國立聯合大學
電子工程學系
101 學年度
專題研究報告
RTA 效應對 P 型 NiO 薄膜在酒精感
測上之研究
指導教授：李宜穆 教授
組 員：黃裕軒（U9822014）
羅介澤（U9822029）
張眙豪（U9822031）
吳尚璟（U9822036）
中華民國 101 年 9 月
I
摘要
本研究設計製作 P 型氧化鎳(NiO)薄膜電極元件，藉由不同 RTA 溫度改變，並做感測實驗的數據分析。首先我們必須學習如何製作前 P 型氧化鎳(NiO)薄膜前驅液，分析如何調配製作出一個完整均勻且 無缺陷的表面覆膜液配方，並藉此製作半導體薄膜，組裝電極的部份 我們選擇使用旋轉塗佈的方法可以得到較好的電性，塗佈完ㄧ次之後 進入烤箱進行第一次的焦化，取出後重複剛剛塗佈和焦化的步驟，放 置烤箱進行第二次的焦化，接續將完成兩次塗佈和焦化的氧化鎳(NiO) 電極使用快速熱退火爐進行不同溫度 RTA，最後將已製作完成的氧化 鎳(NiO)電極與使用過鍍金機鍍上金(Au)的 ITO 玻璃兩者進行組裝， 即完成最後要進行量測的成品，量測部分主要為感測實驗，使用 LCR 測試儀和電化學測試儀去做量測，環境部分我們分別是放置於不同濃 度的酒精中，最後得到數據以及頻率對增益的 Bode-plot、Nyquist-plot 和 I-V 曲線圖，從數據中找出Ret、Rs、𝑓char和𝑓t等值，並計算出 C 值和靈敏度，分析圖形以及數據在不同酒精濃度之下的差異和趨勢。II
目錄
第一章 緒論
---1
1.1 前言
---1
1.2 研究動機與目的
---2
第二章 實驗設備與方法
---3
2.1 實驗藥品
---3
2.2 實驗分析儀器
---5
2.3 實驗方法
---7
2.3.1 實驗步驟流程圖---8
2.3.2 氧化銦錫玻璃(ITO)基板之清洗---9
2.3.3 製備氧化鎳溶液---10
2.3.4 氧化鎳光電極薄膜製作---12
2.3.5 快速熱退火爐(RTA)之操作---13
2.3.6 半導體薄膜電極 LCR 量測---14
第三章 實驗數據與分析
---16
3.1 公式推導
---16
3.2 數據分析
---18
3.2.1 RTA150℃下不同酒精濃度的比較---19
3.2.2 RTA400℃下不同酒精濃度的比較---23
III
3.2.3 在相同酒精濃度下不同 RTA 溫度之比較---
27
3.2.4 固定 RTA 溫度下不同酒精濃度與 DI water 之 I-V 圖 比較---
28
3.2.5 靈敏度在不同 RTA 溫度下的比較---
30
第四章 結論
---32
第五章 後續研究
---35
IV
圖目錄
【圖 1】實驗步驟流程圖---8
【圖 2】經均勻混合後的乙醇(34ml)與正丁醇(17ml)以及 PEG 600(5.5g)---10
【圖 3】接續溶入醋酸鎳(6.221g)經充分混合後---11
【圖 4】接續滴入適量的氨水(4ml)於混和液中經充分混合後---11
【圖 5】氧化鎳電極薄膜實體和結構圖---13
【圖 6】氧化鎳電極與黃金箔膜電極組裝示意圖---14
【圖 7】使用藥盒自製簡易間隔器具---15
【圖 8】LCR 量測裝置圖---15
【圖 9】Nyquist-plot 各素值點標示圖---16
【圖 10】液態感測元件電路---17
【圖 11】液態感測元件 I-V 圖---17
【圖 12】RTA150℃下不同酒精濃度之比較 Bode-plot ---19
【圖 13】RTA150℃下酒精濃度 0.5% Nyquist-plot---19
【圖 14】RTA150℃下酒精濃度 1% Nyquist-plot ---20
【圖 15】RTA150℃下酒精濃度 30% Nyquist-plot ---20
【圖 16】RTA150℃下酒精濃度 90% Nyquist-plot ---21
【圖 17】RTA150℃下不同酒精濃度之比較 Nyquist-plot ---22
V 【圖 18】RTA400℃下不同酒精濃度之比較 Bode-plot ---
23
