物理學系
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Item 脈衝雷射蒸鍍法沉積氧化釓鋅薄膜的磁光與導電特性(2024) 張芷郁; Chang, Chih-Yu本論文使用脈衝雷射蒸鍍法在c指向的藍寶石基板上沉積摻雜的氧化釓鋅薄膜，所有薄膜樣品的沉積條件皆為525 ℃與3×10^(-1) mbar的氧氣環境。X光繞射光譜中，只顯示氧化鋅和基板的特徵峰，沒有其他晶相，由此可知釓原子成功的摻雜進氧化鋅晶格中。隨著釓元素摻雜比例增加，薄膜的c軸晶格常數從無摻雜的5.20 Å下降到5.16 Å。光致螢光光譜的強度因為摻雜導致結晶品質變差而降低，所有樣品的光譜皆有近能隙發光譜線。在摻雜的樣品中，螢光光譜則可以看到鋅空缺、鋅間隙、氧間隙與中性和帶二價的氧空缺的發光峰。磁性相關的量測有室溫磁特性曲線與磁光法拉第效應。磁性檢測顯示，所有氧化釓鋅薄膜在平行磁場與垂直磁場方向皆為順磁性，並且在外加磁場約為1500 Oe時達到飽和。每一片樣品在兩個方向下的飽和磁化量幾乎相同，其量值介於0.80 emu/cm^3 〜2.84 emu/cm^3。磁光法拉第效應顯示，所有氧化釓鋅薄膜的皆在略大於氧化鋅能隙(368 nm)的近紫外光波段有較大的磁光法拉第響應，因此我們推測磁光響應在對應材料能隙的波段直接相關，Verdet constant的最大值介於56.28 rad/(T‧cm)〜362.05 rad/(T‧cm)。導電特性方面，電流-電壓特性曲線顯示所有樣品的電極與薄膜皆為歐姆接觸。利用范德堡量測法得到的氧化釓鋅薄膜電阻率介於11〜309.74 mΩ⋅cm，因為摻雜造成晶粒尺寸變小、晶粒邊界增多、缺陷類型與密度增加，導致電阻率變大。由霍爾效應得知所有氧化釓鋅薄膜皆為n型半導體。因為摻雜釓離子引入的電子，使載子濃度大幅提升，但摻雜超過1%時，氧化釓鋅薄膜的晶格缺陷變成載子陷阱，因此載子濃度隨釓摻雜濃度而下降，並在摻雜10%的釓時維持在略高於純氧化鋅的值，其值介於5.17 〜32.02×10^18 cm^(-3)。載子遷移率也從純氧化鋅的22.77 cm^2/V⋅s 大幅下降至4〜8 cm^2/V⋅s。Item Item 脈衝雷射蒸鍍法製備氧化銪鋅薄膜之探討: 結構、光學、電性與磁性研究(2023) 魏煒倫; Wei, Wei-Lon本論文利用脈衝雷射沉積法在c方向的單晶藍寶石基板上沉積氧化銪鋅(Eu:ZnO)薄膜，摻雜比例為0－4.0 at.%，薄膜厚度控制在150 nm，之後檢測薄膜樣品的結構、光學、電性以及磁性。X光繞射光譜中在角度2θ = 31°－45°，我們只觀測到ZnO以及基板的特徵峰，確認了Eu成功摻雜進ZnO且沒有雜晶相。c軸常數隨摻雜比例提升從在5.21 Å降至5.18 Å，推測與電荷補償機制有關(2Eu3+ → 3Zn2+ + VZn)；晶粒尺寸與摻雜比例沒有明顯趨勢，晶粒尺寸在163-183 Å。光致螢光光譜的結果顯示Eu摻雜使得整體螢光強度下降、近能隙3.3 eV峰值訊號變寬，經分析後可推斷Eu:ZnO薄膜具有鋅間隙、鋅空缺、氧空缺、氧間隙等等的缺陷，隨著摻雜比例上升，缺陷和Eu 4f－4f軌域躍遷5D0－7F2逐漸主導螢光，當摻雜比例達到4.0 %時，可以觀察到5D0－7F1、5D0－7F0的螢光。