行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
利用光伏特系統及製備多重能隙電極來分解水製氫氣(2/3)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2214-E-002-009- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學化學工程學系暨研究所 計畫主持人： 萬本儒 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 5 月 28 日
利用光伏特系統及製備多重能隙薄膜來分解水製氫氣
Photodecomposition of water to H
2by multiple bandgap thin films in
a photovoltaic system
計畫編號：NSC 92-2214-E-002-009 執行期間：92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日 主持人：萬本儒a 洪傳獻b a國立台灣大學化工系教授 b工研院材料所國際合作室主任 一、中文摘要(關鍵字：光電水分解， 多重能隙，氫氣，氧化鐵，薄膜) 本研究期望從設計、製作新型的 多重能隙半導體薄膜及應用兩極的 光伏特系統，來進行太陽光水分解製 氫程序。本研究選擇氧化鐵(Fe2O3) 和矽(Si)為雙重能隙薄膜的材料，銦 錫氧化物(ITO)為透光導電層。由於矽 和 ITO 的薄膜製備技術成熟，再加上 Fe2O3 為 n 型半導體材料，故製備 p-Fe2O3 薄膜則成為本研究的關鍵。 在 p-Fe2O3薄膜的製備上，本研究選 擇用物理濺鍍法來獲得。本研究為三 年期的計畫，由前期研究已發展出， 利用 Mg 原子的摻雜，可得到製備 p-Fe2O3 濺鍍靶材的最佳處理條件。 今年為計畫的第二年，為了獲得光電 效率高的 p-Fe2O3薄膜，本研究以該 p-Fe2O3 當濺鍍靶材，探討不同濺鍍 條件對薄膜的影響。並且，建立一套 光電量測系統，由 XRD、UV-Vis、 α-step、EDS 和光/暗導電度比來鑑 定薄膜性質。由研究結果可發現，電 漿氣體組成是影響 p-Fe2O3薄膜性質 的主因。當電漿氣體中 Ar 濃度越大， p-Fe2O3薄膜越易生成 Fe3O4，使薄膜 能隙值降低。因此，p-Fe2O3 薄膜的 最佳製備條件為在 O2 電漿下濺鍍約 300nm 的膜厚，能隙值約 1.8eV，光/ 暗導電度比最高。未來本研究將以 Si 為摻雜物，製備 n-Fe2O3薄膜，再依 序將 p 型、n 型 Fe2O3和 ITO 薄膜鍍 在 pn 接合的單晶矽薄膜上，期望得 到應用在光分解水的 Fe2O3/Si 雙重能 隙薄膜。 英 文 摘 要 (Keywords ： multiple bandgap, photoelectrochemical water splitting, hydrogen, Fe2O3, thin film)For the purpose of fabricating the multiple bandgap films for the production of hydrogen from photo-decomposition of water in this research, Fe2O3 and Si were chosen as
the materials, and ITO was chosen as the transparent middle layer for ohmic contact. Due to the n-type intrinsic behavior of Fe2O3 and the maturity of
the Si and ITO technology, the p-Fe2O3
film preparation was the key point of this research. The p-Fe2O3 film was
fabricated by RF magnetron sputtering process. From our previous results, it was demonstrated that the p-Fe2O3
sputtering target can be made by Mg doping. During the research in this year, in order to fabricate a p-Fe2O3
film with a good photo-efficiency, the sputtering factors were investigated. The films were characterized by UV-Vis, X-ray diffraction, α -step , EDS and photo/dark ratio. The results were shown that the
composition of the plasma gas was an important factor for the p-Fe2O3 film
sputtering. The more Ar in the plasma gas, the smaller bandgap of the p-Fe2O3 film was obtained. It has
been concluded that the p-Fe2O3 film
with the highest photo/dark ratio and an optical bandgap (1.8eV) was made by sputtering under O2 plasma gas for
the film thickness of about 300nm.