【圖 19】RTA400℃下酒精濃度 0.5% Nyquist-plot---23
【圖 20】RTA400℃下酒精濃度 1% Nyquist-plot---24
【圖 21】RTA400℃下酒精濃度 30% Nyquist-plot ---24
【圖 22】RTA400℃下酒精濃度 90% Nyquist-plot---25
【圖 23】RTA400℃下不同酒精濃度之比較 Nyquist-plot---26
【圖 24】在 RTA150℃下不同酒精濃度的比較 I-V 圖---28
【圖 25】在 RTA300℃下不同酒精濃度的比較 I-V 圖---28
【圖 26】在 RTA400℃下不同酒精濃度的比較 I-V 圖---29
【圖 27】在 3V 和 5V 時酒精濃度 1%下不同 RTA 溫度之靈敏度比較 圖---30
【圖 28】在 3V 和 5V 時酒精濃度 10%下不同 RTA 溫度之靈敏度比 較圖---31
VI
表目錄
【表 1】實驗相關藥品---3
【表 2】實驗相關儀器---5
【表 3】量測參數設定記錄表---18
【表 4】RTA 150℃下不同酒精濃度之比較表---22
【表 5】RTA 400℃下不同酒精濃度之比較表---26
【表 6】在相同酒精濃度下不同 RTA 溫度之比較表---27
【表 7】在 3V 和 5V 時酒精濃度 1%下不同 RTA 溫度之靈敏度數據 表---30
【表 8】在 3V 和 5V 時酒精濃度 10%下不同 RTA 溫度之靈敏度數據 表---31
1
第一章 緒論
1.1 前言
隨著人類經濟文明的進步，科技飛快的發展，生活品質相對的提 升，人們對環境上細微的變化，身體發出健康的警訊或者是威脅人身 安全因素也更加的注意與重視，為了要能夠精確調控這些變素，各式 的感測器也因此產生，舉凡各式液體，氣體，廣至各種不同環境下的 偵測，若能精準的把這些調變因素，介由感測器控制在最佳的範圍之 內，那想必對這新世代一定有很大的幫助 。其中酒精感測器亦屬其 中的ㄧ種，酒精的用途甚廣，運用在食品、釀酒、化妝品和醫療方面 可以使生活品質提高，但若攝取過多或使用在錯誤的地方，可能會影 響人體的健康，甚至是造成酒後駕車，造成社會安全的危害，為了能 使感測器擁有更精確、普遍和迅速性能，其中還有很多的內容值得我 們去探討和研究，期待有朝一日能發展出更簡便、先進、效能極佳的 感測器。2
1.2 研究動機與目的
由於在現在的新聞報導上，時常看到很多因酒精而誤了自己或別 人一生的案例層出不窮，不管是酒駕或是因酒精情緒失控做出了危害 社會的事情，給這社會造成了莫大的負擔，想信每個人看了也都憤憤 不平，因此我們特別想要研究設計感測器對酒精的反應，此類金屬氧 化物感測器具有製程簡單且成本低廉、穩定性高、回應速度快、高靈 敏度、壽命長等優勢，在未來極具發展的潛力。 本實驗設計的感測器，是將外界環境中預測量的物質之物理或化 學變化量轉換成電性變化表出圖表的裝置，上電極使用 ITO 玻璃電鍍 金(Au) ，下電極使用了塗上兩層的氧化鎳(NiO)做為半導體層，一樣 旋轉塗佈在 ITO 玻璃上，組裝好之後放置於不同的環境中做量測，我 們主要針對不同濃度的酒精(C2H5OH)去做感測實驗，比較在不同 RTA 溫度和酒精濃度之下進行分析，找出Ret、Rs、𝑓char和𝑓t等值，並計算 出電容值和靈敏度，分析圖形以及數據在不同酒精濃度之下的差異和 趨勢，並介由判別圖形上量測數據的走向來達到分辨不同酒精濃度的 目標。3
第二章 實驗方法
2.1 實驗藥品
【表 1】實驗相關藥品 編號 圖示 中文名稱 英文名稱 化學式 分子量 備註 1 氨水 Amonium Hydroxide NH4OH 35.05 － 2 去離子水 Deionized Water H2O 18.01 － 3 醋酸鎳 Nickel(II)Acetate Tetrahydrate Ni(CH3OO)24H2O 248.84 97% 4聚乙二醇 Polyethlene Glycol HO(CH2CH2O)nH
(n：聚合度)
