圖32 為Y01 500 oC成長之試片，表面可見許多三角形或V字形或多個V 字形組合成之二次成核成長之顆粒，在這些顆粒底部為連續薄膜，在截面 TEM (圖 44)影像可清楚看到這一層連續薄膜與二次成核生成的顆粒。圖 35 為YSZ (111)基板之AFM影像，表面粗糙度僅 0.1 nm，圖 36 是試片Y01 連 續薄膜部分之AFM影像及表面粗糙度分析，在這些區域可視為極為平坦的 表面，表面粗糙度僅有0.7 nm，可見在 500 oC有機會成長出大面積均勻平 坦的氧化鋅薄膜。圖33 為Y02 600 oC成長之試片，表面呈粗糙連續薄膜，
不規則形狀較大晶粒分佈於連續膜中，圖34 為Y03 700 oC成長之試片，由 較大柱狀晶粒連接成連續薄膜，晶粒尺寸介於100 nm-250 nm。
忽略Y01 表面二次成核顆粒，當成長溫度提高時，類似於Si基板，氧化 鋅由二維成長平坦薄膜逐漸轉變為三維成長柱狀晶粒。採用兩階段成長方 式，極有可能在500 oC成長出高品質平坦氧化鋅磊晶薄膜。
z 結構分析
在結構分析部分將分幾個部分討論：XRD，由繞射峰值鑑定晶體結構；
截面TEM，由擇區繞射(SAD)分析氧化鋅與 YSZ 磊晶結構關係，膜厚推算 成長速率，two-beam 暗場(DF)影像差排分析；平面 TEM，由 SAD 分析晶
粒間方向關係；界面HRTEM，分析界面原子排列及差排位置。
圖37 為YSZ(111)之XRD繞射分析圖譜，YSZ晶格常數 0.5125 nm。圖 38 為試片Y01-Y03 之XRD繞射分析圖譜，所有試片結構皆屬六方晶的 wurtzite結構，氧化鋅僅出現(0002)及(0004)繞射峰，其餘訊號皆由YSZ所貢 獻，表示在YSZ基板上成長之氧化鋅具有強烈[0001]成長方向，然而其繞射 峰形狀並非對稱，推測其原因為當成長結束降溫時，由於YSZ熱膨脹係數大 於氧化鋅a軸熱膨脹係數，使得試片冷卻至室溫時氧化鋅承受壓縮應力，導 致a軸方向產生應變而縮短、c軸方向拉長，較大的(0002)平面間距反應到 XRD圖譜即為繞射峰往低角度平移，分析Y01-Y03 其(0002)繞射峰皆可在低 於(0002)約 0.32o分離出一繞射峰，換算其平面間距差異約0.002 nm。Y01、
圖39 為Y01 之截面TEM明場影像(bright field image,BF image)及界面部 分擇區繞射(selected area diffraction,SAD)，在此條件下成長的氧化鋅為均勻 平坦薄膜，膜厚120 nm，成長速率約為每分鐘 4 nm，晶粒大小 45 nm，此 結果與XRD分析結果相近。分析其界面SAD，係由兩組繞射圖形所構成，
除此之外並無其他繞射貢獻，分別為氧化鋅[2110] zone軸、YSZ [011] zone
軸；氧化鋅[0110] zone軸、YSZ [112] zone軸，氧化鋅與YSZ具有磊晶關係 (0002)ZnO∥(111)YSZ、(1120)ZnO∥(220)YSZ，氧化鋅c軸方向平行YSZ [111]軸 方向，氧化鋅[1120]亦平行YSZ [110]軸方向。圖 45 為日本Hosono實驗室提 出的ZnO/YSZ界面關係[24]，由於氧化鋅(0001)面與YSZ (111)面具有相近的 結構，氧化鋅與YSZ可形成良好的異質界面磊晶，磊晶關係(0002)ZnO∥ (111)YSZ、(1120)ZnO∥(220)YSZ，在YSZ [110]方向與ZnO [1120]方向其晶格差 異約10%，這個模型與本實驗所觀察到的結果是完全吻合的。在BF image 中可發現氧化鋅具有類似於柱狀結構晶粒，其晶界可能為差排構成的低角 度晶界，晶粒間的影像對比可能來自於晶粒與晶粒間存在微小的in-plane角 度差異。