物理學系
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Item 通過掃描穿隧顯微鏡研究二硫化鉬缺陷的形成與其對電子特性的影響(2021) 温柏淯; Wen, Po-Yu二硫化鉬屬於層狀半導體中的過渡金屬二硫族化物，可透過層數改變其能隙大小，且層跟層之間屬於凡得瓦力作用，我們可以輕易地透過機械剝離來產生新的可研究的表面，一直以來都是電子元件的熱門材料。本次實驗我們在超高真空的環境下，利用掃描穿隧顯微鏡觀察天然二硫化鉬塊材的表面型態以及電性在四種情況下的變化，分別是機械剝離前的原始表面、機械剝離後的新鮮表面、機械剝離後曝氧8小時的表面以及機械剝離後置於大氣下7個月的表面。我們將二硫化鉬進行機械剝離後可以觀察到大量電子空乏的現象，此現象經過曝氧以及置於大氣下後幾乎退去。我們再來探討二硫化鉬的表面電性，曝氧後的二硫化鉬與置於大氣下的表面電性除了導帶的移動具有相似度以外，其表面態的特徵也吻合，藉此可以了解大氣中的氧氣是影響二硫化鉬表面電性的重要因素之一。透過本次實驗，我們了解表面缺陷以及環境的變化可以影響二硫化鉬的表面能帶結構，這將成為我們如何考量天然二硫化鉬作為半導體材料的重要調控條件之一。Item 鈷島在銀/鍺(111)上的成長行為與電子結構(2010) 趙智豪; Chi-Hao Chou藉由STM觀察高溫(400℃)下蒸鍍鈷原子在銀/鍺(111)- (4×4)與(√3×√3)介面上的成長行為。隨著鈷鍍量增加，(4×4)露出的面積較(√3×√3)迅速減少，除了(4×4)介面對鈷的束縛較強外，在(4×4)介面上成核的鈷島可能會推動銀原子，讓銀原子有機會移動到(4×4)與(3×1)形成更多的(√3×√3)，並且為了降低整體的表面自由能，小面積的鈷島會與大面積的鈷島合併，此為Ostwald ripening現象。 在銀/鍺(111)- (√3×√3)介面上利用高溫蒸鍍做(400℃)熱處理後，表面上的鈷原子具有足夠的動能找到最安定的位置再進行成核，與室溫蒸鍍後再熱處理比較，此種熱處理方法更可以讓鈷島在表面上形成大面積且具有平台的結構。 藉由STS發現侷域電子態密度(LDOS)在臺階邊緣以及平臺上具有不同的特徵能態。在銀/鍺(111)表面上會形成兩種重構鈷島，一種為√13×√13重構鈷島，另一種為2×2重構鈷島。因為介面效應，√13×√13重構鈷島在(4×4) 與(√3×√3)介面上具有不同的LDOS。當鈷島往上成長且島層數為7~8層時，此時2×2重構鈷島與低層數的2×2重構鈷島的LDOS並不完全相同。Item 超薄鈷/銅(100)膜的電化學特性研究(2008) 李育鴻; Y. H. Li本實驗是利用電鍍方式在單晶銅(100)電極上成長鈷薄膜，同時使用循環伏安法(Cyclic Voltammetry)、電化學掃描式電子穿隧顯微鏡(EC-STM)、電化學磁光柯爾效應系統(EC-MOKE)來研究單晶銅(100)上所成長鈷薄膜的表面特性與結構以及磁特性，並且嘗試了加入鉛當做電鍍鈷超薄膜的界面活性劑。 以循環伏安法檢測，單晶銅(100)電極在 1 mM HCl電解液中的電化學過程，我們不會發現典型的電流成對峰值：氯離子的吸附、退吸附峰，而是只會出現氯離子的退吸附峰値，在E = -375 mV (vs Ag/AgCl)。正常而言如果是在電流數量級較小的實驗系統開始產生氫氣以後電流就會一路往下。在-650 mV 電流有急速往下減少，表示有質子的還原2 H+ + 2e- → H2。