第四章 結果與討論
4.2 VLS 法成長氧化鋅奈米線/奈米鑽石薄膜之性質
4.2.1 型貌分析
此實驗步驟同樣使用平均粒徑大小(grain size)約為 230 nm、平均膜厚約為 300 nm 之奈米鑽石薄膜。圖 4-10 為 VLS 成長氧化鋅奈米線之 SEM 上視圖 以及側視圖，經測量後得到奈米線的平均直徑約為80 nm，平均長度約為 2.5 μm。與水熱法成長之氧化鋅奈米線相比，平均直徑以及長度皆比水熱法成 長之奈米線大。
(a)
(b)
4.2.1 X-ray 繞射儀之分析
圖4-11為使用VLS法來成長氧化鋅奈米線/奈米鑽石薄膜的XRD結構分 析圖。比對JCPDS card後可以觀察到X-ray繞射圖中的峰值為氧化鋅奈米線的 特徵峰値，證實此結構為氧化鋅之HCP結構[73]。氧化鋅繞射峰值中，以C 軸方向(002)為優選方向(preferred crystal orientation)，也就是垂直基板的方 向。另外，由於VLS法特殊的成長奈米線方式，作為觸媒層的金薄膜也會在 X-ray繞射圖中發現結晶的峰值，比對JCPDS card後證實為金之結構[88]。
圖4-11 VLS 法成長氧化鋅奈米線/奈米鑽石薄膜複合結構之 XRD 分析
4.2.3 拉曼光譜儀之分析
本實驗項目拉曼光譜儀的分析參數為以下幾項，光源波長：514 nm、光 束大小：5 μm、功率：5 mW。如圖 4-12 所示，氧化鋅奈米線/奈米鑽石薄膜 的峰值在437.9 cm-1、半高寬為32.4，VLS 法成長之氧化鋅奈米線之半高寬 比水熱法成長之奈米線大。根據 4.1.3 節可得知，此峰值所代表的是氧化鋅
高頻非極性光學聲子，觀察到非極性光學聲子證實使用 VLS 法成長之氧化
鋅奈米線同樣具有六角纖鋅礦結構的特徵表現[78]。
圖4-12 VLS 法成長氧化鋅奈米線/奈米鑽石薄膜複合結構之拉曼光譜分析
4.2.4 UV 拉曼光譜儀之分析
本實驗項目拉曼光譜儀的分析參數為以下幾項，光源波長：325 nm、光 束大小：5 μm、功率：20 mW。如圖 4-13 所示，由 4.1.4 節可知，574 cm-1 所 代表的是A1軸向光學模態，1149 cm-1處所代表的是二次共振軸向光學模態
[79]。另外，此
UV 拉曼光譜圖與水熱法成長結構之 UV 拉曼光譜比較後可以觀察到，VLS 法成長之氧化鋅奈米線於 332 cm-1 處還有一較為微弱的峰 值，此處峰值代表的是二次共振非極性光學聲子的表現[79]。
圖4-13 VLS 法成長氧化鋅奈米線/奈米鑽石薄膜複合結構之 UV 拉曼光譜分 析
4.2.5 光激發螢光光譜儀之分析
圖 4-14 可得之 550 nm 處氧空缺綠光發光強度比 380 nm 氧化鋅本身紫
外發光強度還高，因此，推測本實驗利用 VLS 法成長之氧化鋅奈米線氧空
缺數量很多，根據4.1 之結果，氧空缺有助於電性傳導，推測利用 VLS 法成 長之氧化鋅奈米線於電性傳導特性應優於水熱法成長之奈米線。
圖4-14 VLS 法成長氧化鋅奈米線/奈米鑽石薄膜結構之 PL 分析
4.2.6 I-V 曲線之分析
利用多功能萬用電錶量測 I-V 曲線圖，輸入電壓範圍為 -30 V~ 30 V。定 義元件對光電特性的靈敏度為光電流與暗電流的比值，由圖4-15 可得 VLS 法成長氧化鋅奈米線/奈米鑽石薄膜結構的試片靈敏度約為 1.6。根據 4.1.6，
水熱法成長之氧化鋅奈米線/奈米鑽石薄膜複合結構所量得的電流大小約為 10~100×10-6 A，而利用 VLS 法成長之氧化鋅奈米線/奈米鑽石薄膜複合結構 之電流大小約為5~10×10-3 A，由此可知，VLS 法成長之氧化鋅奈米線擁有 較佳的電傳導特性，在場發射特性的表現上可能也會有較為突出的現象。
圖4-15 VLS 法成長氧化鋅奈米線/奈米鑽石薄膜結構之 I-V 曲線
4.2.7 場發射特性之分析
同樣利用場發射特性曲線來驗證實驗假設，具有負電子親和力的奈米鑽 石薄膜與具ㄧ維結構的氧化鋅奈米線組合，是否可以將場發射特性有效地提 升，在本階段所成長之氧化鋅奈米線均以VLS 法來成長。圖 4-16 中可得知，
奈米鑽石薄膜、氧化鋅奈米線/矽基板、氧化鋅奈米線/奈米鑽石薄膜，三者 所量測得到的起始電場有逐漸降低的趨勢，臨界電流密度也可有效地提升至 6×10-4 A/cm2，各組複合結構之詳細起始電場以及臨界電流密度數據如表4-3 所示。由此結果可證明氧化鋅奈米線/奈米鑽石薄膜結構確實有效地提升場 發射特性。
表4-3 VLS 法成長氧化鋅複合結構之起始電場以及臨界電流密度
Turn on field
(V/μm)
Critical current density (A/cm2)
Nanodiamond 21.4 2.9×10-6
ZnO NW/Si 12.8 8.2×10-5
圖4-17 VLS 法成長氧化鋅奈米線複合結構之 F-N 特性圖
表4-4 VLS 法成長氧化鋅複合結構之場增強因子 Field enhancement factor, β
Nanodiamond 497
ZnO NW/Si 386
ZnO NW/ND 1565
將 VLS 法成長之氧化鋅奈米線/奈米鑽石薄膜複合結構與水熱法成長之 氧化鋅奈米線/奈米鑽石薄膜(濺鍍法製作起始層)複合結構相比較，ZnO NW/ND-hydrothermal 之起始電場 (5.6 V/μm)優於 ZnO NW/ND-VLS (6.5
(β=1565)優於 ZnO NW/ND-hydrothermal (β=1286)。參考前述之 PL 與 I-V 量 測分析，當結構的氧空缺變多時，結構之電傳導性也會變好，可推測當材料 電傳導性變好時，場發射特性也會隨著提升。