在電性分析中，薄膜載子遷移率隨著摻雜比例上升從23 cm2/Vs降至0.1－1.0 cm2/Vs，推測與摻雜所產生的缺陷有關，缺陷變得更多、應力變大，形成更多的晶粒邊界使得電子容易被散射。在0、0.5、1.0 %摻雜比例的薄膜樣品，電阻率約在0.1 Ω⋅cm，載子濃度在1.0 %的薄膜樣品達到最大值32×10^18 cm-3，意味著少量摻雜可以改變、甚至促進薄膜電性，而當摻雜比例超過2.0 %時，電阻率急遽上升至1－10 Ω⋅cm、載子濃度則在3－5×10^18 cm-3。我們從磁光法拉第光譜觀察到薄膜樣品的法拉第旋轉角與外加磁場呈線性關係，並且薄膜的法拉第旋轉強度在近能隙的波長(340、350 nm)會有較強的響應，並且有Eu摻雜的樣品比無摻雜樣品具有更強的旋轉角強度，歸因於Eu摻雜帶來額外電子，達到增幅磁光效應的效果。磁性分析中，所有薄膜樣品在室溫下呈現順磁性，樣品磁矩在外加磁場達到1500 Oe後皆達到飽和。飽和磁化強度隨著摻雜比例上升有趨近飽和的趨勢，從7 emu/cm-3增加到13.7 emu/cm-3。Item 利用外加電場與光催化效應操縱氧化鋅表面奈米尺度的接觸起電現象(2023) 宋浩鈞; Song, Hao-Jyun在本研究中，我們利用基於原子力顯微鏡的技術，探討脈衝雷射沉積法製成的氧化鋅薄膜的接觸起電效應。在原子力顯微鏡的探針接觸氧化鋅薄膜時，我們藉由施加偏壓在探針上以及利用氧化鋅的光催化反應來進一步調控接觸起電實驗。透過使用峰值力輕敲式掃描模式，電荷載子可以在探針接觸到氧化鋅表面時被注入樣品並保存於其中。隨後我們再利用克氏探針表面電位顯微鏡監控樣品帶電區域的表面電位變化。由實驗我們發現 在接觸起電期間施加一個+10伏特的偏壓時，可以在樣品表面儲存正電荷使其產生相對 接觸前的表面電位差達約500毫伏特。然而，當我們改施加一個10伏特的偏壓時，則樣品表面可以儲存負電荷使其相對表面電位達約5000毫伏特。此實驗結果可以歸因於氧化鋅本質上為n型的半導體，較利於傳輸電子的關係。另外，我們使用波長為365奈米的紫外光照射氧化鋅薄膜表面來誘導光催化作用的發生。在紫外光照射後，氧化鋅的表面濕潤性將從疏水性轉變為超級親水性。透過實驗我們發現氧化鋅表面上來自吸收環境中水氣所形成的水層會阻礙摩擦起電時電荷的注入，使電荷需要透過量值更大的偏壓才可儲存於樣品表面中。我們的發現將可能有助於基於氧化鋅製成的摩擦起電式奈米發電機的後續發展。Item 氧化釤鋅氧化亞鈷多層膜結構的螢光及磁光特性(2022) 蕭欽鴻; Hsiao, Chin-Hung本論文探討脈衝雷射蒸鍍法於c-sapphire基板製備單層氧化亞鈷(CoO)、氧化釤鋅(Zn1-xSmxO, ZSO)與CoO/ZSO多層結構薄膜之結構特性、光學特性與磁光特性。其中釤原子摻雜比例分別為0、1與3%，薄膜的製備條件為在氧氣壓力1×10^(-3) mbar，加熱棒溫度設定為400℃，脈衝雷射波長為266 nm，雷射能量密度為CoO 2.4 J/cm2、ZSO 2.0 J/cm2。利用X光繞射光譜與拉曼散射光譜分析結構特性，觀察到纖鋅礦結構的ZnO(002)與岩鹽結構的CoO(111)的特徵特徵峰，代表各層薄膜為單晶結構。並隨著摻雜比例的上升，晶格常數會變大、晶粒大小會變小。