4 5 無水乙醇 Ethanol C2H5OH 46.07 99.5wt% 6 正丁醇 n-Buty Alcohol CH3CH2CH2CH2OH 74.1 99.9% 7 丙酮 Acetone CO(CH3)2 58.08 95% 8 異丙醇 Isopropanol C3H3O 61.0 95%
5
2.2 實驗分析儀器
【表 2】實驗相關儀器 編號 圖示 設備名稱 設備用途 1 超音波震盪槽 (Ultrasonic Cleaners) 主要功能在於將溶液中，未完全溶 解之溶質振盪使其完全溶解。儀器 型號 D150h，製造廠商 DELTA。 2 電子天平儀 (Electronic Balance) 用於量測及調配藥品劑量 3 高溫爐(Furnace) 主要功能是高溫熱處理，其溫度範 圍：室溫～1200℃。儀器型號 RI-45，製造廠商 RISEN。 4 烘箱(Oven) 烘烤或預熱及去除多餘水分，也常 用於乾燥物體、清潔物體等。6 5 電化學分析儀 (Electrochemical workstation) 電化學分析儀是一種可單從控制 面板供給電壓、電流，量測一獨立 元件電流特性。可藉其得知元件本 身的電壓、電流及電阻值，也可利 用它和螢幕做同步分析，量測在固 定的電壓或電流下的電性，例如: 整流斜率、崩潰電流、起始電壓、 絕緣電阻等。儀器型號 ECW- 5000，製造廠商 Jiehan。 6 LCR 測試器 (LCR HiTESTER) 量測頻率可在 42Hz 到 5MHz 之間任意自由調整，能更容易量測 出被測物在高頻時的特性。儀器型 號 3532-50，製造廠商 HIOKI。 7 鍍金機(Sputter Coater) 主要功能是將樣本鍍上所需的金 屬薄膜，薄膜厚度及時間長短是條 件而定。儀器型號 k550，製造廠 商 EMITECH。
7 8 旋轉塗佈機 (Spin Coater) 主要功能為將樣品離心運轉，以達 到散撥液體及樣本之均勻塗佈。轉 速及加速度必須根據所需之薄膜 厚度來設定，且須液體黏度及樣本 材料而改變。儀器型號 SP-M1-S， 製造廠商力丞儀器。 9 快速熱退火爐 (Rapid Thermal Processing) 快速昇溫退火，溫控精準，但一次 一片，產出比較慢一點，可以通特 殊氣體，進行反應。儀器型號 MILA-5000，製造廠商 ULVAC。
8
2.3 實驗方法
2.3.1 實驗步驟流程圖
9 2.3.2 氧化銦錫玻璃(ITO)基板之清洗
氧化銦錫玻璃(Indium Tin Oxide,簡稱為 ITO)基板在移動及切割 的過程中，表面容易沾附粒子、油脂、有機與無機物質等雜質，而這 些污染物的吸附會降低 ITO 與其他結構間的接面品質，增大元件串 聯電阻的阻抗，為了提升品質與性能，在進行塗佈或濺鍍前 ITO 必 須經過一定的清潔，其清洗步驟如下： 1. 使用玻璃切割機將 ITO 基板切割成實驗所需 20×20 2面積。 2. 將 ITO 基板浸泡在丙酮(Acetone,ACE)中，以超音波震盪器震 盪 30 分鐘，清除表面的油泥積碳等。 3. 將 ITO 基板浸泡在異丙醇(Iso-proponal,IPA)中，以超音波震盪 器震盪 20 分鐘，以去除基板表面可能殘留油漬。 4. 將 ITO 基板浸泡在去水酒精中，以超音波震盪器震盪 30 分鐘， 以除去表面的異丙醇。
5. 將 ITO 基板浸泡在去離子水中(De-ionized Water,DI-Water)，以 超音波震盪器震盪 30 分鐘。
6. 觀察玻璃基板表面有無水漬殘留，有則重複步驟 1-4。 7. 以氮氣槍吹乾玻璃基板後，置入烤箱 50℃烘乾 30 分鐘。
10 2.3.3 製備氧化鎳溶液 製作氧化鎳固態電荷傳輸介質應用於液態感測器電路中，考 量利用溶膠-凝膠法可製備出孔徑大小一致且成膜均勻的氧化鎳 薄膜，並加入具有塑膜性與穩定性的聚乙二醇（PEG 600）當分 散劑，增加溶膠與基版的覆膜性，以其適當的長鏈式分子結構分 散包裹溶凝膠粒，形成三度空間隔離保護膜避免溶凝膠粒直接團 聚，在後續高溫結晶處理時，可以得到高比表面積的薄膜。 實驗流程： 1. 體積比 2 比 1 的乙醇(34ml)與正丁醇(17ml)，加入適量的 PEG 600(5.5g)，室溫超音波震盪 30 分鐘充分混和(如圖 2) 【圖 2】經均勻混合後的乙醇(34ml)與正丁醇(17ml)以及 PEG 600(5.5g)