二、計畫緣由與目的： 現今在太陽能的利用主要是使 用光電池，將光能轉化為電能，可是 由於儲電能力有限，光電池未來應用 的範圍受到限制。由於氫氣的燃燒僅 產生乾淨的水及能量，再加上燃料電 池的推廣，氫氣未來需求量將大為增 加。所以倘若氫氣可從太陽光催化水 分解而來，將可永續解決未來能源及 環境污染的問題。 S. Licht 等人自 1998 年運用多重 能隙的觀念以金屬有機化學氣相沉 積(MOCVD)去製備雙重能隙半導體 薄膜電極，使其照光所得到的光電轉 換 效 率 高 於 一 般 單 一 能 隙 半 導 體 [1]。其原理是將每種半導體材料製備 成一組 p 型和 n 型的薄膜，然後依 pn 交替和能隙高低的次序疊置。當光照 射在此多重能隙薄膜時，無法被上層 高能隙半導體薄膜吸收的光就會穿 過，並被下層低能隙半導體薄膜吸 收。在各組薄膜層中因吸光所產生的 電子電洞對，藉由中間透光歐姆導電 層的連接，形成兩個光子產生一個較 高能量的電子電洞對之機制。多重能 隙的原理雖可集結小能量及高能量 光子得到高電動勢之輸出，但各組薄 膜層的光電流需相同，否則多餘的光 電子會進行再結合反應，使能量散 失。利用多重能隙原理製造半導體薄 膜應用於光分解水反應，現今只有少 數學者在研究，其最好的雙重能隙薄 膜電極是 S. Licht 等人在 2001 年製備 的 AlGaAs/Si ， 光 分 解 水 效 率 在 AM1.5 下已可達到 18.3%[2]。而 O. Khaselev 等 人 在 1998 年 製 備 的 GaInP2/GaAs 雙重能隙薄膜電極，其 光 分 解 水 效 率 在 AM1.5 下 則 為 12.4% [3]。 由文獻可知，光分解水的反應理 論上所需的能量為 1.23eV[4]。依照 pn 接合半導體的理想 I-V 特性，整體 光電壓約為各組半導體材料能隙的 一半，且各組半導體材料須符合晶格 常數相近的限制[5]。因此，本研究設 計一個專為光分解水反應的 Fe2O3/Si 雙重能隙薄膜，並以銦錫氧化物薄膜 (ITO)當中間透光歐姆導電層，其各組 半 導 體 材 料 能 隙 和 (EgFe2O3+EgSi=
2.0+1.1=3.1eV)大於且接近光分解水 所需理論能量的兩倍，且各組半導體 材 料 晶 格 常 數 相 近 (aFe2O3=5.03Å ， aIn2O3= 5.49Å，aSi=5.43Å)。由於 Si 和 ITO 的薄膜製備技術已趨成熟，再 加上 Fe2O3本身為 n 型半導體材料， 故 製 備 p-Fe2O3 薄 膜 則 成 為 製 備 Fe2O3/Si 雙重能隙薄膜的關鍵。在 p-Fe2O3 薄膜的製備上，本研究選擇 利用射頻磁控物理濺鍍法和 p-Fe2O3 靶材來獲得。由前期研究結果發現， 利用 Mg 原子的摻雜，可得到 p-Fe2O3 靶材的最佳處理步驟為在 3 大氣壓氧 氣下，以 900℃持溫 20 小時。為了獲 得光電效率高的 p-Fe2O3薄膜，本研 究以 p-Fe2O3當靶材，探討不同濺鍍
