結果與討論 - 探索二維氧化鋅奈米結構傳輸機制與其狀態密度

由於氧化鋅奈米片對我們而言是一種極新穎的奈米材料，有著許多的未知條件，所以我們從觀測氧化鋅奈米片的外觀出發，使用電子顯微鏡探索氧化鋅奈米片的幾何，再量測氧化鋅奈米片的電性行為，討論其電性傳輸機制，最後討論二維結構之能態密度。

5-1 氧化鋅奈米片的觀測

氧化鋅奈米片是由上海理工大學材料科學與工程學院的 Dunliang Jian 所提供，氧化鋅奈米片生長在矽基板上，取得的樣品外觀如圖 5.1(a)所示，其中基板上的白色區域皆為氧化鋅奈米片的堆積。為了清楚的觀測氧化鋅奈米片的外觀，將乘載氧化鋅奈米片的矽基板放入場發射式電子顯微鏡(JSM-7000F)中，可以清楚的觀測到氧化鋅奈米片的外觀呈現扁平狀，均勻的分佈在矽基板上，如圖 5.1(b)，寬度大約為 2 μm，厚度遠小於微米尺度，猶如紙片狀，如圖 5.1(c)。

圖 5.1 (a)氧化鋅奈米片的外觀照片。(b)使用 SEM 以低倍率觀測氧化鋅奈米片之 SEM 影像。(c)以高倍率觀測氧化鋅奈米片之 SEM 影像。

接著以穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy, TEM)觀測氧化鋅奈米片，在低倍率下可以看出氧化鋅奈米片的形貌，長與寬的尺度大約在微米的數量級內，

如圖 5.2(a)，藉由電子繞射的觀測，可以得知氧化鋅奈米片的晶格排列相當有序，為單晶結構，Z 軸生長軸向為(0001)方向，如圖 5.2(b)。

圖 5.2 (a)使用 TEM 以低倍率觀測氧化鋅奈米片之形貌。(b)以電子繞射觀測氧化鋅奈米片之晶格排列。

為了將個別的氧化鋅奈米片做更清楚的觀測，我們將氧化鋅奈米片壓印至空的矽基板上，使用原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)掃描樣品表面，以觀測氧化鋅奈米片的厚度，以 AFM 掃描出的圖形如圖 5.3(a)，將 AFM 掃描圖以圖像分析軟體 SPIP 開啟，尋找單一且無堆疊之氧化鋅奈米片，選取欲計算厚度的樣品，在軟體內拉出一條橫跨樣品的線，可計算出氧化鋅奈米片剖面之高度，一共選取可解析且非破碎狀態的樣本數約五十個，可以得知氧化鋅奈米片的厚度分布約 13 nm 至 23 nm 不等，其中約有四分之一的樣品厚度為 17 nm，將厚度統計後可以得到一個分佈圖，如圖 5.3(b)，利用高斯方程擬和分佈，可以得到平均厚度為 17.08 nm，其標準差為 1.43 nm，誤差僅有 8%，

表示氧化鋅奈米片的厚度均勻性相當高。

圖 5.3 (a)從 SPIP 軟體中選取橫跨單一氧化鋅奈米片之線段，可得到鑲嵌之剖面圖以計算厚度。(b)氧化鋅奈米片之厚度統計分布圖。

知道樣品的外觀與幾何後，我們想知道在這種結構裡面，電子的傳輸是符合二維系

觸，完成熱退火後，即完成可進行兩點量測之氧化鋅奈米片元件。

圖 5.4 (a)氧化鋅奈米片 SEM 圖。(b)氧化鋅奈米片元件電極結構示意圖。(c)氧化鋅奈米片電極 SEM 圖。

氧化鋅奈米片元件製作完成之後，即可進行電性量測，量測方式為送電流訊號至製作完成的氧化鋅奈米片元件，量測其電壓訊號以估計電阻值大小，但是得到的電阻值估計大於10 GΩ，在電表 KEITHLEY 6220 搭配 KEITHLEY 2000 的解析範圍以外，我們猜測是因為氧化鋅的低摻雜使氧化鋅奈米片的導電度極低，為了提升氧化鋅奈米片的導電率，我們將氧化鋅奈米片元件放入熱退火系統中，在高真空系統中進行熱退火 550 ℃持續 24 小時，試著增加氧化鋅奈米片中的缺陷，提高載子濃度以得到降低的電阻值。在熱退火 550 ℃持續 24 小時之後，我們發現氧化鋅奈米片的電阻值有明顯的下降，如圖 5.5，平均電阻從熱退火之前的 10 GΩ 驟降之熱退火之後的 5 MΩ，平均室溫電阻約有三個數量級的變化，高溫熱退火成功的使氧化鋅奈米片產生缺陷，藉此增加了載子濃度而使導電率上升。

