硒化鉛奈米結構之耦合效應

西元 2005 年 D. V. Talapin 等人 [14] 將滴落塗佈法（drop cast）製備出的 8 nm 硒化鉛奈米晶粒薄膜元件，利用浸泡聯氨溶液（Hydrazine, N2H2）的方式與奈米 晶粒外的有機包覆層進行化學反應與置換，藉此調變奈米晶粒間耦合強度，並量 測其室溫電導率變化。

此團隊先以穿隧式電子顯微鏡觀察製備好之奈米元件，記錄晶粒與晶粒間距 為 1.5 nm，此時電導率小於 10^-11 S〄cm^-1々接著將奈米元件以聯氨處理後，藉由 低掠角小角度 X 光散射儀（small angle X-ray scattering at grazing incident, GISAXS）

觀測其散射角度，發現浸泡聯氨後之奈米元件，其散射角度增加，亦即奈米晶粒 彼此間距縮短，可由圖 2.20 中推得縮短長度高達 0.8 nm々接著對不同浸泡聯氨 溶液時間長度之奈米晶粒進行電性量測，發現隨著浸泡時間越久，奈米晶粒排列 越趨緊密，造成耦合強度增強，電導率隨之增大。

圖 2.20（a）剛製備完成之奈米晶粒薄膜元件 TEM 影像々（b）經由浸泡化學藥劑 後之薄膜元件 SEM 影像，可清楚看出晶粒間距縮小々（c）化學處理前（下）後

（上）之 GISAXS 散射圖譜々（d）化學浸泡時間與電導率關係圖 [14]。

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西元 2008 年 M. Law 等人 [16] 將含有硒化鉛奈米晶粒之溶液，運用旋轉塗 佈方式（spin cast），均勻地將硒化鉛奈米晶粒沉積於奈米電極內，藉由熱處理與 浸泡各種胺類（Amine）方式，來觀察其電性差異。

首先，此團隊將製備完成之奈米晶粒元件於 200、250、350 ℃下進行熱處理 動作，在充滿氮氣氛圍下，持續時間為一小時。發現伴隨著熱處理的動作，硒化 鉛奈米晶粒元件之導電度可提升一個數量級以上々隨著熱處理溫度提升至 350 ℃，

奈米晶粒外的絕緣包覆層會受到熱解而揮發殆盡，但無法避免的是造成奈米晶粒 的二次成長與晶粒成分的分離，使得晶粒表面型態發生改變。

圖 2.19（a）隨熱處理時間不同，奈米晶粒表面形貌之 SEM 影像々（b）不同熱處 理條件處理後，奈米元件之電流與電壓關係圖形 [16]。

接著，此團隊運用不同的胺類對硒化鉛奈米晶粒薄膜進行反應，發現藉由化 學處理後，由 X 光散射圖譜中可知，硒化鉛奈米晶粒彼此間距隨之改變，元件 顯現出的特性亦大不相同。值得一提的是，經由浸泡聯氨，雖然僅去除硒化鉛上 約 2-7 %的有機包覆層，但是卻可形成一導電率極高之 n-type 電晶體々浸泡於乙 醇（Ethanol）內，可除去 20 %之包覆層，且可形成以電洞傳輸為主之 p-type 電 晶體。

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圖 2.20（a）經不同化學藥劑浸泡，奈米晶粒表面形貌之 SEM 影像々（b）不同化 學條件處理後，奈米元件之 X 光散射圖譜 [16]。

西元 2005 年 H. E. Romero 等人 [17]將硒化鉛奈米晶粒以滴落塗佈法，製備 硒化鉛奈米薄膜元件。其團隊對此元件進行電性量測研究，並探討晶粒間耦合強 度與電子傳輸特性關係。H. E. Romero 等人於真空下對奈米元件進行熱退火的動 作，使得奈米晶粒外的有機包覆層受到熱解蒸發々此團隊發現，隨著有機包覆層 去除程度越高，晶粒間的耦合效應越高，可使元件之導電特性由絕緣體轉變為半 導體特性。

H. E. Romero 等人對硒化鉛奈米元件做進一步之傳輸特性研究，當熱處理溫 度較低（373 K），亦即耦合強度較弱時，電流電壓關係呈現非線性圖形，並且有 一臨界電壓值（threshold voltage）存在，其原因主要是受到庫倫阻滯效應影響

（Coulomb blockade）。在變溫量測過程當中，對不同溫度下所得之臨界電壓值作 圖，發現臨界電壓與溫度為線性關係，上述之電流與電壓關係圖形、臨界電壓與 溫度關係圖，可由 Middleton 與 Wingreen 提出之集體電荷傳輸理論（collective

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charge transport）合理解釋，亦即電荷的傳輸於硒化鉛奈米晶粒薄膜中，是彼此 影響的，證明耦合效應確實存在於系統中。

圖 2.21 熱處理溫度為 373 K 時，奈米元件於不同溫度下量測之電流電壓關係圖 [17]。

當熱處理溫度提升至 473 K 時，此時耦合效應更加強烈，電流與電壓關係圖 形呈現線性關係，庫倫阻滯效應消失，電荷傳輸特性可以一般無序半導體理論合 理解釋 [18]。最後此團隊將熱處理溫度提升至 523 K，此時硒化鉛奈米晶粒薄膜 導電率極佳。由穿隧式電子顯微術影像亦可觀測到，藉由熱處理可改善奈米晶粒 間距，提升彼此之耦合效應，增強電荷傳輸能力。

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圖 2.22 熱處理溫度為（a）473 K、（b）523 K 時，奈米元件於不同溫度下量測 之電流電壓關係圖々圖中亦附註不同退火處理後 TEM 影像（插圖）[17]。

西元 2009 年 Y. C. Ou 等人 [19, 20] 將具備硒化鉛奈米晶粒的甲苯溶液，滴 於金平面（111）上，利用調控不同濃度之溶劑與基板溫度，自組裝出顆粒數不 同之奈米島嶼（island）。藉由掃描穿隧式顯微術（scanning tunneling microscopy, STM），輔以量測前於超高真空環境下，對奈米晶粒進行 150 ℃、持續 10 小時的 熱處理動作（去除晶粒外有機包覆層），探究島嶼組成晶粒數對電流與電壓特性 之影響。從圖 2.23 可知，電流電壓關係為一非線性圖形，存在有一截止電壓值

（threshold voltage），隨著組成晶粒數目的不同，電壓與電流曲線也隨之偏移，

可得不同截止電壓值。

圖 2.23 （a）利用 STM 測得之電流與電壓關係圖々（b）不同數量奈米晶粒組成 之島嶼電流與電壓關係圖，由上至下耦合顆數分別為 40、15、1 顆 [19, 20]。

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接著此團隊分析不同組成晶粒數目量得之電壓電流曲線，對取得之截止電壓 與組成晶粒數目作圖，發現隨著晶粒數目的增加，截止電壓隨之變小（如圖 2.24

（a）），此結果可以 Middleton 與 Wingreen 提出之集體電荷傳輸理論（collective charge transport）合理解釋，認為隨著晶粒的數目增加，開啟更多電子可傳輸的 通道（如圖 2.24（b））

圖 2.24（a）不同數量奈米晶粒組成之島嶼，截止電壓與耦合顆粒數目關係圖々（b）

電子於奈米晶粒中，受到耦合影響，傳輸模型示意圖 [19, 20]。

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