現的磁性非常微弱[3.1]。
而樣品的摻雜比例可由感應耦合電漿質譜分析儀（ICP-MS，
Inductively coupled plasma mass spectroscopy）分析，得知摻雜
進去的濃度，見圖表3-1。感應耦合電漿質譜分析儀是利用ICP將樣品 原子化和游離化，再經過四極質譜儀（Quadrupole Mass Spectrometer）
分離篩選出離子，最後以電子倍增器（Electron Multiplier）偵測離子
40 了電子束微影系統(E-beam lithography system)來定義、設計我的電極 圖形。
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基板使用上，選擇N型的heavily doped四吋矽晶圓，Resist
Ωcm=0.01~0.02。為了避免之後電性量測上有漏電流(Leakage Current)
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均勻。清洗基板有三個步驟 。1.將基板浸入裝有丙酮(acetone)溶液之 燒杯中，利用超音波震盪器震盪5分鐘，目的在於清洗表面的有機物 質及微小粒子。2.將基板浸入裝有異丙醇(isopropyl alcohol， IPA)的 之燒杯中，利用超音波震盪器震盪5分鐘，目的在於將破片表面殘留 的丙酮洗淨。3.將基板用去離子水(deionized water，DI water)沖洗至 乾淨，目的在於將殘留的異丙醇帶走。最後再用氮氣槍將基板上的殘
利用電子束(Els 7500 EX)來定義圖形時(圖3-7)，設定的電子加速電
43 異丙醇(IPA)、去離子水(DI Water)來清洗，最後再藉由氮氣(N2)槍 來吹乾試片，即完成金屬電極的製作(圖3-9、10)。
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3-3 介電泳動法(Dielectrophoresis)-奈米操控術[3.2]
在控制一維奈米線之位置與排列方向上，許多研究團隊已經成功的 使用多種電性、磁性上或是機械上的技巧達到操控奈米尺度物質的目 的。在本篇論文裡我使用的是介電泳動技術(Dielectrophoresis)，而該 技術有兩個主要的優點:(1)它可以在一個很短的時間內把奈米線排列 成特定方向(2)此種方法可能延伸應用到不同種類的一維奈米結構。
3-3-1 介電泳動(Dielectrophoresis)
介電泳動法(dielectrophoresis)的前身，當然就是眾所周知的「電泳」
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的微粒就會受到一份淨刂（即「介電泳動刂 (dielectrophoretic force)」），
進而造成不同程度的漂移運動。相對於電泳現象所討論的場合，這種 可極化(polarizable)的微粒在不均勻(non-uniform)的外加電場中所發 生的運動，便稱為「介電泳動」(圖3-12、13)。
應用「介電泳動」這項新技術時，我們除了必頇提供不均勻
(non-uniform)的外加電場，通常也都會利用交流的偏壓來形成交流電 場，頻率則多在射頻 (Radio frequency， RF)或微波(microwave) 的範 圍。所以我們又多了調控頻率的自由度，同時也免除了直流版本中所
46 peak to peak)來產生交流電場使得該區域內形成電場梯度，使用的是 Agilent 33220A Function/Arbitrary Waveform Genenator (圖3-15)。使得 原本不帶電的Co:ZnO奈米柱因受外加電場影響下，而 (電偶)極化，
並因此傾向於順著外加電場的方向來排列。如果外加電場的空間分佈 是不均勻的，那麼這些被（電偶）極化了的奈米線就會受到一份淨刂，
稱之為「介電泳動刂(dielectrophoreticforce)」，進而造成不同程度的
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48 概分為四種 1. 定點切割(Precisional Cutting)-利用粒子的物理 碰撞來達到切割之目的.2. 選擇性的材料蒸鍍(Selective
Deposition)-以離子束的能量分解有機金屬蒸氣或氣相絕緣材料，在 局部區域作導體或非導體的沉積，常見的金屬沉積有鉑(Platinum，
Pt)和鎢(Tungstun，W)二種 3. 強化性蝕刻或選擇性蝕刻(Enhanced Etching-Iodine/Selective Etching-XeF2)-輔以腐蝕性氣體，加速 切割的效率或作選擇性的材料去除 4. 蝕刻終點偵測(End Point Detection)-偵測二次離子的訊號，藉以了解切割或蝕刻的進行狀 況。
