硒化鉛奈米材料室溫電性研究

西元 2003 年 A. Sashchiuk 等人 [10] 運用自組裝法合成硒化鉛奈米線，並嘗 試探究其室溫電性。此團隊首先將組裝後之硒化鉛奈米線放置於清洗處理過之二 氧化矽基板上，接著應用電子束微影技術製備鈦金（Ti/Au）電極，壓印於硒化 鉛奈米線上（圖 2.14（a）），藉由提供電壓的方式量測對應電流，並且對三組不 同尺寸大小之奈米線做觀察，由電流與電壓關係圖發現（圖 2.14（b）），硒化鉛 奈米線之電阻值皆約為7.0 Ω^-1〄cm^-1，此結果與硒化鉛量子結構之電阻值相似，

顯示出所得結果為奈米線本質特性。

圖 2.14 （a）硒化鉛奈米線元件電子束顯微影像々（b）三種不同尺寸之硒化鉛奈 米線元件之電流與電壓關係圖 [10]。

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西元 2005 年 K. S. Cho 等人 [11] 對其藉由調控不同成長溫度，輔以不同表 面活化劑與反應物濃度，所製備出來的自組裝硒化鉛奈米線進行電性研究。其團 隊首先對硒化鉛奈米線進行不同程度之摻雜（doping），發現此類奈米線之電導 主要是受到摻雜程度所影響。隨著摻雜過程的不同，硒化鉛奈米線可呈現 p-type 或 n-type 之場效電晶體（Field effect transistor, FET）特性。由圖 2.15（a）可知，

隨著閘極電壓由正轉至負時，其電阻值越變越小，可知其為一 p-type 之場效電晶 體，反之則為 n-type 場效電晶體效應（圖 2.15（b））。

圖 2.15 隨著閘極電壓不同，電流與電壓關係圖〆（a）電洞摻雜々（b）電子摻雜 之硒化鉛奈米線元件々源極（source）與汲極（drain）間電極寬度為 2μm（插圖）

[11]。

西元 2005 年 D. V. Talapin 等人 [14]，將硒化鉛奈米晶粒，利用滴落塗佈法

（drop cast）平舖於設計好之奈米電極間，並以化學處理方式，有效地去除硒化 鉛奈米晶粒外的有機包覆層，並且拉近奈米晶粒間彼此距離，提高硒化鉛奈米晶 粒的導電性々其團隊亦發現，藉由化學與物理處理方式，可將奈米晶粒之電性傳 導於 p-type、n-type 電晶體間作來回轉換（圖 2.16）。

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圖 2.16（a）硒化鉛奈米顆粒元件示意圖與 SEM 影像々（b）p-type 與（c）n-type 電晶體，隨著著閘極電壓不同，電流與電壓關係圖 [11]。

西元 2007 年 D. V. Talapin 等人 [12]將上述的研究繼續往前延伸，以硒化鉛 奈米晶粒作為組裝單元，利用自組裝法，不同於以往的實驗步驟，於電極兩端通 以一直流外加電場，可使奈米晶粒於組裝過程中，沿著電場方向成長，組裝完成 後的硒化鉛奈米線即可跨接於電極兩端。接著此團隊對製備完成之奈米線進行電 性量測，並對化學處理前後的奈米線進行比較，發現奈米線呈現之效應與奈米晶 粒一致 [14]，可於 p-type、n-type 電晶體間作來回轉換。

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圖 2.17（a-c）奈米線延外加電場方向成長 SEM 影像々（d）p-type 與（e）n-type 電晶體特性 [12]。

西元 2009 年 W. J. Liang 等人 [15]參考 K. S. Cho 團隊技術 [11]，合成組裝 出硒化鉛奈米線（圖 2.18（a））。由於硒化鉛奈米線對氣體的敏感度與化學反應 性極高 [11]，因此 W. J. Liang 等人於硒化鉛奈米線外，以原子層磊晶法（atomic layer deposition, ALD）成長一層氧化鋁做為保護絕緣層（圖 2.18（b））々搭配標 準電子束微影技術，輔以電子束蒸鍍法製備奈米電極，其團隊製備出硒化鉛熱電 轉換元件並對其進行電性研究。

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圖 2.18（a）硒化鉛奈米線穿隧式電子顯微術影像。剛成長完成之硒化鉛々（b）

應用 ALD 於硒化鉛奈米線外製備一層氧化鋁保護絕緣層（比例尺於圖 a、b、a 插 圖、b 插圖各為 100、20、4、3 nm）[15]。

藉由硒化鉛熱電轉換元件（圖 2.19（a）），首先此團隊對成長氧化鋁前後之 硒化鉛奈米線進行電性量測，其電流與電壓關係圖皆為線性圖形，表示奈米線與 奈米電極圍歐姆式接觸，並無接點電阻之影響。此外，硒化鉛元件其電流相對電 壓曲線，隨著閘極電壓的增加，在成長氧化鋁前顯現出 p-type 電晶體特性（圖 2.19（b））々然而在成長保護絕緣層後，其特性呈現 n-type 電晶體之相反效應（圖 2.19（c））々造成此轉變主要歸因於成長過程當中，氧化鋁於奈米線表面產生一 層正電荷累積，因此於硒化鉛奈米材料中引發（induce）出大量電子（相較於成 長前奈米線中電洞數量），造成電晶體極性轉換。

最後，此團隊對此熱電元件，利用調變閘極偏壓造成的電導改變，量測其西 貝克係數（Seebeck coefficient）與熱電優質係數（Figure of Merit々ZT）。發現當 電導值為16 Ω^-1〄cm^-1時，能夠獲得一最大之熱電優質係數，且應用調變閘極偏 壓，可將西貝克係數由 64 提升至 193 μV〄K^-1（圖 2.19（d）），大幅提高熱電轉 換效能。

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圖 2.19（a）硒化鉛奈米線熱電轉換元件（比例尺為 50 μm）々（b）成長氧化鋁保 護絕緣層前，呈現 p-type 電晶體特性々（c）於奈米線外成長氧化鋁保護絕緣層後，

呈現 n-type 電晶體特性々（d）西貝克係數與熱電優質係數相對於不同電導率之關 係圖 [15]。

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