11 2. 接續溶入醋酸鎳(6.221g)以配成所需濃度的前驅液，繼續於室 溫超音波震盪 30 分鐘(如圖 3)。 【圖 3】接續溶入醋酸鎳(6.221g)經充分混合後 3. 於室溫緩慢滴入適量的氨水(4ml)於混和液中，過程可觀察到 翠綠色溶液逐漸變成藍綠色，最後變成透明藍色的溶膠(如圖 4)，經由文獻可以得知醋酸鎳已同時完成水解與聚合反應形成 氫氧化鎳(Ni(OH)2)溶膠，在室溫超音波震盪 30 分鐘後，靜置 24 小時陳化，形成穩定均勻的覆膜液。 【圖 4】接續滴入適量的氨水(4ml)於混和液中經充分混合後
12 4. 使用陳化 24 小時的溶膠，旋塗在 ITO 導電玻璃上，每一層經 過 200℃焦化 1 小時，重複數次以獲得所需薄膜之厚度。 2.3.4 氧化鎳電極薄膜製作 1.將 NiO 溶液滴入 ITO 玻璃上，以旋轉塗佈機第一階段轉速 800rpm/ 20s 及第二階段轉速 4000rpm/20s 。 2.取出後放置烤箱，進行第一階段升溫 90 分鐘，第二階段恆溫 200℃ 一小時。 3.取出後在已覆有一層焦化過 NiO 層上滴入第二層的 NiO 溶液，進 行第二次的旋轉塗佈，第一階段轉速 800rpm/ 20s 及第二階段轉速 4000rpm/20s。 4.取出後一樣再次放入烤箱，進行第二次的焦化第一階段升溫 90 分 鐘，第二階段恆溫 200℃一小時。 5.完成前面步驟後，接續把樣本一次一片放進快速熱退火爐(RTA)， 進行燒結取出後(如圖 5)，再放入第二片，即完成氧化鎳光電極薄 膜。
13 【圖 5】氧化鎳電極薄膜實體和結構圖 2.3.5 快速熱退火爐(RTA)之操作 1. 將快速熱退火爐之電源打開暖機 1 小時，才可使用。 2. 設定目標溫度及升溫時間 3. 將試片放入載台後進入退火爐內，將機台後面的黑閥緩慢 轉開抽真空。 4. 按住 PB1 鍵持續 2~3 秒機器便會開始照設定的來升溫 5. 等待降溫完成後，將黑閥關閉並且將銀閥慢慢打開來洩真空。 6. 當壓力變回室壓後即可將載台退出退火爐並取出試片
膠帶
旋轉塗佈法氧化鎳薄膜
旋轉塗佈法氧化鎳薄膜
ITO 導電薄膜
14 2.3.6 半導體薄膜電極 LCR 量測 1. 將製作好的電極薄膜樣品平放於量測平台上，將膠帶區之膠 帶撕去，改貼上銅箔膠帶，再利用由電性量測機台連接出的 探針，接觸到樣品銅箔膠帶的一端，先測量是否呈現導電玻 璃之特性。 2. 將一片乾淨之 ITO 導電玻璃，以鍍金機鍍上黃金薄膜，並在 一邊貼上銅箔膠帶。 3. 確定導電玻璃的特性後，將製作好的電極薄膜與第二步驟鍍 好之黃金薄膜相結合，將其中一根探針移動到具有氧化鋅之 銅箔膠帶，探針外層在包覆ㄧ層絕緣膠帶以防兩根探針直接 接觸在一起造成短路妨礙量測，另一根探針移動到黃金薄膜 上之銅箔膠帶(如圖 6)。 【圖 6】氧化鎳電極與黃金箔膜電極組裝示意圖
15 4.接著我們取出圓形的兩面式藥盒，使用載物的那面，將圓形的 上下兩部分分別由上往下大約 0.5cm 處剪ㄧ個弓形掉，之後 再平面部分由上往下剪ㄧ個約 13mm×16mm 的矩形(如圖 7)。 【圖 7】使用藥盒自製簡易間隔器具 5.最後將第三步驟組裝好之兩電極中間安插入製作好之藥盒，其 主 要 目 的 是 為 了 讓 兩 電 極 間 產 生 空 隙 ， 間 隔 距 離 大 約 0.7mm。若是進行電性量測則接上電化學感測儀，進行感測 實驗則接上 LCR 測試器(如圖 8)。 【圖 8】LCR 量測裝置圖
16
第三章 實驗數據與分析
3.1 公式推導
【圖 9】Nyquist-plot 各素值點標示圖