條 件 對 薄 膜 的 影 響 ， 並 由 XRD、 UV-Vis、α-step、EDS 和光/暗導電 度比來鑑定薄膜性質。 三、研究方法 (1)薄膜與濺鍍靶材的製備 p-Fe2O3 薄膜的製備是使用工研 院材料所複材與光能研究組之射頻 磁控物理濺鍍機，靶材形式為 2 吋燒 結靶，靶材能量密度為 6.5W/cm2，電 漿氣體使用不同比例的 Ar-O2 混合 氣，基板溫度為 25℃，濺鍍時間為 0.2 到 2 小時。 濺 鍍 基 板 選 擇 玻 璃 (Corning glass #1737)、石英、p 型低電阻矽晶 圓(以下簡稱 p-Si)和 Floating zone 高 電阻矽晶圓(以下簡稱 FZ-Si)四種。石 英 的 選 擇 是 為 了 量 測 薄 膜 光 學 性 質，玻璃的選擇是為了使用比石英便 宜且可應用在光電元件上的基板， p-Si 晶圓的選擇是為了獲得濺鍍在單 晶矽晶圓上的薄膜性質，FZ-Si 晶圓 的選擇是為了量測在單晶矽晶圓上 的薄膜電性。 純 Fe2O3濺鍍靶材選擇向廠商購
買 (Summit-Tech resource) 。 p-Fe2O3
濺鍍靶材的製備是把適量所需粉末 研磨且物理混合，利用 2 吋模具高壓 (671kg/cm2)壓 製 後，經高溫燒結而 成。高溫燒結的方法是利用工研院材 料所電子金屬材料研究組的高壓氧 爐，在 3 大氣壓 O2下，以 900℃持溫 20 小時。p-Fe2O3靶材所使用的材料 為 Fe2O3 (99.945% ， Alfa Aesar) 和
MgO (99.99%，Acros Organics)的粉 末，Mg 摻雜濃度的選擇為 0.2-1at%。 (2)薄膜性質鑑定
薄 膜 的 光 學 性 質 鑑 定 是 由
UV-Vis 分光儀 (Hitachi U-3410)量測 薄膜樣品和基板之光穿透率(Tf+s 和 Ts) ， 再 由 式 (1) 獲 得 薄 膜 光 吸 收 率 Af。由光吸收圖譜中，UV 光吸收邊 緣的最大斜率直線延伸至吸收值為 零的水平線之交點，即為薄膜之能隙 估計值。
(
f s s)
f 1 T T A = − + --- (1) 薄膜的結構是由 XRD 繞射圖譜 來 鑑 定 ， 所 使 用 機 型 為 Philips X’Pert。X 射線光源為 CuKα，波長 為 1.54056 Å。α-Fe2O3、Fe3O4、FeO、γ-Fe2O3、MgO 和 MgFe2O4的標準 X
光繞射圖譜編號為 330664、190629、 461312、391346、431022 和 360398。 薄膜的半導體形式是由台大電 機 系 林 浩 雄 教 授 的 霍 爾 效 應 (Hall effect)量測儀來鑑定[5]。在薄膜表面 上 下 左 右 四 點 塗 上 碳 膠 做 電 性 連 接，在垂直薄膜表面的方向提供 5000 高斯(Gauss)的磁場，並提供左右兩點 1mA 的電流，量測上下兩點電壓。依 照在磁場下產生的霍爾電壓方向，來 決定薄膜的半導體形式。 薄膜的厚度由台大物理系楊鴻 昌老師的α-step 測厚儀(Dektak 3030) 鑑定。量測時是利用探針由薄膜層劃 過濺鍍交界處，一直劃至不含薄膜的 基板，獲得薄膜層與基板的高度差， 並以五個不同位置之平均高度差為 膜厚值。 薄膜的光電性質是以碳膠做電 性連接，利用膜厚和兩點電阻量測法 獲得薄膜導電度(Conductivity)，再由 照光(100mW/cm2 )及不照光的薄膜導 電度相除，以獲得薄膜的光/暗導電度 比(photo/dark ratio，簡稱 p/d ratio)。 光源使用 ELH lamp 300W，光照度值