在多層膜結構中會因為熱退火效應與晶格間的不匹配度影響著薄膜的結晶性。拉曼散射光譜中，可以觀察到基板、氧化鋅、氧化鋅缺陷與CoO之特徵譜線。AFM結果顯示所有樣品表面呈現顆粒狀，表面形貌接近原子級的平坦。 光學特性由光致螢光光譜顯示在室溫中所有多層膜結構有氧化鋅之近能隙發光，以及部分樣品有鋅空缺、氧空缺與鋅間隙等缺陷所造成的發光，並無發現釤離子在4f軌域躍遷或CoO之螢光訊號，亦沒有ZnO/CoO/ZnO量子井相關的光學特性。 磁光特性由磁光法拉第磁滯曲線結果顯示所有樣品在室溫下皆為順磁性。薄膜之伐得常數隨著波長增加而減少，多層膜的伐得常數計算值與實驗值趨勢與數值相近。Item 氧化釓鋅薄膜的法拉第磁光光譜(2021) 黎源弘; Li, Yuan Hung本文為延續研究，主要在探討摻雜釓的氧化鋅薄膜在室溫的光致螢光光譜和法拉第磁光效應。釓的摻雜莫耳濃度0%到20%，光譜的測量範圍是340 nm至700 nm，磁場介於±900 mT之間。摻雜不同濃度釓元素的氧化鋅薄膜都會產生鋅空缺，發出Ec→VZn-能階躍遷的螢光，此外除5%薄膜外，各薄膜亦同時有鋅間隙及氧間隙。當摻雜比例上升超過5%時，非本質發光會主宰PL光譜且光譜外型明顯改變。各樣品的總法拉第旋轉角基板加上薄膜的總合，和外加磁場成負斜率的直線關係。單獨觀察基板薄膜亦是如此。基板及薄膜的韋爾代常數介於-0.01287至-0.00399及-5.96000到6.74000 rad/mT．m之間，且隨波長增長量值減小，多數皆為負值，唯5%摻雜薄膜於380 nm到540 nm間為正值。在波長380、420、480及640 nm之韋爾代常數對於摻雜比有先增後減的現象，並在5%時有最大值。此結果有助於找到薄膜對波長在法拉第效應上的最高敏感度。總合兩光譜結果，可發現除摻雜元素可造成磁性，進而改變法拉第磁光效應外，缺陷對薄膜的磁性及法拉第磁光效應亦有相當的影響。Item 氧化鏑鋅薄膜的法拉第磁光與電性(2021) 林韋如; Lin, Wei-Ju以脈衝雷射蒸鍍法在c方向藍寶石基板上製備氧化鏑鋅薄膜，並討論其結構、光學、磁光與電性特性。分析X光繞射光譜與拉曼光譜，並沒有產生其他晶相，隨摻雜濃度增加，晶粒尺寸變小，晶格常數變化不大。光致螢光光譜顯示，純氧化鋅有很強的近能隙發光，隨摻雜濃度增加，近能隙發光強度漸弱，缺陷發強度增強，主要缺陷為氧空缺、鋅空缺與鋅間隙。磁光光譜可看出，所有薄膜呈順磁性，與SQUID量測結果相同，Verdet constant大致隨波長增長而漸弱；其中缺陷所對應的發光波長，Verdet constant 與摻雜比例做圖，摻雜濃度10%響應為最強。量測電流-電壓曲線圖得知所有電極都為歐姆接觸。使用Van der Pauw法量測氧化鏑鋅薄膜的電阻率數值在0.078 mΩ·cm與277.72 mΩ·cm之間。霍爾效應檢測顯示氧化鋅為n型半導體，1%及5%的氧化鏑鋅薄膜為p型半導體，載子濃度在7.89×1018 cm-3與5.32×1022 cm-3之間，遷移率在4.3×10-4 cm2/Vs與35.13 cm2/Vs之間。Item 氧化鈥鋅薄膜的磁光與電性(2020) 林于庭; Lin, Yu-Ting本論文探討脈衝雷射蒸鍍法在c方向藍寶石基板上所製備之氧化鈥鋅薄膜(Ho: ZnO)的結構、光學、磁和磁光，及導電特性。