𝐑𝐞𝐭:electron transfer resistance 是半圓的直徑，計算時起始的最低點 扣掉Rs及是Ret值。 𝐑𝐬:起始內建電阻值，通常是量測儀器與待測物間導線的電阻，希望 越小越好。 𝒇𝒕:為曲線半圓的起始點的頻率，也就是Ret稱為轉折點頻率Ft。 𝒇𝐜𝐡𝐚𝐫:當𝑍im達到最高峰值的頻率，也就是半圓的最頂點的頻率，被稱 為𝑓char。 𝛚𝐦𝐚𝐱:為 Nyquist-plot 圖中半圓最高點時的頻率(𝑓char)乘以 2Ω 所得之 值，也可以視為τ 之倒數
17 【圖 10】液態感測元件電路 𝐙𝐰: Warburg impedance，在低頻部分的電化學阻抗。 LCR 量測電容計算公式:
C =
1 Retωmax𝛕
值計算: τ = 1 ωmax=
1 2𝜋𝑓char 【圖 11】液態感測元件 I-V 圖 靈敏度計算公式: ∆R R0=
R測量濃度−RDI Water RDI Water ，實驗設計為在欲計算 濃度之 I-V 圖取 3V 和 5V 的時的電阻值來作為參考，R0是以 DI Water 下的電阻值為基準，∆R則是欲測量濃度電阻值與R0值的差C
R
etZ
wR
s18
3.2 數據分析
NiO 電極層製作: 第一層 NiO 製程 :自製之 NiO 溶液旋轉塗佈 濃度-層數 : 0.05M-一層 焦化 : 200 度一小時 第二層 NiO 製程 :自製之 NiO 溶液旋轉塗佈 濃度-層數 : 0.05M-一層 焦化 : 200 度一小時 RTA : 150℃、300℃、400℃ 酒精濃度調配: 將酒精和 DI water 依比例調配裝入封閉容器中震盪 5 分鐘 量測參數設定 【表 3】量測參數設定記錄表 RTA 溫度 濃度 溫度(℃) PH 值 RTA150℃ RTA300℃ RTA400℃ 90% 30% 10% 1% 0.5% 21.3 22.8 23.5 23.6 23.8 7.3 7.7 8.1 8.5 8.519 3.2.1 RTA150℃下不同酒精濃度的比較 (一) RTA150℃下 Bode-plot 不同酒精濃度的比較 【圖 12】RTA150℃下不同酒精濃度之比較 Bode-plot (二) 酒精濃度 0.5% Nyquist-plot -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 rta150 0.5% Z '' Z' 【圖 13】RTA150℃下酒精濃度 0.5% Nyquist-plot Ret = 3.81K ωmax= R1 etC 𝑓char = 420K 2637.6K =3.81K×C1 ωmax = 2π𝑓char C = 99.3pF = 2 × π × 420000 Ethanol 0.5% =2637.6K Ret = 3.81K
20 (三) 酒精濃度 1% Nyquist-plot -3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 rta150 1% Z '' Z' 【圖 14】RTA150℃下酒精濃度 1% Nyquist-plot Ret = 5.536K ωmax = R1 etC 𝑓char = 265K 1664.2K =5.536K×C1 ωmax = 2π𝑓char C = 108.5pF = 2 × π × 265000 Ethanol 1% =1664.2K Ret = 5.536K (四) 酒精濃度 30% Nyquist-plot -1 104 -8000 -6000 -4000 -2000 0 0 2000 4000 6000 8000 1 104 rta150 30% Z '' Z' 【圖 15】RTA150℃下酒精濃度 30% Nyquist-plot Ret = 8.51K ωmax= R1 etC 𝑓char = 167K 1048.76K =8.51K×C1