以光照度計(Pyroelectric 70263)來校 正。電流源與電壓計使用交流阻抗儀 (Autolab PGSTAT30)，其量測電壓範 圍為±10 伏特，可給予最低的電流值 為 10-12安培。 薄膜的元素分析是利用場發射 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (SEM, 型 號 Hitachi S-2400)附設之能量分散式光 譜(Energy Dispersive Spectrometer，簡 稱 EDS，型號 Kevex Delta class 80000) 來量測。在量測時會先鍍上一層金 膜，以做為電性連接。 四、結果與討論 (1)基板與 Mg 摻雜濃度的影響 固定 O2 為電漿氣體，濺鍍時間 兩小時，利用摻雜不同 Mg 濃度的 p-Fe2O3 靶材和不同基板濺鍍薄膜， 以獲得 Mg 摻雜濃度或基板對薄膜性 質的影響。表一為在不同基板和 O2 電漿濺鍍下，不同 Mg 摻雜濃度的 p-Fe2O3 薄膜之膜厚結果。由表一可 發現，若固定石英為基板，摻雜不同 Mg 濃度的 p-Fe2O3靶材在 O2電漿下 的濺鍍速率差不多，顯示 Mg 摻雜濃 度對濺鍍速率的影響不大。若固定濺 鍍靶材為 0.2at% Mg-Fe2O3，選擇不 同基板在 O2 電漿下濺鍍，由表一可 知，濺鍍速率受基板的影響較 Mg 摻 雜濃度大，其高低順序為石英>玻璃 >FZ-Si >p-Si，顯示 p-Fe2O3薄膜不易
在含單晶矽結構的基板上成長。 圖一為在石英基板和 O2 電漿濺 鍍下，不同 Mg 摻雜濃度的 p-Fe2O3 薄膜之 XRD 圖譜。由各種鐵氧化物 的標準圖譜可發現，Fe3O4、γ-Fe2O3 和 MgFe2O4的特徵峰都相同，為尖晶 石(spinel)的結構，故由 XRD 圖譜無 法鑑定此三種鐵氧化物的分別。由圖 一 可 發 現 ， 摻 雜 不 同 Mg 濃 度 的 p-Fe2O3靶材在 O2電漿下所濺鍍的薄 膜，其薄膜結構主要皆為兩個 2θ等 於 35 和 63 度的特徵峰，且特徵峰位 置和相對高度與尖晶石結構相同，並 非 α -Fe2O3 的 金 剛 石 (Corundum)結 構 。 若 固 定 濺 鍍 靶 材 為 0.2at%Mg -Fe2O3，選擇不同基板在 O2電漿下濺 鍍兩小時，其薄膜結構結果與圖一相 同，亦皆為尖晶石的結構。因此，由 XRD 的結果顯示，基板和摻雜濃度 對薄膜結構的影響不大。 圖二為在不同基板和 O2電漿濺 鍍下，不同 Mg 摻雜濃度的 p-Fe2O3 薄膜之光吸收圖譜。由圖二可發現， 若固定石英為基板，0.2at%Mg-Fe2O3 的薄膜能隙值與純 Fe2O3的薄膜能隙 值差不多，顯示在 O2電漿下濺鍍， Mg 的摻雜並不會對 p-Fe2O3薄膜造 成能隙值改變。若固定濺鍍靶材為 0.2at% Mg-Fe2O3，以玻璃為濺鍍基板 在 O2電漿下濺鍍兩小時，則能隙值 與石英基板的薄膜能隙值相同，皆為 1.8eV (700nm)，顯示不同基板對薄膜 能隙值影響不大。而由圖二亦可發 現，0.5 和 1at%Mg-Fe2O3的薄膜能隙 值比純 Fe2O3的薄膜能隙值小，其原 因可由薄膜的元素分析結果來解釋。 表二為在 p-Si 基板和 O2電漿濺 鍍下，不同 Mg 摻雜濃度的 p-Fe2O3 薄膜，經 EDS 鑑定之元素分析結果。 在 Mg 原子方面，因 Mg 含量過低且 Mg 與 Si 之 EDS 特徵峰相近，很容 易被 p-Si 基板所含 Si 之 EDS 特徵峰 所覆蓋，因此無法準確量測 Mg 原子 的含量。由表二可發現，摻雜不同 Mg 濃度的 p-Fe2O3薄膜，Mg 原子濃