而在 0 mV 的氧化還原電流分別代表銅的氧化與還原沉積，Cu + 2 Cl- ↔ CuCl2- + e-，再將電解液換成1 mM CoCl2/1 mM HCl 會造成氯離子退吸附峰值移動：E = -325mV (vs Ag/AgCl)，並且發現在當我們在陰極掃描到E = -600 mV以後，陽極在E = -500 mV以前才會出現鈷原子的氧化峰値。當加入嘗試鉛當電鍍鈷的界面活性劑時，將 0.01 mM PbCl2加入到含有1 mM CoCl2/1 mM HCl的水溶液，從CV實驗的結果可以看出鉛的鍍量有受到控制，如果當電極銅(100)在陰極方向電位持續減小，還是只有低電位沉積(UPD)的鉛原子氧化峰值出現，鉛離子會在往陰極方向E =-400 mV左右開始還原成鉛原子，在陽極方向E =-300 mV鉛原子開始氧化(vs Ag/AgCl)。 進行STM實驗時用鹽酸修飾電極表面，利用氯離子與銅電極間的化學鍵結將形成一高規則度的c(2×2)-Cl結構，其將降低銅電極的表面能量，氯離子對銅有很強的鍵結力，具有修飾銅(100)電極表面平台及台階的效用。當電位改變往陰極方向循序漸進時，可以觀察到氯離子對銅(100)電極的溶解現象，氯離子與銅電極鍵結後，在銅電極表面上較不穩定的島狀物或缺陷處形成CuCl2-化合物，並將銅原子從電極表面拔除，隨時間的變化，銅原子會在電極表面上較穩定的區域，重新將銅原子填回載體，這也是為何實驗進行前我們會在-100 mV ~-300 mV左右掃CV 實驗10~15分鐘，這樣可以得到穩定良好的銅(100)電極表面。當隨著電位減小時我們可以觀測銅(100)電極表面有一溶解的情形，隨時間變化，由台階邊緣往平台方向逐漸溶解，所以台階會變成平滑棉花的波浪狀，相反地，當我們將電位再調回陽極方向更正的電位時會重回氯離子的形態，且電位愈正台階形狀和表面型態皆會趨於穩定。而台階高度在所有觀察電位皆是0.18-0.2 nm。經由STM的觀察可以發現，鈷原子吸附在單晶銅(100)電極上，並沒有單層鈷原子的沉積(沒有發現UPD)，鈷原子在沉積時，會先從銅(100)台階凹陷的地方開始沉積，從STM的圖觀察可以看出表面會變的比鈷還沒沉積前來的平坦，但是不會形成一個均勻連續的薄膜表面。 基本上隨著電鍍時間增加膜厚也有增長的趨勢，但是超過十分鐘後因為溶液中鈷的含量分佈不均勻，靠近電極表面的地方，鈷離子的濃度遠小於溶液中的濃度，會導致擴散(diffusion effect)行為，使得鈷離子由濃度高處往低處移動。因此擴散效應影響了鈷原子吸附至銅(100)電極表面導致鍍鈷的速度會隨著時間的增加而變慢，所以CV上沒有明顯變化。另外在此電位下停頓已有氫氣放出，所以停頓愈久氫氣愈多(樣品拿出後有看到氣泡)，這也會影響鈷在銅上的鍍率。配合前面的CV和STM結果，我們可以確信鈷離子會於電位-800 mV開始還原並沉積於單晶銅(100)電極上(Co2++2e-→Co)。 在電位-850 mV的狀況下單晶銅(100)電極表面上所沉積的鈷膜經由EC-MOKE觀察出具有磁性現象。到目前為止我們只知道HC似乎只有在一開始1-2層時會增加快速，之後就算隨著膜厚增加也是維持在64-65 Oe左右，MR則在1-3層會增加較快的趨勢，之後會呈現較緩慢的增加，配合STM圖像並還沒有可看出表面結構的改變，但是因為是三維成長，所以表面的形態有變亂的跡象。以0.005 mM PbCl2加入到1 mM CoCl2/1 mM HCl的水溶液，想要以當鉛為界面活性劑主要電鍍鈷，量測EC-MOKE結果，可以觀察出磁滯曲線的訊號，但是磁滯曲線的方正度並沒有在沒有添加PbCl2情況下量測出的好，因此在0.005 mM PbCl2濃度還是沒有達到鉛為界面活性劑的功效。Item 利用掃描穿隧顯微鏡探討在硒化銦上未氧化表面和氧化表面之介面接合處的電子特性(2018) 羅子嘉; Luo, Zih-Jia硒化銦在其表面氧化後，會與塊材產生PN接面(PN junction)。