在這裡我所使用到聚焦式離子束顯微鏡是交通大學奈米中心的 Dual beam (focused ion beam & electron beam) System (FIB/SEM)，廠 牌及型號為FEI Nova 200，主要利用的是它「材料蒸鍍」的功能。用 電子顯微鏡尋找有單根ZnO奈米柱跨接的電極，再利用聚焦式離子束
49 THMS600 Heating and Freezing Stage和Linkam TP94 Temperature Programmer(圖3-19)。藉由這套儀器的加熱載台來加熱試片，進而間 接加熱樣品，因為是間接加熱，所以當升溫達到欲量測溫度時，必頇 停留等待一段時間，待基板和樣品達熱平衡，再進行電性量測。
降溫電性量測方式是將試片放在Cryogenics Probe Station- CG-196 低溫電性量測系統(圖3-20)，此系統最大真空度約為0.02torr，藉由液 態氮與載台之間的加熱達到控之所需溫度的效果，當到達預期溫度時，
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也頇停留一段時間，但基板與樣品之熱平衡，在進行電性量測 量測製程元件的電性曲線（電流-電壓值），是透過本實驗室的 KEITHLEY 6430 Sub-Femtoamp Remote Source Meter(圖3-18)來進行 量測，使用兩點及四點的探針(Probe)去點探電極，也可配合變溫系統 進行量測。其最小電流敏感度可到sub-femtoamp，量取後再藉由 Origin-Pro軟體來滙整所有數據，並繪製電流電壓特性曲線(I-V curve)。
圖3-1(a)ZnO和樣品A、B、C、D的M-H圖。
(b)樣品A、B、C和D磁滯部分的放大圖。
(c)樣品A、B、C和D摻雜量對飽和磁化率做圖
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圖3-2 兩點電極設計圖-1
圖3-3 兩點電極設計圖-2
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圖3-4 四點電極設計圖
圖3-5 定位用crossmark
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圖3-6 絕緣層電性測試
圖3-7 Els 7500 EX
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圖3-8 電子槍蒸鍍系統
圖3-9 電極-1完成
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圖3-10電極-2完成
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圖3-11 蒸鍍、舉離等電極製程
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圖3-12 應用「介電泳動」現象的一個簡單裝置。在此側視圖中，一 旦外加 偏壓跨接於兩電極上，不均勻的電場就會形成，如同圖中代 表電刂 線的曲線組所示。於是基板表面上的液滴(未畫於圖內)裡面，
就會 發生各個懸浮微粒的介電泳動。
圖3-13(a)單一電偶於非均勻電場中々(b)介電常數為ε 2的對稱球體於 非均勻電場中。其中假設外加非均勻電場的尺度遠大於球體半徑。
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圖3-14 利用介電泳動技術排列摻鈷氧化鋅奈米柱示意圖
圖3-15 Agilent 33220A Function/Arbitrary Waveform Genenator
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圖3-16 聚焦離子顯微鏡系統
圖3-17 奈米柱FIB前後之SEM圖
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圖3-18 KEITHLEY 6430 Sub-Femtoamp Remote Source Meter
圖3-19 Linkam THMS600 Heating andFreezing Stage
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圖3-20 Cryogenics Probe Station- CG-196低溫電性量測系統
參考文獻
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[3.2] 粘正勳、邱聞鋒，「介電泳動─承先啟後的奈米操縱術」，物理 雙月刊，廿三卷，六期，2004年6月
[3.3] J.-B. Lee et al. / Thin Solid Films 398 –399 (2001) 641–646
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