度皆在背景值左右，誤差相當大，無 法由 EDS 定量獲得薄膜的 Mg 摻雜濃 度。在 Cu 原子方面，摻雜 0.5 和 1at%Mg 的 p-Fe2O3 薄膜中含有大量 的 Cu 原子，推測原因為摻雜 0.5 和 1at%Mg 的 p-Fe2O3靶材含較多的 Mg 原子，故在高溫燒結時收縮較劇烈， 因而靶材無法完全覆蓋做為電性連 接的 Cu 背板，使得部份 Cu 原子被 濺鍍出來存在於薄膜中。因此，由於 0.5 和 1at%Mg-Fe2O3薄膜摻雜了過多 的 Cu 原子，增加了薄膜在可見光範 圍的光吸收率，故薄膜能隙值降低。 (2)靶材製備與薄膜鑑定的困難點 由上述薄膜鑑定結果可發現，摻 雜不同 Mg 濃度的 p-Fe2O3靶材對濺 鍍速率和薄膜結構影響不大，但因在 靶材製備過程中，高溫燒結所造成的 靶 材 尺 寸 收 縮 ， 使 得 摻 雜 0.5 和 1at%Mg 的 p-Fe2O3 薄膜中含有大量 的 Cu 原子，故無法準確比較摻雜不 同 Mg 濃度對薄膜性質的影響。今若 濺鍍靶材形式為粉末靶的形式，在靶 材製備過程中不需經高溫燒結的步 驟，則濺鍍靶材的製備可較容易且節 省時間。本研究室已和交大材料所林 鵬教授合作，在交大建立一套粉末靶 的磁控射頻真空物理濺鍍系統，期待 未來可探討更多不同濺鍍靶材組成 對薄膜性質的影響。 而在基板方面，不同的基板除了 對濺鍍速率有些微的影響外，對其餘 薄膜性質則影響不大。並且，由於 Fe2O3 本身在室溫下的導電度不高， 使 Fe2O3薄膜的電阻太大，超越了霍 爾 效 應 量 測 儀 的 操 作 範 圍 (R ＞ 106 ohm)，故霍爾效應量測儀無法準確判 斷 Fe2O3薄膜的半導體形式。在考量 矽晶圓基板主要是為了薄膜電性鑑 定的因素下，以下實驗不考慮矽晶圓 基板的薄膜性質。 總結以上薄膜結果，以下實驗則 固定濺鍍基板為石英，靶材為 0.2at% Mg-Fe2O3，探討不同電漿氣體組成對 濺鍍薄膜性質的影響。 (3)電漿氣體為 Ar 表三為在石英基板和不同電漿 氣體濺鍍下，0.2at%Mg-Fe2O3薄膜的 膜厚結果。由表三可發現，以 Ar 為 電漿氣體，濺鍍速率較 O2快但不穩 定，膜厚較不易控制。圖三為在石英 基板和 Ar 電漿濺鍍下，不同膜厚的 0.2at%Mg-Fe2O3薄膜之 XRD 圖譜。 由圖三可發現，當膜厚小於 800nm 以 下時，薄膜為多晶型α-Fe2O3結構， 且膜厚越厚，結晶強度越強。當膜厚 高至 2000 nm 時，濺鍍薄膜轉變為多 晶型尖晶石結構。圖四為在石英基板 和 Ar 電 漿 濺 鍍 下 ， 不 同 膜 厚 的 0.2at%Mg-Fe2O3 薄 膜 之 光 吸 收 圖 譜。由圖四可發現，隨著膜厚增厚， p-Fe2O3薄膜能隙值變小，傾向 Fe3O4 的光吸收性質(Eg~0.1eV)。表四為在 石英基板和不同電漿氣體濺鍍下， 0.2at%Mg-Fe2O3薄膜之光電性質。由 表四可發現，以 Ar 為電漿氣體來濺 鍍薄膜，膜厚越厚，薄膜導電度越 好，光/暗導電度比則是漸趨於一個最 小值。 由文獻可得知，當電漿氣體中含 有 Ar 時，Fe2O3 薄膜易生成 Fe3O4 [6]，故薄膜導電度除了 Mg 摻雜濃度 影響外，亦受 Fe3O4濃度所影響，且 能隙值會隨著 Fe3O4 濃度增加而降 低。由上述薄膜鑑定結果可顯示，在 Ar 電漿濺鍍下，膜厚越大，p-Fe2O3
