在本次實驗中我們想分別探討氧化鋅奈米線的本質傳輸行為與當接面面積極小 時，蕭特基接點的電性傳輸行為。先藉由 SEM 影像來觀察接觸面積的大小，以及氧 化鋅奈米線的完整度。為了去除掉其他接點的因素，先利用四點量測來判別不同電極 接點電阻的大小，再藉由曝氣實驗來觀察電極接點隨環境而惡化的情形。在電性量測 的部份，我們量測不同溫度下的電流-電壓，而兩種元件隨著溫度將低，電流-電壓圖 的變化以及零點電阻上升的趨勢大小的不同，這代表著兩種元件有著不同的傳輸性質，
本質奈米線元件的傳輸原理可使用熱活化傳輸以及三維變程跳躍傳輸原理擬合，而金 奈米線電極元件則可以用熱離子發射原理去擬合，並發現位障隨著接觸面積而變低。
5-1 氧化鋅奈米米線元件觀察
如圖 5.1(a)為氧化鋅奈米線元件，在氧化鋅奈米線上鍍上鈦/金(15 nm/110 nm) 電極，接觸面積大小約在幾微米乘上幾十奈米的尺度，為了將接觸面積的尺度進一步 縮小，分別在同一片矽基東上撒下氧化鋅奈米線與金奈米線，再將兩線相交的兩端鍍 上鈦/金電極就完成了如圖 5.1(b)的元件，此種元件的接觸面積大小約為一百奈米乘幾 十奈米的尺度。
圖 5.1(a)氧化鋅奈米線元件(b)金奈米線電極元件 SEM 圖
在第四章的實驗步驟中，我們會先對氧化鋅奈米線進行高溫(450~550 ℃)且長時 間(24 hr)的退火，這個動作的目的是為了藉由退火將氧化鋅奈米線中的氧缺陷濃度提
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5-2 金屬電極對元件之影響
單根奈米線元件的電阻會由本質奈米線電阻以及接點電阻以串聯形式貢獻，然而 當接點電阻遠大於本質電阻，電性傳輸的性質會由接點電阻主導，如圖 5-1(b)所示，
金奈米線電極元件有三處接面，分別為鈦/金電極與氧化鋅奈米線的接面、氧化鋅奈米 線與金奈米線的接面，以及金奈米線與鈦/金電極的接面，如圖本實驗主要是探討兩奈 米線交疊所產生的奈米級接觸，因而須先令電極與奈米線的接點處為歐姆接觸(ohmic contact)，使得在電性傳輸只有一接點電阻主導，而我們在進行量測時發現，接點電阻 會隨著暴露在環境下的時間而惡化，因此也對此種狀況進行實驗與討論。
為了判別接面是否有接點電阻的貢獻，我們分別以四點量測與兩點量測對同一區 段的奈米線做量測，四點量測是由外部的兩支電極送電流，內部的兩支電極量測電壓 的方式，避免接點電阻的貢獻的量測方式。分別以鉑電極與鈦/金電極製成四點量測之 元件去進行量測，如圖 5-4 所示，發現四點量測與兩點量測的結果約略相同，可推論 兩種金屬電極都不會對氧化鋅元件產生影響奈米線本質電阻的接點電阻，白金電極元 件的零點電阻約為 1.7 MΩ，而鈦金電極元件的零點電阻約為 14 MΩ。
而關於接點惡化的問題，我們發現鈦/金電極的元件無法在大氣下久放，其電阻值 會隨製作完成的時間而升高進而到無法量測的數量級，因此我們在針對電極以及其在 不同曝氣環境下所放置的時間做測試，分別以鉑、鈦/金作為電極的元件進行試驗，將 元件暴露純氧中以及大氣中隨時間進行量測並記錄其對應關係，如圖 5-5、5-6。
圖 5-4(a)鉑電極(b)鈦/金電極 兩點與四點量測之比較
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由圖 5-5 我們可以觀察到可以看出將元件暴露在純氧的環境下，其電阻會在前 10 小時會迅速的升高，而隨著時間拉長，可以看到電阻上升的狀況趨近飽和，總電 阻值上升的幅度約為 10%，而圖 5-6 則為暴露在大氣的環境下的量測結果，可觀察 到元件的電阻也隨著暴露的時間而升高，除了兩邊皆為鉑電極的元件，其電阻值沒 有明顯的改變外，其餘的電阻皆上升到約原本四倍的電阻值，比較圖 5-5 以及圖 5-6 可看出大氣環境對於元件電阻升高的影響遠大於在氧氣環境下的影響，而且鉑電極 在大氣環境下幾乎不受影響。
圖 5-5 曝氧環境下電阻對時間的關係圖
圖 5-6 曝大氣環境下電阻對時間的關係圖
圖 5-5、5-6 分別表示電阻在曝氧、曝大氣環境下隨時間惡化的情形。
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5-3 氧化鋅奈米線元件之電流-電壓圖的比較