圖 5.5 氧化鋅奈米片進行高溫熱退火之後的電阻差異。

定位標記點

黃光微影製作之金電極熱蒸鍍製作

之鈦金電極

在得到了較低電阻的氧化鋅奈米片元件之後，取其中一組氧化鋅奈米片元件作初步

可以發現，在固定電壓 3 V 的狀態下，元件的電流ln( I₂)

T 會隨著溫度的倒數改變而變動，

趨勢猶如一指數形勢，而電流和電壓的四分之一作圖會呈現兩段斜率的折線圖，並非單一斜率的線性關係，因此我們可以忽略接點電阻在我們量測數據中產生的貢獻，認定由兩點量測的電流-電壓曲線是由氧化鋅奈米片的本質電性所主導。

圖 5.7 氧化鋅奈米片^{I T}^/ ²與溫度倒數關係圖，鑲嵌圖為^I^^V^{1/ 4}關係圖。

由於確定了量測氧化鋅奈米片元件時，電性傳輸主要來自於經過熱退火後的氧化鋅奈米片，熱退火造成氧化鋅奈米片中載子濃度提高，為了計算氧化鋅奈米片中的載子濃度，我們將採用外加背向閘極偏壓的方式來量測閘極電壓對電流的影響，進一步了解氧化鋅奈米片的載子濃度以及載子遷移率。我們使用接面場效電晶體(Junction Field Effect Transistor, JFET)的方法來測量氧化鋅奈米片的特性，外加偏壓改變空乏區的寬度，觀測電流有何變化，實驗結果如圖 5.8(a)-(d)所示，當外加背向電場 20 V 以上時，量測到的電流變化極小，電流變化約在數個 nA 至數十個 nA 的變化中，幾乎和背景雜訊同個數量級，電流沒有明顯變化，我們無法測量到可以解析的閘極效應(Gate effect)。在一般的情況下，只要不是適度的摻雜，都無法測量到閘極效應，當摻雜濃度過高時，半導體的傳輸性質偏向於金屬性質，使閘極效應不明顯；或是摻雜濃度過低時，空乏層寬度過大，

使載子無法通過，也無法量測到閘極效應。

300K

圖 5.8 (a)-(d) 以 JFET 量測氧化鋅奈米片元件的閘極效應。

5-3 本質氧化鋅奈米片在變溫系統下的電性傳輸

為了探討氧化鋅奈米片元件在變溫環境下的電性傳輸特性，我們製作了多組氧化鋅奈米片元件進行變溫下的量測，再將電阻率對溫度作圖。而電阻 R 和電阻率的關係式

原為 *

Length

RWidth High，但是在此我們考慮到厚度的尺度小於費米波長，忽略厚度而考

慮二維的狀況，電阻和電阻率的關係式改寫為 L

RW，將十一組數據繪製在同一圖表，

如圖 5.8，在室溫條件下，電阻率隨著不同的樣品有著兩個數量級的差異，坐落在

8 10

10 ~ 10 Ω 的區間，但是隨著溫度的降低，電阻率逐步的上升，而電阻率的上升趨勢

並非像多項式的線性關係，從 300 K 到 80 K 的電阻率大約有兩個數量級的上升，即使是在不同組氧化鋅奈米片元件中的量測，大多遵守同樣的變化趨勢以及大約為兩個數量級的電阻率變化。

圖 5.8 電阻率隨著溫度變化關係圖。

RT ρ (Ω) Width/Length T₀(K)