除一般BF image，為了解其差排分布情形，亦對試片傾轉做 two-beam條件BF、DF影像，在two-beam條件分別選擇[1120]及[0002]兩組gv 向量，根據文獻[41]氧化鋅內部可能存在三種形式之差排:刃差排 為Y01 之HRTEM影像，圖上方為氧化鋅下方為YSZ，界面部分極為平整並 具有一層約1 nm厚的界面層，其對比可能為氧化鋅由FCC結構轉換為 wurtzite結構或是試片製作時界面被離子減薄機離子束破壞，下方之繞射圖 形為界面部分之傅立業轉換(FFT)，繞射點由氧化鋅[2110] zone軸繞射點、
YSZ [011] zone軸繞射點組成，並具有磊晶關係(0002)ZnO∥(111)YSZ，取YSZ (111)及氧化鋅(0111)繞射點做反傅立葉轉換(inverse FFT)，可明顯在界面處發 現周期性出現之misfit dislocation，周期約 2.45 nm，YSZ (111)平面間距 0.295 nm、氧化鋅(0111)平面間距 0.246 nm,將其換算為在表面之間距分別為 0.311 nm及 0.284 nm，由Frank-van der Merwe模型[42]計算其misfit dislocation週期 為2.84 nm與實驗結果相近。若將FFT處理範圍擴大，選擇所有繞射點做 inverse FFT，可發現氧化鋅排列非常整齊。此外，圖 44 為試片Y01 中二次 成核晶粒截面BF影像，成核位置約在薄膜中心，推測原因為前驅物加熱時 間與揮發量並不是線性關係，因此在前驅物加熱一段時間之後揮發量提高 時提高了成核速率，形成二次成核成長之晶粒。整體而言，以YSZ (111)為 基板500 oC成長之氧化鋅，具有柱狀結構，沿[0001]方向成長，氧化鋅與YSZ 具良好磊晶關係，成長速率每分鐘4 nm，可達成極平坦之表面，結晶品質 良好。
圖40 為Y02 600 oC成長氧化鋅之截面TEM BF影像及界面部分SAD，在 此條件下成長的氧化鋅為表面呈錐形之柱狀結構，平均膜厚390 nm，成長 速率約為每分鐘13 nm，晶粒大小約 60 nm，其柱狀結構之晶界可能為差排 構成之低角度晶界，晶粒間存在極微小的角度差異造成影像中黑白對比略 有差異。其界面SAD與試片Y01 相同，係由兩組繞射圖形所構成，除此之 外並無其他繞射貢獻，分別為氧化鋅[2110] zone軸、YSZ [011] zone軸，氧
化鋅與YSZ具有磊晶關係(0002)ZnO∥(111)YSZ。圖 42 為Y02 之俯視TEM影 像，在較低倍率影像可看到些許影像對比較亮之不規則顆粒，SAD圖形主 要由氧化鋅[0001] zone軸繞射與數顆其他繞射點所構成，將放大倍率提高選 擇有較亮顆粒及無顆粒部分拍攝SAD影像，其SAD範圍約為直徑 1 μm的 圓形範圍，在無顆粒部分SAD為單純的氧化鋅[0001] zone軸繞射點，有顆粒 部分則多出氧化鋅｛0001｝繞射點，可能為二次成核成長之晶粒，證明在 較低倍率影像所取SAD雜點來自於對比較亮之不規則顆粒，相較於 500 oC 成長之試片600 oC成長之試片其二次成核成長之晶粒較少，推測其原因為 在較高的成長溫度其成長速率較快，形成較少的二次成核點，因此在表面 形貌觀察部分較少發現二次成核成長晶粒，對無顆粒部分再放大，可觀察 到氧化鋅晶粒形狀呈三角形或六角形，部分黑白對比可能來自於試片製作 時在離子減薄機中試片表面受到污染。整體而言，以YSZ (111)為基板在 600
oC成長之氧化鋅具三角柱狀晶粒，沿[0001]方向成長，氧化鋅與YSZ具有良