本次實驗中，我們分別從數據中觀察出氧化鋅奈米線元件具有本質氧化鋅奈米線 的傳輸行為，而金奈米線電極元件則表現出小接觸面積的蕭特基接觸的傳輸行為，在 本節中，我們先比較兩者電流-電壓圖的區別，以及零點電阻對溫度關係變化的不同 後，再依序介紹本質傳輸行為以及蕭特基接觸的分析過程。
從電流-電壓圖上可以觀察出兩者傳輸性質不同的端倪，圖 5-7(a)(b)(c)為氧化鋅奈米 元件在各溫度下的電流-電壓圖，由圖我們可以觀察到隨著溫度的降低，零點電阻隨 著提高而電流-電壓曲線也隨著外加偏壓的增加而逐漸變為非線性。圖 5-7(d)(e)(f)則為 金奈米線電極元件，零點電阻也隨著溫度降低而提高，但是電流-電壓曲線並沒有隨 溫度而變為更加非線性的趨勢。
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圖 5-7 各元件在不同溫度下的電流-電壓圖
為了方便比較，我們將在兩種元件各取一組在溫室下零點電阻相近的樣品做比較，
如圖 5-8(a)中我們可以看到屬於本質氧化鋅傳輸的電流-電壓曲線隨著溫度下降，而越 趨向非線性，與屬於接觸傳輸的直線曲線有明顯的不同。而圖 5-8(b)中我們將電阻對 溫度的倒數作圖，可以看出本質氧化鋅傳輸的電阻一開始隨著溫度降低而上升，隨著 溫度再降低上升速率趨近平緩，而接觸傳輸的零點電阻則隨著溫度降低而一直上升，
最後可以看到在相同的溫度區間內，接觸傳輸的零點電阻約比本質傳輸多上升約兩個 數量級，再介紹完本質氧化鋅的傳輸性質以及蕭特基接觸的傳輸性質後，會再以理論 的觀點來說明圖 5-8(b)。
圖 5-8 氧化鋅奈米線元件與金奈米線電極元件之(a)不同溫度下的電流電壓圖與(b)零點 電阻對溫度倒數的關係圖
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5-4 本質氧化鋅奈米線分析
關於氧化鋅的本質傳輸行為，一般認為摻雜的施子會在費米能量(Fermi Energy) 附近產生侷域態如圖 5-9 所示，圖中電子有兩種傳輸的路經可供傳導，一是接受外在 熱能由侷域態跳躍至傳導帶形成傳導，我們將此種傳導方式稱為熱活化傳輸，二是在 侷域態間進行跳躍形成傳導，稱為變程跳躍傳輸，所以我們利用兩者傳輸行為對電導 關係式的並聯如式 5-1 去進行分析，
圖 5-9 氧化鋅本質傳輸行為機制的示意圖[30]
1/4
(0)
0 0
A B
E T
k T T
total thermal VRH th V
G G G G e G e
(式 5-1) 我們將各溫度所對應的電導數據代入可進行蒙地卡羅法的 labview 程式中進行擬 合，蒙地卡羅法是藉由設定擬合參數的區間，再利用最小平方法於區間內大量抽樣比 較直到得到理想的擬合曲線，如圖 5-10 為擬合的結果，以數據點與擬合曲線呈現，藍色為本次實驗數據，紅色為先前陳姿涵學姊的數據作為對照組。[28]
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圖 5-10 為氧化鋅本質傳輸行為之擬合結果
在圖 5-10 中，將擬合出的曲線與所量測到的數據點一同標示，並將先前陳姿涵 學姊的數據加入並以粗斜體標記，將得到的數據列表如圖 5-11[28]，由圖中可以看出 我們的活化能(E )較先前的高，由於兩次實驗的樣品為不同批產出之氧化鋅奈米線故A 無法對此數據進行進一步分析，而我們可以藉由T 進行變程跳躍傳輸的分析， 0
樣品編號 𝐺
(1/Ω) 𝐸 (𝑚𝑉) 𝐺
(1/Ω) 𝑇 (K)
ZNW-550-Pt/Pt-1 4.12E-6 67.08 2.30E-4 5.68E+5 ZNW-550-Pt/Ti-2 5.36E-6 152.86 9.61E-5 8.29E+5 ZNW-550-Pt/Pt-3 1.42E-7 92.33 4.94E-5 1.68E+6
B35-pin34 5.51E-07 41.29 7.73E-05 6.91E+05 B35-pin67 9.27E-07 81.47 6.18E-06 6.08E+05
圖 5-11 經由蒙地卡羅法所得到之參數列表
