物理學系
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Item 電場調控單層二硫化鉬的激子-聲子耦合現象(2024) 林畊佑; Lin, Geng-You大多數的半導體材料，例如矽，在存在電場的情況下其光學性質不會有顯著變化。這使得具有大電光響應的材料（例如鍺和砷化鎵）與矽的CMOS製造集成變得困難。然而，在石墨烯等二維材料中，因其特殊的能帶結構和零能隙的特性，電場效應可以引起顯著的光吸收變化，但是由於石墨烯在可見光頻率下缺乏能隙，因此其在實際應用中存在一定的限制。單層二硫化鉬（MoS2）是一種最為廣泛研究的二維材料之一，由一層鉬原子和硫原子組成。與半金屬石墨烯不同，單層二硫化鉬（1H-MoS2）是一種具有1.85電子伏特直接能隙的半導體材料，因此在可見光範圍內具有光學活性。我們製備了單層二硫化鉬元件，並研究了在外部藉由離子凝膠施加外加電場時其光學性質的變化。通過對單層二硫化鉬材料施加外部電場，我們可以實現光致發光量子產率和吸收係數的控制。這意味著我們可以通過調節外部電場來調節二硫化鉬材料的光學響應，從而實現在可見光範圍內的電控制光學元件的應用潛力。此研究為利用二硫化鉬這種具有特殊光學性質的二維材料在光電子學和光子學領域中的應用提供了新的可能性。Item 層狀二硫化鉬在渦旋光激發下的共振拉曼光譜(2023) 高意雯; Gao, Yi-Wun二硫化鉬是一種典型的過渡金屬二硫化物，具有敏感的光學性質。由一層鉬原子平面夾在兩層硫原子平面之間，形成單層二硫化鉬。藉由二硫化鉬的拉曼光譜，可以觀察到各峰值振動頻率的變化和位移趨勢。在這項研究中，我們使用空間光調制器（SLM），將入射光改變成具有軌道角動量（OAM）的狀態，並觀察633 nm（1.96 eV）的OAM光激發單層二硫化鉬共振拉曼光譜的變化，經由實驗結果發現隨著軌道角動量（ℓ）的增加，共振拉曼峰值會產生藍移的現象。除了對單層樣品進行照射，還測量了不同單層和雙層二硫化鉬樣品下的拉曼光譜變化，實驗結果顯示，僅在單層樣品中增加軌道角動量才會引起藍移現象。此外，也測量了不同光強度和低溫環境下的拉曼光譜，進一步確認拉曼藍移效應不受環境的熱效應影響。總結而言，在本文的後段中，證實了軌道角動量的提高會導致材料受到的壓縮力變大，使粒子的振動頻率增加，進而產生共振拉曼峰值的藍移現象，藉由實驗和理論的相互印證，更加確定光學軌道角動量對單層二硫化鉬拉曼藍移的物理機制。期待在未來能將光學軌道角動量應用於二維材料的檢測和開發中。Item 利用軌道角動量光源調控二維材料記憶體元件之研究(2023) 王柏文; Wang, Po-Wen二維過渡金屬二硫化物(2D TMD)材料以其出色的固有性質和巨大的電子應用潛力而聞名，尤其在記憶體應用方面更具潛力。最近的研究表明，基於二硫化鉬的元件通過將載流子儲存在功能性陷阱結構中展現出記憶特性。在這裡，我們提出了一種新的方法，通過照射具有不同軌道角動量(Orbital Angular Momentum, OAM)的渦旋光於二硫化鉬電晶體上，觀察其記憶特性。隨著拉蓋爾-高斯光束所給予的拓撲電荷(ℓ)增加，將有更多載流子從功能性陷阱結構中釋放，從而改變裝置通道中的載流子濃度。在MoS2電晶體上照射OAM光可以有效調節MoS2的電學特性，如光電流、遲滯窗口和載流子儲存性能等。在不同的光學特性條件下例如曝光時間、光強度和測量溫度，渦旋光仍然能獨立產生影響。我們對這個元件進行了記憶體特性的量測，展現出出色的耐久性和等待時間。此外，我們還觀察到不同結構的記憶體元件中，渦旋光能夠調控記憶體的現象。我們相信，透過軌道角動量光可調控的二硫化鉬記憶體元件可能為未來先進電子應用中的光學記憶體裝置提供新的操作自由度。