3-1 樣品 V
2O
5奈米線的製備
本實驗所使用的V2O5奈米線，是由國立交通大學應化系李積琛教授實 驗室的吳明誠學長所合成提供【17】。其合成方式屬於熱蒸鍍式的奈米線 成長法。合成方式簡易說明如下；將0.4克的五氧化二釩(V2O5)粉末、0.4克 的鹽酸氨(NH2OH‧HCl)以及0.4克的氯化銨(NH4Cl)置入一個玻璃燒瓶中，
加入去離子水泡成1毫升的混合溶液，在室溫下攪拌均勻。接著將蓋玻片蓋 在玻璃燒瓶的瓶口，並放入320－420℃的高溫爐管中0.5-2小時來成長V2O5
奈米線，在高溫之下 currier gas 會把前驅物VO6(Polyvanadate)往上帶到蓋 玻片並在蓋玻片上沉積成長出V2O5奈米線，如[圖3.1]，接下來在爐管中自
透式電子顯微鏡(HR-TEM)以及 SAED pattern[圖 3.4]，我們發現 V2O5奈米 線是沿著 [ 001]方向成長的單晶，而且斜方晶相的層間距約為 1.109 奈米。
V2O5奈米線的表面形貌可由 SEM 圖[圖 3.3]看出，合成出來的 V2O5奈 米線幾乎是都是垂直於基板的表面，並且都是以一維的棒狀為主，並沒有 看到不規則的形狀出現。只是，在不同溫度下成長的 V2O5奈米線長度不盡 相同，由府視圖可發現 420℃下成長的奈米線比較長，約為 100μm[圖 3.5]；
而 320℃的大約只有 10μm[圖 3.6]。另外，由側視圖還可以發現 420℃下成 長的 V2O5奈米線密集度比較高。奈米線的長度越長、數量越多越有利我們 讓它橫跨在電極上，所以我們主要使用的是 420℃下生成的 V2O5奈米線樣 品。 [圖 3.7] 是 420℃下成長在蓋玻片上的 V2O5奈米線實品照片，由外觀 上看起來是黃褐色的而且分佈非常密集。
[圖 3.1] 利用熱蒸鍍法成長 V2O5 NW 實驗示意圖
[圖 3.2] 利用熱蒸鍍法成長的 V2O5 XRD 圖
[圖 3.3] V2O5奈米線的SEM 圖
[圖 3.4] V2O5奈米線的TEM 圖
[圖 3.5] 320℃下成長的 V2O5奈米線的SEM 圖
[圖 3.6] 420℃下成長的 V2O5奈米線的SEM 圖
[圖 3.7] 420℃下成長在蓋玻片上的 V2O5奈米線的樣品圖
3-2 V
2O
5奈米線電性量測元件製作
且粗細、長短落差較大，[圖 3.8]；而越往中上層越有完整乾淨的棒狀結構，
狀電極而設計單純的平板式電極[圖 3.13]，也都成功跨接上單根的 V2O5奈
為1×1cm及2×2cm不等的破片方便日後的實驗測試使用，因此接下來的製程 先讓阻劑佈滿破片表面；快轉轉速為4000rpm 持續 90sec，目的是藉由控制 轉速來調控電子阻劑的厚度。使用上述參數塗佈出電子阻劑的厚度大約是
360nm，如[圖 3.16]。之後再用加熱板(hot plate)在 180℃下軟烤 2 分鐘。
上)鍍一層厚度 20nm 的鈦(Ti)，接著才鍍上 200nm 的金(Au)。
完成金屬的蒸鍍後，接著把試片放入正光阻(ZEP-520)的去光阻劑 (ZDMAC)中 3 小時進行金屬的舉離(Lift-off)程序，之後取出試片用異丙醇 (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 3.18]。
[圖 3.8] 底層試液的奈米線分布情形
[圖 3.9] 中上層試液的奈米線分布情形
[圖3.10] 間距為10μm的梳狀電極
[圖3.11] 間距為3μm的梳狀電極
[圖 3.12] 數量減少的梳狀電極，間距為 2μm
[圖 3.13] 間距為 2μm 的平板式電極
[圖3.14] 間距為2μm的四點式的電極
[圖 3.15] 外圍兩個電極較大，適合介電泳動法的四點式電極
[圖 3.16] 電子阻劑旋轉速度與塗佈厚度的關係
[圖 3.17] 電子槍蒸鍍機機台
[圖 3.18] 蒸鍍、舉離等電極製程
3-3 介電泳動法(Dielectrophoresis)-奈米操控術
3-3-1 介電泳動法(Dielectrophoresis)
介電泳動法(dielectrophoresis)的前身，當然就是眾所周知的「電泳」現
電泳現象基本前提是：懸浮微粒必須帶電！然而對於許多無法有效帶電的 多在射頻 (Radio frequency，RF)或微波 (microwave) 的範圍。如此一來，