ZD01 4.313E7 1.472 5.66E5

ZD02 3.933E7 1.168 4.86E5

ZD03 1.585E7 0.591 5.01E5

ZD04 1.495E7 0.624 4.01E5

ZD05 1.199E7 0.522 4.75E5

ZD06 1.009E7 1.290 3.55E5

ZD07 9.976E6 1.345 3.93E5

ZD08 8.895E6 1.825 2.98E5

ZD09 6.870E6 0.995 3.01E5

ZD10 3.561E6 0.731 2.78E5

ZD11 1.198E6 1.011 1.54E5

表 1 樣品編號與參數一覽表。

氧化鋅奈米片元件從一開始極大的電阻率，到現在歸納出相對小的電阻率，主要的原因來自於高溫熱退火 550 ℃持續 24 小時，我們推測是由於高溫熱退火造成氧化鋅晶

格中產生氧缺陷或是鋅間隙，使原本有序的晶格產生了缺陷，因此增加了載子濃度而使

圖 5.9 (a)電阻率與T^^1/3搭配蒙地卡羅擬合參數作圖。(b)300 K 到 50 K 的環境下，電阻率與T^^1/3關係圖。

由圖 5.9(a)中可以觀察到，電阻率越大的樣品擁有較大的T ，將₀ 和T 做個關係圖，₀

如圖 5.10(a)，隨著電阻率的上升，T 會跟著上升。在第三章的原理中，我們知道樣品中₀ 晶格的無序會使樣品中出現許多侷域態，無序程度越高、侷域化程度提高、電子侷域長度縮短使導電度降低，代表侷域長度會和電阻率成反比，而在第三章的原理中，我們也可以知道侷域長度L 和_C T 存在一個關係式 ₀

0 2

B ( ) C

T  k g  L

(式 5.2) 其中k 是波茲曼常數，_B g( ) 是樣品中單位體積的能態密度，在此我們還無法確認能態密度g( ) 的數值，但是每片氧化鋅奈米片在製作成元件之前，都會以高溫熱退火 550℃

持續 24 小時，因此我們預期每一片氧化鋅奈米片元件都會有差不多的載子濃度，但在有未知數的狀況下也無法確認L 的數值，所以我們引入二維變程式跳躍傳輸在高場下須_C 遵守的公式 [5]，藉此來計算L 的數值。 _C

* 3 0exp(F ) I I

 F (式 5.3) 其中I 是常數，F 是電場，F₀ _*稱作特徵場(characteristic field)，將 5.3 式中的電場乘上電

極的間距 L，取自然對數後可改寫為

式可以將圖 5.10(a)的T₀轉換成L_C ，如圖 5.11 所示，隨著電阻率的上升，侷域長度會降低，符合二維變程式跳躍傳輸的理論。

RT ρ (Ω) g(ε) (eV^-1 cm^-2)

ZD09 ^6.870E6 ^6.02E10 ZD03 ^1.585E7 ^7.77E10 ZD05 ^1.199E7 ^8.70E10

表 2 大場量測之樣品電阻率與狀態密度一覽表。

跳躍(hopping)；而另外一個需要考慮的重點，特徵能量w需大於量測環境的熱能k T ，_B 在第三章的原理中，我們討論到兩個不同侷域態間的跳躍存在一個能量差 w，此能量差

稱作跳躍能量(hopping energy)，而跳躍能量 w 有一個關係式

1 0 3

1 ( ) 3 ^B

w k T T

 T ，以室溫 300 K 的條件下，將T 代入可以整理得到圖 5.12(b)，不同₀ T 的樣品在室溫條件下的跳躍能量₀ 皆大於環境熱能的 26meV，符合了二維變程式跳躍傳輸的規範；以平均跳躍距離及跳躍能量的觀點來看，氧化鋅奈米片皆符合二維變程式跳躍傳輸的理論。

圖 5.12 (a)跳躍距離與室溫電阻關係圖。(b)跳躍能量與室溫電阻關係圖。

而在變溫的情況下，跳躍距離以及跳躍能量會隨著溫度和T 而改變，其中₀ T 會隨著₀ 電阻率的不同而有差異，接下來我們將跳躍距離及跳躍能量以溫度和電阻率作為變數來作圖，我們依照T 的大小將電阻率分作三個區塊，溫度從 300 K 至 100 K 分作 21 個區₀ 塊；將跳躍距離和溫度與電阻率變化作圖如圖 5.13(a)，跳躍距離有 40 nm 到 67 nm 的變化，在室溫條件下，跳躍距離隨著電阻率的不同有 40 nm 到 50 nm 的變化，電阻率越高的樣品跳躍距離越短，在變溫條件下，跳躍距離約有 20 nm 的變化；將跳躍能量和溫度與電阻率變化作圖如圖 5.13(b)，跳躍能量有著 38 meV 到 100 meV 的變化，在室溫條件下，跳躍能量隨著電阻率的不同有 70 meV 到 100 nm 的變化，較大電阻率的樣品需伴隨著較高的跳躍能量才可發生跳躍，在變溫條件下，跳躍能量約有 40 meV 的變化。

圖 5.13 (a)特徵能量對溫度變化及室溫電阻率變化作圖。(b)特徵能量對溫度變化及室溫電阻率變化作圖。

在此小節中，我們確定氧化鋅奈米片元件遵守著二維變程式跳躍傳輸的規範。第一小節中，我們觀測了氧化鋅奈米片的外觀與幾何，認定氧化鋅奈米片是二維結構的材料；

在文檔中探索二維氧化鋅奈米結構傳輸機制與其狀態密度 (頁 43-62)