Item 層狀二硫化鉬在共振激發下的偏振拉曼光譜(2023) 薛喬方; Syue, Jiao-Fang偏振拉曼光譜已經被應用在測量二維材料上，包括石墨稀與過渡金屬二硫化鉬，尤其是使用線偏振和圓偏振光為激發光線。量測不同溫度下的二硫化鉬受不同偏振入射光影響的拉曼張量，我們可以知道聲子振動模式是如何表現其偏振態。在本實驗中，利用紅光共振激發變溫下的二硫化鉬，結果顯示，在低溫狀態下，線偏振的入射光激發時，面內振動(E')和面外振動(A_1')模式表現出線偏振的散射光，b mode則是呈現非各向同性(anisotropic)，隨著溫度的上升，E' 、A_1'仍維持在線偏振的散射光，而b mode則漸漸改變成線偏振的散射光；圓偏振的入射光激發時，低溫狀態的E'和A_1'模態呈現出旋向守恆(helicity-conserve)，b mode 則是表現出旋向轉換(helicity-exchange)，隨著溫度的上升，E' 、A_1'仍維持旋向守恆，但b mode會漸漸變成旋向守恆。 實驗結果顯示了b mode的獨特性，因此我們引用了一些電子-聲子耦合如何影響拉曼強度的偏振態有關的論文，來解釋這個特殊的現象，同時深入探討層狀二維材料的聲子與光子之間的交互作用，以便提供未來先進材料應用更多重要的基礎與應用。Item 渦旋光增強奈米矽線與二硫化鉬場效電晶體之光導電度(2022) 馮一介; Feng, Yi Jie光可以帶有自旋與軌道角動量，分別體現於圓偏振以及渦旋光上。軌道角動量的光在理論上擁有無限的自由度，預期可以應用於光通訊的領域。此外，光額外的軌道角動量會引發電子躍遷形式的改變，進而影響電子激發至導帶的濃度，改變光電流的大小。在這篇論文中，Silicon Nanowires以及MoS2所製成的場效應電晶體被用來感測光的軌道角動量。電性上的結果顯現，光電流隨著軌道角動量的變大而上升；該現象，可以被歸因於軌道角動量的光增強了材料對光的吸收率，使得光電流來源於光導效應(Photoconductive Effect)和光閘效應(Photogating Effect)的現象被提高。不同軌道角動量的光所引發之光電流隨著光強的變化，亦證明了該現象。透過這份研究，可以預期除了光強與頻率，未來可以把光的軌道角動量當作一個額外的自由度來去調控材料的光電流。Item 氧電漿表面處理對少層數二硫化鉬表面特性的影響(2023) 張乃勻; Chang, Nai-Yun二硫化鉬由於其優異的光學、電性、以及磨潤性質，在未來的微米或奈米機電系統中，有著極大的應用潛力。在製作奈米元件的過程中，氧電漿表面處理是一種常用的表面處理方法。因此，了解氧電漿表面處理對二硫化鉬表面性質的影響是很重要的。在我們的研究中，我們使用了原子力顯微鏡研究化學氣相沉積法所製備出的少層數二硫化鉬經過不同氧電漿表面處理時間後，其表面形貌、表面摩擦力和表面吸附力隨電漿處理時間的變化。我們並藉由拉曼光譜和X射線光電子能譜來觀察二硫化鉬在經過氧電漿表面處理後，其晶格結構的變化與表面氧化的程度。我們發現原子力顯微鏡的探針與二硫化鉬表面間的表面摩擦力和表面吸附力會先隨著氧電漿表面處理時間增加而增加，原因是因為二硫化鉬表面經過氧電漿表面處理後，會產生硫缺陷，因此可能將環境中的水分吸引到二硫化鉬的表面上，使得針尖與樣品表面間形成奈米級水橋，導致表面吸附力量值增加。然而，在經過較長的氧電漿表面處理後，我們所量測到的二硫化鉬表面摩擦力和表面吸附力突然降低。這歸因於二硫化鉬表面上開始形成三氧化鉬，並且會出現多個明顯的裂縫和奈米捲，導致二硫化鉬表面變的十分粗糙。這種粗糙的表面將導致針尖與樣品表面間的有效接觸面積減小，因此造成我們量測到的表面摩擦力和表面吸附力較小。