例子為 1988 年由德國的 Peter Andreas Grünberg 以及法國的 Albert Fert 所提出的巨磁阻效應。在工作上，儘管磁場很小，巨磁阻物質仍可產生足夠的 電流變化。因此可在縮小讀寫頭的情況下提升儲存容量，而大幅提高資料儲存 的密度。而此原理也被運用科技商品中，例如：現今市面上的筆記型電腦越來 越輕薄，而儲存容量及效能卻是十年前電腦的數倍。如今，此技術在科學、商 業上取得巨大的成就。因應科技發展的趨勢，科學家們陸續提出不同自旋電子 的雛型元件，例如：磁阻隨機存取記憶體(Magnetoresistance Random Access Memory)、量子電腦(Quantum Computer)等等…目前已成功研發出許多自旋電子 元件。因此，結合磁學(magnetism)與電子學(electronics)兩大領域的自旋電
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子學以及自旋電子元件的應用，被視為未來有發展潛力的科技研究學門。
在自旋電子學與電子自旋的元件眾研究中，鐵磁性半導體（ferromagnetic semiconductor）可藉由光、磁場以及電場來加以操控磁性或自旋，被認為是能 快速整合到現有的半導體元件中的材料。而其中最受矚目的稀磁性半導體
（diluted magnetic semiconductor，簡稱DMS），是將過渡金屬摻入半導體的 晶格中，結合了半導體的電性質及過渡金屬的磁性質。當傳導電子經過DMS時，
會與其磁性原子外的電子產生交互作用，使通過的傳導電子，與DMS有相同的自 旋極化方向。此外，研究指出，在居禮溫度(Curie temperature)以下DMS能帶 的基曼分裂(Zeeman splitting)可以產生大的自旋偏極化，因此DMS可作為自旋 電子元件中提供自旋極化的載子源[1]。然而，DMS材料的居禮溫度能否適配元 件的工作溫度，成為該材料能否持續發展的重要考量，因為室溫的操作環境是 電子元件的必要條件。當21世紀初科學家預測出氧化鋅的居禮溫度可能超過室 溫[2]，且發現氧化鋅經過渡金屬參雜後將有室溫鐵磁性後[3]，磁性材料摻雜 奈米材料被視為新興的DMS，從此開始廣泛地被科學家研究。
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1-1.2 科技發展與氧化鋅奈米柱的發展與應用
回顧科技發展的進程，自 1980 年代以來，零維奈米材料的研究已獲得相當 大的進展。一維奈米材料因為幾何形態的不同，在研究與製備的過程中面臨全 新的挑戰。而在 1991 年日本電氣公司研究員飯島澄男博士發現奈米碳管後，一 維奈米科技引起許多科學家的興趣，隨即開啟對於筆直、具有大長徑比之一維 奈米材料的研究熱潮。一維奈米材料的發展日新月異，有許多不同形狀和由不 同元素合成的一維奈米材料開發出來。如奈米管、奈米線、奈米柱。
氧化鋅，作為直接寬能隙半導體，室溫下能隙約為 3.4eV，有較高的激子 束縛能(exciton binding energy, ZnO~60meV ，GaN~25meV) [4]。是具有優異 光電性能和壓電性能的多功能晶體。因此，在許多元件發展上，都具有極大的 潛力，例如:太陽能電池、壓電轉換器。此外，氧化鋅也相當適合製作高效率藍 色、紫外發光和探測器等光電器件。例如在藍光相關半導體[4]與光催化領域 [5]。而氧化鋅奈米柱有著穩定的物性、高面積、易製備等優點，因此適合作為 研究的材料。
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1-1.3 表面電漿共振與磁電漿子
表面電漿共振，被認為是金屬內部傳導的自由電子與入射光相互作用，導 致電子團在金屬表面集體震盪的現象。二十世紀初，科學家在一項光學實驗首 次發現此現象[6]。1971 年，隨著 SPR 檢測被提出，可被運用在定制光學響應 上。SPR 檢測開始在各領域被研究與運用。於生物、醫療檢測，含金奈米膠體 溶液應用於生化感測器檢測蛋白質[7]。此外，有研究提出銀對介電系數改變的 敏感度大於金兩倍[8]，顯示不同金屬電漿共振頻率的差異，以及銀粒子電漿共 振的應用的高度潛力，例如，樣品摻雜貴金屬後能輔助強化樣品原有的光電特 性[9, 10]。
為了進一步實際運用，科學家開始尋找有效調控表面電漿共振效應的可能 性。而使用磁場作為調製源被認為是用途最為廣泛的方法。近年，有研究將表 面電漿共振結合磁學領域，使用具有表面電漿子特性的金奈米粒子膠體溶液，
在外加磁場下進行光學量測，發現其圓二色光譜有產生明顯的訊號變化[11]，
稱之為磁電漿子(Magneto plasmonic)。在我們實驗室先前的工作中，也曾使用 磁電漿子輔助調控材料的磁光特性[12]。
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1-2 研究動機
1-2.1 氧化鋅奈米柱的物理特性
本論文研究的主要材料，為電化學成長的氧化鋅奈米柱。除了在製程上有 著低溫度成長，易製備的特點。在結構上，比起氧化鋅薄膜，擁有更高的表面 積比與更多的表面缺陷，可在後續製程中達到更高的摻雜率，且擁有優秀的光 學應用性。因此，電化學成長的氧化鋅奈米柱在奈米，在複合材料的開發上更 具有一定的潛力。
1-2.2 氧化鋅奈米柱的相關研究
氧化鋅奈米柱在過去的研究中，顯示氧化鋅奈米柱在磁光調控的發展潛 力。例如，有研究指出鈷摻雜氧化鋅奈米柱的光學性質可被外部磁場調控 [13]，另有研究使用磁電漿子輔助調控光吸收[12]。
1-2.3 奈米銀粒子的表面電漿共振
金屬奈米粒子表面電漿共振行為，被發現能有效的增強奈米材料特性。例 如，有研究指出奈米銀可以強化氧化鋅奈米柱的光電特性[8]。奈米銀粒子的表 面電漿共振頻率在 3.3ev~3.6ev 間，與氧化鋅奈米柱的能隙 3.4ev 相近。在相 同波長的光照射下，有機會使兩種材料的光學現象產生耦合。
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1-2.4 實驗發想
圖1.1為實驗發想概念圖。在先前的研究中，展示了鈷/氧化鋅奈米柱具有 可被磁場調控調的磁光現象[13]。此外，由於銀的表面電漿共振頻率與氧化鋅 奈米柱能階相近。若兩者的光學現象產生耦合，則有機會去改變或增強氧化鋅 奈米柱的光學特性。在目前研究中，光電半導體、鐵磁性、表面電漿共振三個 領域耦合磁光特性的研究尚未明瞭。因此，若將三種材料開發成複合材料，並 進一步使用外加磁場調控，將有機會製備具開發潛力的電子自旋元件候選材 料。
圖 1.1 實驗發想概念圖。
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