21 ωmax = 2π𝑓char C = 111pF = 2 × π × 167000 Ethanol 30% =1048.76K Ret = 8.51K (五) 酒精濃度 90% Nyquist-plot -2.5 104 -2 104 -1.5 104 -1 104 -5000 0 0 5000 1 104 1.5 104 2 104 2.5 104 rta150 90% Z '' Z' 【圖 16】RTA150℃下酒精濃度 90% Nyquist-plot Ret = 19.52K ωmax = R1 etC 𝑓char = 133K 835.24K =19.52K×C1 ωmax = 2π𝑓char C = 61.3pF = 2 × π × 133000 Ethanol 90% =835.24K Ret = 19.52K
22 (六) Nyquist-plot 不同酒精濃度比較 【圖 17】RTA150℃下不同酒精濃度之比較 Nyquist-plot (七) RTA 150℃下的數據表格整理 【表 4】RTA 150℃下不同酒精濃度之比較表 酒精濃度 Ret(KΩ) Rs(Ω) ft(Hz) fchar(KHz) C(pF) τ(us) 0.5% 3.81 34 1330 420 99.3 0.37 1% 5.536 64.78 1328 265 108.5 0.6 30% 8.51 35.72 1060 167 111 0.94 90% 19.52 28.85 1060 133 61.3 1.19
23 3.2.2 RTA400℃下不同酒精濃度的比較 (一) RTA400℃下 Bode-plot 不同酒精濃度的比較 【圖 18】RTA400℃下不同酒精濃度之比較 Bode-plot (二) 酒精濃度 0.5% Nyquist-plot -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 rta400 0.5% Z '' Z' 【圖 19】RTA400℃下酒精濃度 0.5% Nyquist-plot Ret = 3.97K ωmax= R1 etC 𝑓char = 333.6K 2095K =3.97K×C1 ωmax = 2π𝑓char C = 120.2pF = 2 × π × 333600 Ethanol 0.5% =2095K Ret = 3.97K
24 (三) 酒精濃度 1% Nyquist-plot -8000 -7000 -6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 rta400 1% Z '' Z' 【圖 20】RTA400℃下酒精濃度 1% Nyquist-plot Ret = 6.58K ωmax= R1 etC 𝑓char = 221K 1387.88K =6.58K×C1 ωmax = 2π𝑓char C = 114pF = 2 × π × 221000 Ethanol 1% =1387.88K Ret = 6.58K (四) 酒精濃度 30% Nyquist-plot -1.2 104 -1 104 -8000 -6000 -4000 -2000 0 0 2000 4000 6000 8000 1 104 1.2 104 rta400 30% Z '' Z' 【圖 21】RTA400℃下酒精濃度 30% Nyquist-plot Ret = 10.75K ωmax = R1 etC 𝑓char = 133K 835.24K =10.75K×C1
25 ωmax = 2π𝑓char C = 111pF = 2 × π × 133000 Ethanol 30% =835.24K Ret = 10.75K (五) 酒精濃度 90% Nyquist-plot -3 104 -2.5 104 -2 104 -1.5 104 -1 104 -5000 0 0 5000 1 104 1.5 104 2 104 2.5 104 3 104 rta400 90% Z '' Z' 【圖 22】RTA400℃下酒精濃度 90% Nyquist-plot Ret = 18.25K ωmax = R1 etC 𝑓char = 132K 828.96K =18.25K×C1 ωmax = 2π𝑓char C = 66.07pF = 2 × π × 132000 Ethanol 90% =828.96K Ret = 18.25K
