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 雷射照射下石墨烯/二硫化鉬與六方氮化硼/二硫化鉬雙層異質結構之穩定性(2023) 許聖郁; Hsu, Sheng-Yu本研究使用拉曼光譜及螢光光譜，研究了二硫化鉬和石墨烯/二硫化鉬和六方氮化硼/二硫化鉬等結構在不同雷射功率下的穩定性。結果顯示，在石墨烯/二硫化鉬和六方氮化硼/二硫化鉬等異質結構中，薄膜能夠隔絕大氣並增強二硫化鉬受雷射影響的穩定性。原子力顯微鏡表面形貌和拉曼光譜顯示，經過56 mW、30 mW雷射照射裸露的二硫化鉬後，二硫化鉬會凸起並發生結構變化，並且拉曼訊號在30分鐘後衰減至原本的10 %。結構變化的過程中，A1g和E2g兩個特徵峰會發生紅移，A1g的紅移是由氧化產生的p-dope所引起，而E2g則是由結構變化產生的應變所導致。對於石墨烯/二硫化鉬系統，我們觀察到不同的光譜特徵。在雷射照射過程中，拉曼特徵峰和光致螢光強度並沒有快速下降，這顯示結構變化現象被抑制。而對於六方氮化硼/二硫化鉬30 mW的實驗組中，觀察到拉曼特徵峰和光致螢光強度呈現先上升的趨勢，因此推測在略低於30 mW雷射的環境下，六方氮化硼/二硫化鉬能夠保持穩定。結果顯示石墨烯/二硫化鉬受雷射照射影響的穩定性最佳，六方氮化硼/二硫化鉬次之，未經覆蓋而裸露的二硫化鉬穩定性最差。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 二硫化鉬相關異質結構分析(2021) 許銓喆; Hsu, Chuan-Che我們分析二硫化鉬異質結構的物理特性，我們將鐵磁性材料（鐵、鈷鈀合金）和功能性材料（金、C60）鍍在二硫化鉬的薄片上。所有實驗中的二硫化鉬都使用化學氣相沉積(CVD)來製備於二氧化矽/矽(1 0 0)上。在鍍上異質結構之前，我們都會利用原子力顯微鏡(AFM)、光致發光光譜(PL)和拉曼光譜(Raman)來檢查二硫化鉬的基本性質。形貌上，發現一些有趣的現象：高溫下（約500 k）在二硫化鉬上鈷鈀合金的實驗中觀察到有奈米顆粒會聚集在單層二硫化鉬的邊緣，然而在多層二硫化鉬中這些奈米顆粒則在每層邊緣平行排列，且我們也觀察到光致發光的quenched (淬滅)現象，這證明高溫下鈷鈀合金也有覆蓋在二硫化鉬的平台表面上且非常的平坦，粗糙度約小於±0.5 nm，相較之下，常溫下成長在二硫化鉬的鈷鈀合金薄膜卻很粗糙（粗糙度~±2 nm）。再來是關於二硫化鉬上金（2~8 nm），我們觀察到高度反轉的現象。鍍金前，二硫化鉬到基板二氧化矽的台階高度為 +0.66 nm，這大約是正常的二硫化鉬的單層厚度。鍍金後，二硫化鉬到基板之間的高度反轉成（約-1.0至-3.5 nm）。此高度反轉現象的原因是金在二硫化鉬和基板上的不同生長模式，且這機制會取決於金的鍍膜時的溫度和金的厚度。關於磁性方面，令人驚訝的是我們觀察到鐵磁性材料（鐵、鈷鈀合金）/二硫化鉬與旁邊的基板二氧化矽之間有magnetic decoupling(磁去耦合)的現象。儘管二硫化鉬厚度（~0.66 nm）比鐵或鈷鈀合金的厚度更薄，關於3.6 nm的鐵在二硫化鉬上的矯頑場 (Hc) 為 28 ±5 Oe，然旁邊區域基板二氧化矽上的3.6 nm Fe的Hc約為 58 ±5 Oe，可看出矯頑場有明顯的差異(約30 Oe)，之所以會有magnetic decoupling是由於鐵在不同基材上具有明顯的界面的磁各異向性。且也觀察到鈷鈀合金在二硫化鉬上也有類似的現象，在二硫化鉬上的鈷鈀合金(8 nm)的Hc為 52 ±3 Oe，旁邊的基板二氧化矽上的鈷鈀合金Hc 為 64 ±3 Oe，可得知鈷鈀合金上也會觀察到magnetic decoupling的現象。 最後，關於有機材料在二硫化鉬上的研究，隨著C60覆蓋度的增加，PL峰值從原本是二硫化鉬主導的1.83 eV變為C60主導的1.69 eV，此外在 C60/二硫化鉬這異質結構上證明了連續雷射會導致C60脫附。