薄膜中有越多的 Fe3O4生成，使能隙 降低，導電度提高，光/暗導電度比降 低。 (4)電漿氣體為 Ar-O2混合氣或 O2 由表三可發現，若以 40%Ar 的 Ar-O2 混合氣當電漿氣體時，濺鍍速 率與在 O2 電漿下的濺鍍速率相近且 沒有與電漿氣體比例成正比，推測濺 鍍過程較偏向在 O2 電漿下濺鍍的機 制。圖五為在石英基板和不同電漿氣 體濺鍍下，0.2at% Mg-Fe2O3 薄膜之 XRD 圖譜。由圖五可發現，在相似 的膜厚下，在 40%Ar 的 Ar-O2混合氣 下濺鍍的 p-Fe2O3 薄膜結構與在 O2 電漿下濺鍍的 p-Fe2O3 薄膜結構相 同，皆為尖晶石的結構，並且 Ar 的 存在使 p-Fe2O3 薄膜的結晶強度變 強。圖六為在石英基板和不同電漿氣 體濺鍍下，0.2at%Mg-Fe2O3薄膜之光 吸收圖譜。由圖六可發現，在相似的 膜厚下，Ar 的存在使 p-Fe2O3薄膜的 能隙值變小，越偏向 Fe3O4的光吸收 性質。由表四可發現，在相似的膜厚 下，Ar 的存在亦使 p-Fe2O3薄膜的導 電度提高，光/暗導電度比降低。由上 述 結 果 顯 示 當 電 漿 氣 體 中含有 Ar 時，p-Fe2O3薄膜易生成 Fe3O4，故薄 膜能隙值降低，薄膜導電度提高，與 電漿氣體為 Ar 時的 p-Fe2O3薄膜結果 相同。 當電漿氣體為 O2時，p-Fe2O3薄 膜不易生成 Fe3O4，薄膜導電度只受 Mg 摻雜濃度多寡所影響，但能隙值 不受 Mg 摻雜濃度所影響。因 Fe2O3 本身是 n 型半導體，Mg 的 p 型摻雜 會使 Fe2O3 薄膜的費米能階(EF)往共 價帶能階(EV)移動，導電度會隨著 Mg 摻雜濃度的增加而先降後升。由 表四可發現，在 O2 電漿下濺鍍， 0.2at%Mg-Fe2O3 薄 膜 的 導 電 度 比 Fe2O3 薄膜的導電度還低，且由圖二 可發現兩者的能隙值相近，不受摻雜 濃度所影響。因此，由以上結果顯 示，在 O2電漿下濺鍍，利用 Mg 原 子的摻雜，的確可製備出 p-Fe2O3的 薄膜，且摻雜更高的 Mg 原子濃度似 乎還可提高 p-Fe2O3薄膜的導電度。 總結以上所有的薄膜結果可得 知，電漿氣體實為影響 p-Fe2O3薄膜 性質的主要因素。當電漿氣體中含有 Ar 的濃度越大時，p-Fe2O3薄膜的能 隙值越低，越傾向 Fe3O4 的光電性 質。因此，最佳 p-Fe2O3薄膜的製備 條件為在 O2電漿下濺鍍約 300nm 的 膜厚，其薄膜能隙值 1.8eV，光/暗導 電度比最高。 五、未來研究 由 以 上 研 究 結 果 顯 示 ， 最 佳 p-Fe2O3薄膜製備條件為在 O2電漿下 濺 鍍 約 300nm 的膜厚，能隙值約 1.8eV，光/暗導電度比最高。唯其薄 膜導電度低，未來將利用交大材料所 林鵬教授的粉末靶磁控射頻真空物 理濺鍍系統，以石英為基板，提高靶 材的 Mg 摻雜濃度，探討更高 Mg 雜 質濃度對薄膜性質的影響。並且將在 現有的光電量測系統上建立一套光 電化學裝置，期望由光電流的方向來 判斷薄膜的半導體形式。接下來，以 Si 為 n 型摻雜物，製備 n-Fe2O3薄膜 並量測薄膜性質，再依序將 p 型、n 型 Fe2O3和 ITO 薄膜鍍在 pn 接合的 單晶矽薄膜上，期望得到應用在光分 解水的 Fe2O3/Si 雙重能隙薄膜。