當光子入射至PN接面時，會產生電子電洞對且會因為空乏區產生的內建電場而分離，促使光伏特效應(photovoltaic effect)產生的功率提升。且硒化銦備受關注的一點是其氧化表面可以透過調控氧化因素來改變光反應(photo responsivity)，且有研究表示光反應會隨著氧化程度上升，所以硒化銦很有潛力做為光探測器(photo dectector)。 硒化銦的表面形貌和電性都非常容易受到氧化影響。在氧化後硒化銦表面形貌會變得較粗糙而電性表現上會呈現更N-type的行為且能隙更大。當硒化銦氧化到達一定程度後其表面最終會生成三氧化二銦。就此形成硒化銦和三氧化二銦的異質結構(heterostructure)。根據其他巨觀的量測推測硒化銦和其表面的氧化層間會有載子轉移的現象。 為了證實上面的論述，本研究是由掃描穿隧顯微鏡探討二維層狀半導體材料硒化銦表面經過機械剝離法處理前後所形成之介面接合處(interface junction)所發生的電子特性改變的現象。並進一步從掃描穿隧能譜的曲線分析微觀尺度下呈現出介面接合處有載子轉移現象，此現象為氧化層抓走底下硒化銦塊材的電子,並且氧化層內的電洞會填補到硒化銦裡。Item 利用掃描穿隧顯微鏡量測鈣鈦礦太陽能電池晶粒的光致電子特性(2016) 鄭名志; Cheng, Ming-Chih鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite solar cell, PSC)除了其製程的快速、便利性外，其備受矚目的便是極高的光電轉換效率。有研究發現鈣鈦礦反應層可藉由摻雜量子晶體來影響光電轉換效率。目前已有團隊利用摻雜量子晶體硫化鉛改良鈣鈦礦太陽能電池的效率。研究成果發現，藉由添加硫化鉛有助於增加晶粒的形貌大小，此外還有效地提升太陽能電池的光電轉換效率。 本研究利用掃描穿隧顯微鏡進行量測太陽能電池的主動反應層甲胺鉛氯碘鹽(CH_3 NH_3 PbI_(3-x) 〖Cl〗_x)添加量子晶體後的電子特性的變化。同時比較摻雜硫化鉛及未摻雜硫化鉛後反應層的變化，並針對加光前後的能態密度在正負偏壓增減的情形進行能帶討論。實驗結果顯示摻雜硫化鉛的鈣鈦礦反應層薄膜晶粒直徑變大，且其在加光過後的費米能階遠離導電帶的能量變化量值較未摻雜硫化鉛的樣品晶粒較大，顯示光致載子在鈣鈦礦反應層薄膜分離效率更好，進而導致其光電轉換效率提升。Item 利用掃描穿隧顯微鏡探測在二硫化鉬上表面缺陷的電子特性(2016) 張子韋; Chang, Tzu-Wei在N型半導體，缺陷通常扮演著捕捉電子的角色，因為其表面缺陷的能態大部分落在能隙中，導致導帶電子會掉到缺陷的表面能態裡，也就是電子被捕捉了，所以N型半導體在表面上都是電子空乏的。然而根據文獻指出，在N型半導體中也有些特例如InN，其表面的缺陷能態會提供電子出來，因缺陷的表面態位於導帶之上，導致缺陷的電子就提供到材料表面，所以表面更為導電，造成電子聚集在表面的現象，稱為表面載子累積，此現象進而影響到表面的電導率。由研究指出，在二硫化鉬厚度減少的情況下，電導率上升，雖然在電導值的量測上已經有一些相關的證據，但還是缺乏了一個直接的證據，說明缺陷的能態密度是對表面有影響的。因此，本實驗利用掃描穿隧顯微鏡，直接觀察於表面缺陷的電子特性，並透過機械剝離法，探討缺陷能態密度的變化。本實驗量測結果發現，在靠近導帶的dI/dV曲線特徵峰值，主要由鉬的懸鍵上的未配對電子所貢獻，而另一靠近價帶的dI/dV曲線，較微弱的特徵峰值是由硫缺所貢獻，在機械剝離法後發現，硫缺的能態密度會因為氧氣分子的吸收進而降低能態密度。