大約10 mW/µm2 的雷射功率就足以讓二硫化鉬薄片中的 20 nm C60脫附，所以可用這方法設計約為 500 nm微觀圖案。除了形態結構之外，還通過連續雷射誘導C60脫附的方法，來觀察在C60/二硫化鉬上微觀圖形的PL，關於上述在二維材料二硫化鉬基本研究(形貌，磁性，有機材料雕製微觀圖形)，相信這對未來的二維材料的二硫化鉬自旋電子應用或元件設非常有幫助。Item 鈣鈦礦與磁性金屬、二硫化鉬之介面特性分析(2022) 林子恩; Lin, Zih-En鈣鈦礦為新興太陽能電池材料，並且近年已有許多研究報導其光電性質[1,2]，但少有提及表面形貌。在先前研究中我們發現鈣鈦礦MAPbBr3無法在鐵鈀合金表面形成均勻且連續的薄膜，會呈現奈米柱狀結構並且有裸露的合金金屬層[9]。在本實驗中，我們發現以石墨烯層插層於鈣鈦礦與鐵磁層之間可使鈣鈦礦形成均勻連續薄膜。由原子力顯微鏡 (AFM) 剖面圖可觀察到：在鐵磁層表面粗糙度小於1 nm，在轉移石墨烯後約有 2 nm，在旋塗鈣鈦礦之後約有6 nm。在AFM形貌圖以及剖面圖可以看出鈣鈦礦於石墨烯上形成連續薄膜。此技術應用於元件製成可防止鈣鈦礦與金屬層的層間短路，使元件正常運作。二硫化鉬具有良好的載子遷移率，可作半導體材料，但仍有光吸收率相對不高的缺點[3]。鈣鈦礦/二硫化鉬異質結構具有較高光吸收率。但雖有許多關於鈣鈦礦/二硫化鉬結構光電性質的文章[4,5]，但對於鈣鈦礦在二硫化鉬上表面形貌的研究仍然缺乏。將鈣鈦礦旋塗於二硫化鉬上之後，在AFM形貌圖仍可分辨二硫化鉬的形狀，並且可見在二硫化鉬上的鈣鈦礦較基板上的緻密。在SEM圖的分析中，在二硫化鉬上的鈣鈦礦粒徑約在20 nm，在基板上約在30 nm。旋塗鈣鈦礦會造成二硫化鉬光致發光 (PL) 峰值的猝滅，並且造成峰值紅移。依文獻報導猝滅是因為鈣鈦礦到二硫化鉬的電荷轉移，紅移是因為二硫化鉬上量子點的n型摻雜效應[4]。形狀會影響二硫化鉬PL峰值。在旋塗鈣鈦礦後，缺角三角形二硫化鉬的PL峰值較三角形位移多，在3 ~12 nm區間，三角形的位移則在3 nm以內。在旋塗鈣鈦礦之後量測鈣鈦礦PL峰值位置，缺角三角形上的鈣鈦礦PL峰值比起三角形二硫化鉬藍移3 ~ 5 nm。文獻[52]中提及鈣鈦礦顆粒大小會影響PL峰值高低，我們推測可能由於三角形與缺角三角形上鈣鈦礦顆粒大小差異而影響PL峰值，但仍需進一步實驗確認。以450 nm藍光雷射照射鈣鈦礦/二硫化鉬結構，其中二硫化鉬從單層至6層，發現二硫化鉬PL峰值幾乎沒有變化，但峰值強度有減少的現象。Item 層狀二硫化鉬的偏振解析拉曼光譜研究(2021) 姜昱帆; Chiang, Yu-Fan偏振拉曼光譜已被廣泛應用於許多二維材料，包括石墨烯和過渡金屬硫化物，特別是使用線偏振光和圓偏振光為激發光。通過計算不同材料受不同偏振入射光影響的拉曼張量，我們可以得知聲子振動模式是如何表現其偏振態。在這項工作中，單層二硫化鉬被轉移到擁有不同厚度之二氧化矽的矽基板上，以測量偏振拉曼光譜。結果顯示，當被線偏振的入射光激發時，單層二硫化鉬的面內振動(E^')和面外振動(A_1^')模式分別表現出各向同性和線偏振的散射光。同時，當使用圓偏振光作為激發光時,E^'和A_1^'模態則分別表現出旋向交換(helicity-exchange)和旋向守恆(helicity-conserve)的行為。 更重要的是，實驗結果發現單層二硫化鉬的E^'和 A_1^'振動模式在位於純矽基板上時出現與理論模型相異的情形。我們引入了一個強度偏移量來解釋二硫化鉬的聲子與基板之間的耦合效應。此外，還引用了一些與電子-聲子耦合如何影響拉曼強度的偏振態有關的論文，去解釋這種奇特的現象，深入探討層狀二維材料的聲子與光子之間的交互作用，以期提供未來先進材料應用更多重要的基礎與應用。