六、致謝 感謝工研院材料所複材與光能 研究組許國強博士在薄膜光電性質 量測上的協助，感謝工研院材料所電 子金屬材料研究組溫志中博士在靶 材製備上的協助，感謝台大物理系楊 鴻 昌 老 師 提 供 α -step 測 厚 儀 的 鑑 定，感謝台大電機系林浩雄教授提供 霍爾效應量測儀的鑑定，感謝國科會 在經費上的支助。 七、參考文獻
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表一 在不同基板和 O2電漿下濺鍍兩
小時，p-Fe2O3薄膜之膜厚結果
Target Substrate Thickness (nm) Rate (nm/min) 1at%Mg-Fe2O3 Quartz 226 1.9 0.5at%Mg-Fe2O3 Quartz 273 2.3 0.2at%Mg-Fe2O3 Quartz 314 2.6 0.2at%Mg-Fe2O3 Glass 212 1.8 0.2at%Mg-Fe2O3 FZ-Si 208 1.7 0.2at%Mg-Fe2O3 p-Si 124 1.0 Fe2O3 Quartz 206 1.7 表二 在 p-Si 和 O2電漿濺鍍下，不同 Mg 濃度的 p-Fe2O3薄膜之 EDS 結果 Composition (at%) Film Mg Fe Cu Si 1at%Mg-Fe2O3 0.05 13.45 3.48 83.02 0.5at%Mg-Fe2O3 0 10.19 0.62 89.17 0.2at%Mg-Fe2O3 0 8.04 0 91.96 Fe2O3 0.04 40.59 0 59.37 表 三 在石英和不同電漿氣體濺鍍 下，0.2at%Mg-Fe2O3靶材的膜厚結果 Plasma gas (vol%) Time (hr) Thickness (nm) Rate (nm/min) Ar 0.2 133 11.1 Ar 1 783 13.0 Ar 2 2166 18.1 Ar/O2 (39/61) 2 353 2.9 O2 2 314 2.6 表 四 在石英和不同電漿氣體濺鍍 下，0.2at%Mg-Fe2O3和純 Fe2O3薄膜 的光電性質 Film Thickness (nm) Conductivity (mho/cm) p/d ratio 0.2at%-Ar 133 1.8×10-5 6.0 0.2at%-Ar 783 1.4×10-3 1.8 0.2at%-Ar 2166 2.2 2.1 0.2at%- Ar/O2 (39/61) 353 2.0×10-5 3.1 0.2at%-O2 314 1.9×10-6 22.8 Fe2O3-O2 206 2.8×10-6 2.3
圖一 在石英和 O2電漿濺鍍下，不同 Mg 濃度的 p-Fe2O3薄膜之 XRD 圖譜 圖二 在不同基板和 O2電漿濺鍍下， 不同 Mg 濃度的 p-Fe2O3薄膜之光吸 收圖譜 圖三 在石英和 Ar 電漿濺鍍下，不同 膜厚的 0.2at%Mg-Fe2O3薄膜之 XRD 圖譜 圖四 在石英和 Ar 電漿濺鍍下，不同 膜厚的 0.2at%Mg-Fe2O3 薄膜之光吸 收圖譜 圖 五 在 石 英 和 不 同 電 漿 氣 體 濺 鍍 下，相似膜厚的 0.2at%Mg-Fe2O3薄膜 之 XRD 圖譜 圖 六 在石英和不同電漿氣體濺鍍 下，相似膜厚的 0.2at%Mg-Fe2O3薄膜 之光吸收圖譜