26 (六)Nyquist-plot 不同酒精濃度比較 【圖 23】RTA400℃下不同酒精濃度之比較 Nyquist-plot (七) RTA 400℃下的數據表格整理 【表 5】RTA 400℃下不同酒精濃度之比較表 酒精濃度 Ret(KΩ) Rs(Ω) ft(Hz) fchar(KHz) C(pF) τ(us) 0.5% 3.97 39.54 1328 333.6 120.2 0.47 1% 6.58 29.67 1060 211 114 0.75 30% 10.75 18.67 1060 133 111 1.19 90% 18.25 29.01 1055 132 66.07 1.20
27
3.2.3 在相同酒精濃度下不同 RTA 溫度之比較
【表 6】在相同酒精濃度下不同 RTA 溫度之比較表 酒精 0.5%
RTA 溫度 Ret(KΩ) Rs(Ω) ft(Hz) fchar(KHz) C(pF) τ(us)
150 3.81 34 1330 420 99.3 0.37
400 3.97 39.54 1328 333.6 120.2 0.47
酒精 1%
RTA 溫度 Ret(KΩ) Rs(Ω) ft(Hz) fchar(KHz) C(pF) τ(us)
150 5.536 64.78 1328 265 108.5 0.6
400 6.58 29.67 1060 211 114 0.75
酒精 30%
RTA 溫度 Ret(KΩ) Rs(Ω) ft(Hz) fchar(KHz) C(pF) τ(us)
150 8.51 35.72 1060 167 111 0.94
400 10.75 18.67 1060 133 111 1.19
酒精 90%
RTA 溫度 Ret(KΩ) Rs(Ω) ft(Hz) fchar(KHz) C(pF) τ(us)
150 19.52 28.85 1060 133 61.3 1.19
28
3.2.4 固定 RTA 溫度下不同酒精濃度與 DI water 之 I-V 圖比較 (一) I-V 曲線在 RTA150℃下不同酒精濃度的比較
【圖 24】在 RTA150℃下不同酒精濃度的比較 I-V 圖
(二) I-V 曲線在 RTA300℃下不同酒精濃度的比較
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(三) I-V 曲線在 RTA400℃下不同酒精濃度的比較
30 3.2.5 靈敏度在不同 RTA 溫度下的比較 (一) 在 3V 和 5V 時酒精濃度 1%下不同 RTA 溫度之靈敏度比較 【圖 27】在 3V 和 5V 時酒精濃度 1%下不同 RTA 溫度之靈敏度比較圖 【表 7】在 3V 和 5V 時酒精濃度 1%下不同 RTA 溫度之靈敏度數據表 RTA 溫度 電壓為 3V 時的 R(KΩ) 電壓為 3V 時的 靈敏度𝛥𝑅R 0 電壓為 5V 時 的 R(KΩ) 電壓為 5V 時 的靈敏度𝛥𝑅R 0 150 12.39 0.85 4.43 1.34 300 13.88 0.60 5.09 0.77 400 12.28 0.40 4.44 0.18
31 (二) 在 3V 和 5V 時酒精濃度 10%下不同 RTA 溫度之靈敏度比較 【圖 28】在 3V 和 5V 時酒精濃度 10%下不同 RTA 溫度之靈敏度比較 圖 【表 8】在 3V 和 5V 時酒精濃度 10%下不同 RTA 溫度之靈敏度數據表 RTA 溫度 電壓為 3V 時的 R(KΩ) 電壓為 3V 時的 靈敏度𝛥𝑅R 0 電壓為 5V 時 的 R(KΩ) 電壓為 5V 時 的靈敏度𝛥𝑅R 0 150 17.75 1.65 9.37 3.95 300 13.99 0.92 6.27 1.18 400 17.75 1.03 8.41 0.54
32
第四章 結論
觀察在電極表面的阻抗變化過程，半圓的部分比較高的頻率符合 電子傳導極限過程(electron-transfer-limited process)，在較低的頻率範 圍的線性部分代表存在擴散極限過程 (diffusion-limited process)， Ret(electron transfer resistance)是半圓的直徑。