好的磊晶關係，成長速率約為500 oC之三倍，但表面無法達到均勻平坦之 狀況。
圖41 為Y03 700 oC成長氧化鋅之截面TEM BF影像及SAD，在此條件下 成長的氧化鋅為錐狀晶粒，表面甚為粗糙，平均膜厚264 nm，成長速率約 為每分鐘8.8 nm，晶粒大小平均 163 nm。其界面SAD，係由兩組繞射點所 構成，除此之外並無其他繞射貢獻，分別為氧化鋅zone軸[0110]、YSZ zone
軸[112]，氧化鋅與YSZ具有磊晶關係(0002)ZnO∥(111)YSZ、(1120)ZnO∥ (220)YSZ。圖47 為試片Y03 之HRTEM影像，圖上方為氧化鋅下方為YSZ，
界面部分極為平整並具有一層約1 nm厚的界面層，下方繞射圖形為界面部 分之傅立業轉換(FFT)，繞射點由氧化鋅[2110] zone軸繞射點、YSZ [011] zone 軸繞射點組成，並具有磊晶關係(0002)ZnO∥(111)YSZ，取YSZ (111)及氧化鋅 (0111)繞射點做反傅立葉轉換(inverse FFT)，在界面處存在許多差排，但無明 顯週期，將FFT處理範圍擴大並以所有繞射點做inverse FFT，在稍離界面處 可發現許多差排及疊差存在，推次其原因為在700 oC成長其反應速率過快，
使得吸附原子來不及移動到最適當的排列位置。整體而言，以YSZ (111)為 基板700 oC成長之氧化鋅，表面極為粗糙，由錐狀晶粒佈滿基板，成長方 向為[0001]，成長速率介於 500 oC及 600 oC之間，晶粒與基板間亦具磊晶關 係，但結晶品質較差，晶粒內差排及疊差較500oC成長之氧化鋅多。
z 發光特性
圖48 為YSZ基板之PL分析圖譜，為分辨氧化鋅在綠光區之發光特性，
所有以YSZ作為基板之試片其PL分析圖譜都經過去除YSZ訊號處理，其方 法為取波長600 nm-650 nm範圍之PL圖譜，將YSZ基板訊號調整與試片相 同，然後將試片之訊號扣除YSZ之訊號。圖 49 為Y01-Y03 PL分析圖譜，所 有試片皆在波長382-384 nm出現訊號峰，對應能量 3.22-3.24 eV，低於氧化 鋅能階3.37 eV約 130-150 meV。在Y01 500 oC成長氧化鋅PL分析圖譜中波
長384 nm訊號峰半高寬 21.21 nm，384 nm/500 nm訊號強度比 10.2；Y02 600
oC成長氧化鋅其波長 382 nm訊號峰半高寬 18.05 nm，382 nm/500 nm訊號強
度比55.6；Y03 700 oC成長氧化鋅其波長 382.5 nm訊號峰半高寬 16.54 nm，
382.5 nm/500 nm訊號強度比 1.1。在 500 oC、600 oC成長之氧化鋅幾乎沒有 出現綠光之訊號，而在700 oC成長之氧化鋅出現強烈綠光訊號，說明在 600
oC以下成長之氧化鋅可能具有較少之氧空缺，此結果與以Si為基板相似，由 結構分析之結果Y02 600 oC成長之氧化鋅具有良好結晶性，且具有較大晶 粒，故Y02 在UV/green emission強度比有最佳結果，在試片Y08 500 oC成長 較厚之氧化鋅可明顯發現其UV/green emussion強度比有顯著提升。由結構 分析結果，在高溫成長之氧化鋅具有較大之晶粒，這說明UV emission訊號 峰之半高寬隨溫度上升而下降。整體而言以YSZ為基板，氧化鋅UV emission 往長波長移動，隨溫度提高UV訊號峰半高寬下降反應晶粒尺寸提高，超過 600 oC則開始出現綠光區訊號，反應高溫成長速率較快可能具有較多缺陷形 成氧空缺，綜合以上在600 oC成長氧化鋅具有最佳發光特性。