T 為一與變程跳躍傳輸相關的參數可將其帶入式 5-2 中推導出平均跳躍能量0 (mean hopping energy)[23]。將求出的平均跳躍能量對溫度的關係圖如圖 5-13(a)，並將 熱能(以黑線表示)也放入比較，可以看出隨著溫度越來越低，熱能與平均跳躍能量間 的差距被縮減，而在熱活化傳輸中熱能與活化能的差距則會越來越大如圖 5-13(b)，電 導在高溫時由熱活化傳輸主導，而隨著溫度繼續降低而轉為由變成跳躍傳輸主導，這 也就解釋了為何在電阻對溫度的倒數做圖時，電阻在某個溫度中轉折的現象。
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圖 5-12 各組樣品(a)平均跳躍能量(b)活化能對溫度關係圖
由擬合出來的T 我們可以藉由 D. Shahar 等人論文中對與強場下的分析去求出侷域長0 度的大小(
) ，在文中認為可以藉由低溫下電流對高場的關係式如式 5-3 推導出F 再0 藉由式 5-4 去推算出侷域長度的大小[24]。將推算出來的侷域長度列表為圖 5-14，我 們發現所推算出之侷域長度為約為 1 nm 的尺度，圖 5-13 各樣品在低溫強場下的分析圖
F
0(volt/m) T
0(K) (nm)
ZNW-550-Pt/Pt-1 2.090E+10 5.68E+05 2.35 ZNW-550-Pt/Ti-2 1.456E+11 8.29E+05 0.491 ZNW-550-Pt/Pt-3 2.784E+11 1.68E+06 0.521圖 5-14 各樣品在低溫強場分析的參數表
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圖 5-15 蕭特基接觸電性曲線分析圖
ZNW-550-NW/Pt-1 V(V) 0.2 0.4 0.6 1 1.4 2 3
( )
Bn mV
23.37 22.86 19.74 18.75 17.39 15.8 13.6ZNW-500-Ti/NW-2 V(V) 0.5 1 1.5 2 3 4
( )
Bn mV
24.32 21 17.88 15.22 10.82 7.02ZNW-450-NW/Ti-3 V(V) 0.1 0.5 1 2 3 4
( )
Bn mV
16.03 14.64 12.15 9.14 7.05 5.44圖 5-16 外加偏壓所對應之等效位障高度
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樣品編號 eB0(V) N (cmd -3)
ZNW-550-NW/Pt-1 3.32e2 4.11152e 14
ZNW-500-NW/Pt-2 4.36e2 3.18234e 15
ZNW-450-NW/Ti-3 2.45e2 2.49385e 14 圖 5-17 由擬合所得之蕭特基位障以及施子摻雜濃度
圖 5-18 理想蕭特基位障高度與接觸面積的關係圖
再來我們對蕭特基接觸的傳輸情形去作分析，在 3-3 節中所提到的熱離子放射理論的 公式(式 3-28)中，我們可以藉由 n 判別實際的傳輸狀態，藉由將 ln[1 exp( qV)]
kT 對電壓作圖，並取之斜率 q
m
nkT ，如圖 5-19 可以求出此處的理想因子n
1.01表示其傳 輸行為以擴散的方式傳導，為一理想的蕭特基接觸。圖 5-19 理想因子的分析圖
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最後為了驗證本質氧化鋅奈米線的特性不為蕭特基接觸，我們也將其帶入熱離子放射 的理論中驗證，如圖 5-20 所表示，可以清楚的看出本質氧化鋅奈米線元件並不符合 蕭特基接觸的電性傳輸性質。
圖 5-20 氧化鋅奈米元件的電性曲線以熱離子放射理論驗證所得關係圖
圖 5-10(b)的電阻對溫度倒數關係圖可由其傳輸行為來解釋，本質氧化鋅的傳輸行 為是由熱活化傳輸與變程跳躍傳輸解釋，而隨著溫度降低，傳輸行為將由熱活化傳輸 主導轉變為變程跳躍傳輸主導，因此我們可以在圖中看出其轉變行為所造成的轉折，
圖 5-20 氧化鋅奈米元件的電性曲線以熱離子放射理論驗證所得關係圖