在低頻率時，理論上阻抗圖為一條垂直線，平行於虛軸，然而量 測為斜線可解釋為表面的不同質和"constant phase element" ，導致直 線小於 π/2，意味著樣品表面有不同的毛孔、尺寸和複合電極存在， 導致低頻阻抗轉移。
在頻率 42-107Hz 中，感測的酒精濃度分別為 90%、30%、1%和 0.5%，圖中的半圓會隨著濃度變低而變小，當 im(Z’’)達到最高峰值 的 頻 率 ， 被稱 為fchar， 在fchar的 附 近 (稱 為 電 介 質 物理 理 論中 的 “dispersion region”) 介電係數達到迅速變化和介質損耗最大。fchar 隨酒精濃度減少而增加，ft為曲線半圓的起始點，稱為轉折點頻率ft， 轉折點頻率會隨酒精濃度減少而增加。
33 由實驗數據分析可得結論: 1. 從圖 17 和表 4 中可推斷，當使用 RTA 溫度 150℃的氧化鎳(NiO) 電極做量測時，環境處於的酒精濃度越大，Nyquist-plot 圖中的半 圓也會隨之變大，反之當環境的酒精濃度降低，Nyquist-plot 圖中 的半圓也會隨之變小。 2. 從圖 23 和表 5 中也可推斷，當使用 RTA 溫度 400℃的氧化鎳(NiO) 電極做量測時，Nyquist-plot 圖中的半圓也會隨之變大，反之當環 境的酒精濃度降低，Nyquist-plot 圖中的半圓也會隨之變小。由此 點和第一點結論推測，RTA 溫度的高低只會有些微的影響，但並 不會影響圖形整體走向的趨勢。 3. 由表 6 中可看出在同樣酒精濃度下，RTA 溫度高的fchar均會略小 於 RTA 溫度低的，代表ωmax值也擁有一樣的特性。 4. 由表 4 和表 5 中可判斷素值Ret 和 τ值隨著量測的酒精濃度越高而 變大，反之則變小。 5. 由表 4 和表 5 中可判斷素值ωmax、fchar隨著量測的酒精濃度越高 而變小，反之則變大。
34 6. 由表 6 中可看出在同樣酒精濃度下，RTA 溫度高的τ值均會略高 於 RTA 溫度低的。 7. 在圖 24、25、26 中可得知在三種不同 RTA 溫度下，隨著量測環 境酒精濃度越高，I-V 曲線中的電流則有越低的趨勢，特別又在 RTA150℃和 RTA300℃時較為顯著 8. 由圖 27、28 和表 7、8 可得知，在同樣濃度的酒精下，靈敏度隨 著 RTA 的溫度提升，靈敏度也隨之降低，而在 I-V 曲線中取 5V 時電阻值所計算的靈敏度值趨勢又較 3V 時更為顯著。
35
第五章 後續研究
後續我們希望將此實驗加入 SEM 電子顯微鏡分析，使用 SEM 電 子顯微鏡，量測出它的晶面結構，晶柱的長度，直徑等，針對不同 RTA 溫度結晶形態的差異去做分析，並且也增加更多 RTA 溫度樣本 和酒精濃度進來做比較，可以改善此次在比較高 RTA 溫度時，結果 比較不明顯的問題。氧化鎳(NiO)的部分如果成果顯著並告一段落， 研究方向可能會將此量測方法延伸至其他種類的半導體薄膜，如氧化 鋅(ZnO)和二氧化鈦(TiO2)等，研究不同材質間溶液製作差異，探討不 同薄膜材質間量測的差別，並且也針對感測實驗去做深入的研究，此 種材料更可以廣泛運用到太陽能電池或是其他有關半導體製程的領 域，希望以後的實驗，可以ㄧ次比ㄧ次進步，達到我們期望的目標。未來建議與方向
1. 由於 NiO 屬於 P 型半導體薄膜，若與 N 型半導體材料疊合，產 生 PN 接面，藉此探討不同型態的半導體薄膜接面對空乏區的影 響，分析空乏區的改變對圖形以及數據上的差異。 2. 學習如何將感測實驗運用至氧化鋅(ZnO)和二氧化鈦(TiO2)，研究 不同材質的半導體材料，或是在電極中加入參雜，研究在感測實 驗上不同的趨勢和結果，並藉此將不同型態的材料做異質接面達 到前一點所需的要求。36
第六章 參考文獻
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