我們又多了調控頻率的自由度，同時也避除了直流版本中所可能導致的不
3
現在，我們再進一步考慮交流的情形，將隨時間做變化的外加電場帶
3-3-2 介電泳動法在奈米操控上的應用
來需要放到超音波震盪器中震盪外，其他時候不需要特別把樣品液放入震 33220A Function/Arbitrary Waveform Genenator [圖3.21] 在電極之間施加一 交流的偏壓(10-15 MHz，5-10V peak to peak)來製造交流電場，使得該區域 內形成一個電場梯度。原本不帶電的V2O5奈米線因為外加電場影響下，受
想要在電極之間成功的架上單根V2O5奈米線，有兩個關鍵因素要調
[圖 3.19] 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，如同圖中代表電力 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3.20] (a)單一電偶於非均勻電場中；(b)介電常數為ε2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。
[圖 3.21] Agilent 33220A Function/Arbitrary Waveform Genenator
[圖 3.22] V O 奈米線隨電場方向排列情形
[圖 3.23] 介電泳動(dielectrophoresis)技術排列 V2O5奈米線
[圖 3.24] 交流偏壓過大或作用時間太長，造成奈米線燒毀的情形
3-4 尋找電極上單根 V
2O
5奈米線與電性量測
3-4-1 電子顯微鏡下尋找單根V
2O
5奈米線
在之前電極製作完成後，將V2O5奈米線散佈在電極上，並運用介電泳 動法(dielectrophoresis)奈米操縱術來排列V2O5奈米線，接下來便是尋找有無 單根V2O5奈米線跨接於電極兩端。
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，我主要利用的是它「材料蒸鍍」的功能。用電子顯微鏡尋找
會就這麼付諸流水。震盪清洗前後如[圖 3.29][圖 3.30]。
3-4-4 變溫系統與兩點及四點探針電性量測系統
由於我想量測變溫(Temperature-dependent)下單根V2O5奈米線電性特 性，在變溫系統上是使用Linkam THMS600 Heating and Freezing Stage和 Linkam TP94 Temperature Programmer[圖3.31]、[圖3.32]。藉由這套儀器的 加熱載台來加熱試片，進而間接加熱V2O5奈米線；因為是間接加熱，所以 當升溫達到欲量測溫度時，必須停留等待一段時間，待基板和V2O5奈米線 達熱平衡，再進行電性量測。
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來進行量測[圖3.32]，
使用兩點及四點的探針(Probe)去點探電極，如[圖3.34] [圖3.35]，也可配合 變 溫 系 統 進 行 量 測 ， 如[ 圖 3.36] [ 圖 3.37] 。 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3.25] 單根V2O5奈米線跨接在電極上
[圖 3.26] 交大奈米中心聚焦式離子束顯微鏡
[圖3.27] 利用FIB鍍上Pt後的兩點量測式的單根V2O5奈米線
[圖3.28] 利用FIB鍍上Pt後的四點量測式的單根V2O5奈米線
[圖3.29] 利用超音波震盪清洗前的情形
[圖3.30] 利用超音波震盪清洗後的情形
[圖3.31] Linkam THMS600 Heating and Freezing Stage
[圖3.32] Linkam TP94 Temperature Programmer
[圖3.33] KEITHLEY 6430 Sub-Femtoamp Remote Source Meter
[圖3.34] 四點式點探電性量測情形
[圖3.35] 四點式點探電性量測情形
[圖3.36] 開放式變溫電性量測情形
[圖3.37] 通氮氣變溫電性量測情形