6-1 實驗結果與討論
在數據的 MCD 圖譜中可以清楚的看見在 1.5eV~3eV 與 3eV~4eV 的部分有著不 相同的特徵，這裡我們先探討 1.5eV~3eV 的部分。比較圖 5.8、5.10、5.12、
5.14 之後，我們可以知道在蓋金之後 MCD 圖譜在 2.2eV 附近會出現峰值，這
圖 6. 1 電子能帶分布示意圖(a)Co/ZnO NRs(b)Co/ZnO NRs 蓋金(c)Co/ZnO NRs 蓋更多的金。
[5] [6]
5.11、5.13、5.15，在相同都是磁場 0.8T 的吸收值有分開的現象，而當我們把 金的厚度越加越厚這個情形可以得到改善，這是因為在氧化鋅奈米柱與鈷奈米
29
6-2 理論模擬
在這個研究項目中，我們對於樣品在外加磁場下的自旋電子能帶分布預測如圖 6.2。
圖 6. 2 鈷的能帶分布(綠圈)，以及氧化鋅導帶與缺陷能帶分布(紅圈)
[5] [6]
圖 6.2 中紅色與藍色填滿的部分分別代表在外加磁場下，上自旋電子與下自旋 電子所佔據的區域。為什麼會假設缺陷能隙是雙峰值的態密度分布
[6]
，這是因 為氧化鋅的缺陷能隙會跟鈷的 3d 軌域混合之後再加入外部磁場，就會使氧化鋅 缺陷能隙產生自旋分裂(在鈷的 3d 軌域和氧化鋅的缺陷能帶耦合後，會有自旋 軌道耦合所產生的精細結構，接著外加磁場下會有異常賽曼效應的出現，所以 在這裡假設的能帶結構是雙峰值形式的。) ，因此在這邊我們選擇一個由兩個 高斯函數所組成的態密度函數𝑁𝑇𝑃
(𝐸)，來描述這一個缺陷能隙。(氧化鋅的缺 陷為氧空缺的缺陷，這樣的缺陷是屬於零維的缺陷而零維的態密度分布是集中 在某一點能量上的，所以這邊選用高斯函數來描述。)𝑁
𝑇𝑃
(𝐸) = 𝑒− 1 2 [ [𝐸−𝐸1] 𝑏 ] 2
+ 𝑒− 1 2 [ [𝐸−𝐸2] 𝑏 ] 2
(式三)其中 b 是缺陷能隙的半寬高，E
1
、E2
為兩個缺陷能隙的中心位置。接著因為吸 收的情形正比於完整的態密度，且吸收 A 與外加磁場 B 相關所以 A 表示成A = P{[𝑁
𝑇𝑃
↑ (E + m ↑ B) + 𝑁𝑇𝑃
↓ (E − m ↓ B)]} (式四)其中 m 是磁矩，↑ 、 ↓分別代表著多數電子的自旋狀態以及少數電子的自旋狀 態，P 代表著一個正比常數。
30
Magnetic Field (T) E=3.61
-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.1
1.2
Absorption
Magnetic Field (T) E=3.47
Magnetic Field (T) E=3.66
分別使用 E=3.66、3.61、3.47(E 為費米能階)模擬出圖 6.3(b)、(c)、(d)，從 圖 6.3(b)、(c)、(d)可以得知改變 E 是可以出現正的磁吸收現象以及負的磁吸 收現象，這個模擬的結果與實驗數據是符合的，根據蓋金的數量多寡可以調控 電子分布所處的能量位置。圖 6. 3 (a)外加磁場下自旋電子的態密度分布模擬圖 (b)E=3.66(c)E=3.61(d)E=3.47 時磁吸收變化狀態模擬圖。
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(a) (b)
接著將用圖 6.4 說明為什麼改變費米能階位置，就可以改變磁吸收變化的型 態。在圖 6.4 中綠線為費米能階位置，紅色藍色填滿區域為照光之後，電子躍 遷所佔據的態密度，從圖中可以看出當態密度在氧化鋅導帶時，態密度的變化 是不明顯的，而在氧化鋅缺陷能帶電子的態密度有著顯著的變化，所以磁吸收 效應的發生是因為有氧化鋅缺陷能帶的關係，而磁吸收效應的型態與費米能階 所在的位置相關。圖 6.4 使用如下方程式模擬
𝑁
𝑇𝑃
(𝐸) = 𝑒− 1 2 [ [𝐸−𝐸1] 𝑏 ] 2
+ 𝑒− 1 2 [ [𝐸−𝐸2] 𝑏 ] 2
+ 𝐷√𝐸 − 𝐸𝑐
(式五) 使用參數 E1
=3.5、E2
=3.65、b=0.03、D=3、Ec
=3.6。圖 6. 4 模擬在不同費米能階於外加磁場 0.8T，氧化鋅價電子吸收能量後躍遷至 導帶所佔據的態密度(a)E
f
=3.5eV(b)Ef
=3.6eV。32
那是什麼樣的原因造成了缺陷能帶的費米能階改變了呢?根據比較過吸收圖譜以 及參考文獻，在這邊提出一個想法，金再產生表面電漿共振吸收之後這些被激 發的熱電子會流入氧化鋅進而改變缺陷能帶的費米能階，在這裡是使用了標準 氫電極對氧化鋅的導帶以及金的費米能階做出定位，之後金被激發的熱電子能 量高於氧化鋅導帶，所以金的熱電子可以流入氧化鋅，而我們所提出的能帶模 型中，氧化鋅與鈷混合後的缺陷能帶會跟氧化鋅的導帶重疊，所以當金的熱電 子流入時會改變缺陷能帶的費米能階。
[8]
圖 6. 5 金的表面電漿共振吸收產生熱電子流入氧化鋅示意圖
[ 8 ]
33
Energy (eV) without Au
Au 50w
MCD (mdeg)
Energy (eV)
0.8T
MCD (mdeg)
Energy (eV)
0.8T
MCD (mdeg)
Energy (eV)
0.8T
MCD (mdeg)
Energy (eV)
0.8T
MCD 圖譜(c)Au50w Co/ZnO NRs MCD 圖譜(d)Au100w Co/ZnO NRs MCD 圖譜 (e)Au150w Co/ZnO NRs MCD 圖譜 紅圈位在 2~2.5eV 之間這範圍是金表面電漿共振訊號出現位置。
34
最後用表格來統整這個實驗中所觀察到的現象。金顆粒尺寸是根據 TEM 圖所 計算。
樣品 金顆粒尺寸 磁吸收型態
Co/ZnO NRs X 負
Au50w Co/ZnO NRs 12nm 負
Au100w Co/ZnO NRs 20.4nm 正
Au150w Co/ZnO NRs 23.4nm 負
表 1 實驗中樣品的實驗結果。
6-3 結論
在 Co/ZnO NRs 缺陷能帶附近的費米能階位置，是一個影響磁吸收效應型態的 因素，而費米能階位置與缺陷能帶自旋電子態密度分布相關，這個自旋電子態 密度可以通過電荷的變化來改變。使用鈷來產生特定的磁吸收，之後通過金的 塗層來改變電荷分布，進而改變磁吸收型態，且這個現象是在室溫下就能夠進 行的有趣現象，在未來有可以應用的方向，例如:新型光電元件通過磁場來增強 光電控制效果以及光催化方面的應用。
35
參考文獻
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