藉由我們的實驗結果可以知道，在元件製造過程中使用的氧電漿表面處理技術，在不同氧電漿處理的時間下，二硫化鉬的表面形貌及奈米磨潤特性都會發生變化。我們的實驗結果將可能應用在製做微奈米機電系統的過程中。Item 二維材料介面導致鐵薄膜磁耦合分離現象(2018) 林宗佑; Lin, Zong-You本實驗旨在於探討鐵磁薄膜沉積在單層二硫化鉬(MoS2)與二氧化矽基板(SiO2 /Si(100))兩種不同表面上產生的矯頑場(coercivity)差異，其鐵薄膜具有不連續的磁耦合分離性質，並分析推測此現象的可能來源。 我們利用自製的化學氣相沉積系統(Chemical Vapor Deposition)合成大量二硫化鉬單層薄膜於二氧化矽基板，並以原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope)、拉曼光譜儀(Raman spectrum)驗證其大多為單層的厚度結構。其後於超高真空環境(10-9 torr)蒸鍍鐵薄膜於其上，再以磁光科爾顯微鏡(magneto optical kerr mi-croscope)量測之。結果上，我們發現樣品表面的磁滯曲線(hysteresis loop)呈現非方正的鐵磁曲線，呼應我們對於鐵膜微觀表面上具有許多磁性粒子團的預測，且異質介面導致鐵薄膜在不同介面上有著相異的矯頑場，是為鐵薄膜磁耦合分離現象，此現象伴隨著鐵薄膜厚度提升而逐漸消失。Item 硫磷化鉬修飾於p型矽基板之產氫光陰極(2017) 吳佾修; Wu, Yi-Hsiu化石燃料之消耗，使能源短缺之問題浮出檯面，開發新再生能源儼然成為全球非常急迫之課題。本研究結合太陽能與氫能源，以經表面粗化成金字塔型的p型矽半導體作為光陰極進行光催化水分解。為了幫助電子傳遞至水溶液，以MoS2-xPx作為共催化物，利用滴落塗佈法將其修飾於矽晶片上。藉能量色散x射線光譜量測作為磷摻雜二硫化鉬之共催化物MoS2-xPx定性與定量之分析，其結果顯示磷之實際摻雜量近似於估計值；藉循環伏安法、拉曼光譜量測與x射線吸收光譜量測，顯示二硫化鉬經磷之摻雜能使活性端裸露，進而提升水分解之效率，若是摻雜過量則會導致取代反應過於劇烈，使活性點減少。於眾多比例中以x = 0.25之磷摻雜比例其特性最好，其進行光催化水分解之起始電位與0 V下光電流密度分別為0.29 V與-23.8 mA cm-2。 然而滴落塗佈法雖然便利且快速，卻不能將共催化物完整覆蓋於矽晶片上。本研究藉原子層氣象沉積將二氧化鈦完整覆蓋於經表面粗化成金字塔型矽晶片表面作為保護層，以防止矽與氧離子結合產生二氧化矽以阻礙電子傳遞。結果顯示具二氧化鈦保護層之光陰極，二氧化鈦薄膜層越厚，其電流穩定性越好，然而其光生電流值越低。Item 運用乾式轉印法製作二維材料元件(2016) 李啟安; Lee, Chi-An傳統的二維材料轉印中分為濕式轉印以及乾式轉印，濕式轉印一般都會使用甲基丙烯酸甲酯(Polymethylemthacrylate；PMMA)作為轉印媒介，但此方式往往困擾於去除PMMA光阻聚合物時，光阻殘留液體影響到二維材料的電性以及鍵結等特性。而傳統乾式轉印法所使用的膠帶以及其聚合物也往往汙染樣品，且無法轉印置所需的區域。本文改以聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)作為剝離與轉印二維材料的媒介，提供了全程從剝離與轉印，完全乾式的轉印形式。本文運用此技術應用於轉印石墨烯、拓樸絕緣體(Bi_2 Se_3)以及二硫化鉬(MoS_2)製作成場效電晶體元件，且製備石墨烯霍爾元件以及以氮化硼為基底的石墨烯場效電晶體，並以拉曼光譜檢驗樣品經轉印後仍保持與轉印前良好與相同的品質，並量測到Shubnikov-de Hass effect。