氧化鈥鋅薄膜的製備條件為氧壓3×10-1 mbar，基板溫度525 ℃，雷射波長266 nm，雷射能量密度2.0 J/cm2，鈥的摻雜比例0~10 原子莫爾濃度(at. %)。 X光繞射光譜和拉曼散射光譜顯示氧化鈥鋅薄膜沒有其他雜質或晶相存在，代表薄膜中鈥原子成功取代了鋅原子。隨摻雜比例增加後，晶格常數與晶粒大小會變小，表示鈥原子(0.904 Å)取代鋅原子(0.74 Å)過程中產生缺陷造成薄膜結構變差。摻雜5及8 at. %之氧化鈥鋅薄膜的拉曼散射光譜還包含Ho 4f軌域5S2→5I8及5F4→5I8能階的螢光訊號。光致螢光光譜顯示純氧化鋅(Ho: 0 at. %)有很強的近能隙發光，隨摻雜比例增加，近能隙的發光變弱，缺陷的發光變強，從光致螢光光譜可以辨認出氧空缺、鋅空缺、鋅間隙等缺陷。 SQUID的結果顯示在T = 5與300 K氧化鈥鋅都呈現順磁性，飽和磁矩隨摻雜比例增加而變大，在8 at. %達最大值120 emu/cm3。磁矩和溫度關係結果表明，薄膜磁矩在2~100 K的範圍內都快速下降，在150 K後趨於平緩，且在40~60 K的地方有很強的氧退吸附訊號，若扣除掉氧退吸附的訊號，推測所有薄膜皆不具磁有序特性。磁光光譜顯示所有氧化鈥鋅薄膜皆為順磁性，其法拉第旋轉角對磁場的斜率隨波長越大而變小，此外氧化鈥鋅薄膜的Verdet常數數值隨波長增長變小，大約降低86 %。 從電流-電壓特性曲線可以看到所有氧化鈥鋅薄膜電極皆符合歐姆定律。且在摻雜之後電阻率從0.022 Ω-cm上升到0.221 Ω-cm，表示摻雜和產生的缺陷會增加電阻率。Item 溫度與氧壓對氧化鋅摻雜釓的光學性質與磁性影響(2019) 姚壬茨; Yao, Ren-Ci本論文利用脈衝雷射蒸鍍法(PLD)在c方向的單晶藍寶石基板上製備150 nm厚的氧化鋅(ZnO)與氧化釓鋅(ZnGdO)，並探討薄膜鍍膜速率、薄膜的結構特性、光學性質及磁性的和基板溫度、鍍膜氧壓關係。薄膜的製備條件PLD單位面積雷射能量為2.5 J/cm2，鍍膜氧壓分別為3×10-1 mbar與3×10-2 mbar，釓的摻雜比例為5 at.%，鍍膜溫度為室溫到750 ℃。 X光繞射及拉曼散射光譜顯示薄膜並沒有雜質或其他晶相產生，表示釓成功的取代氧化鋅。鍍膜溫度在750℃時，薄膜結晶品質最好，其中氧化鋅薄膜的最佳鍍膜氧壓為3×10-1 mbar，氧化釓鋅薄膜的最佳鍍膜氧壓則為3×10-2mbar。在最佳鍍膜條件下，氧化鋅和氧化釓鋅薄膜的晶粒大小分別為31.82 nm、16.87 nm；拉曼光譜也出現E2L-B1H特徵峰。 螢光光譜顯示氧化鋅與氧化釓鋅薄膜皆可觀察到近能隙發光，而氧化鋅薄膜主要來自鋅間隙、鋅空闕的缺陷發光；氧化釓鋅主要來自鋅間隙、鋅空缺和氧空缺的缺陷發光。超導量子干涉磁量儀測量結果顯示氧化鋅薄膜與氧化釓鋅皆為順磁性，飽和磁矩隨著鍍膜溫度下降而上升，有摻雜釓的氧化鋅的磁矩較氧化鋅高。飽和磁矩的來源除了摻雜的釓原子，還包含薄膜中的缺陷，但這些缺陷並沒有辦法增強耦合交互作用，因此雖然摻雜5 %的釓仍為順磁性，沒有變成鐵磁性。Item 脈衝雷射蒸鍍法製備氧化釓鋅薄膜的探討： 結構、光學與磁性研究(2013) 密修誌我們是利用脈衝雷射沉積法製備摻雜釓的氧化鋅薄膜，X光繞射顯示樣品維持原有的晶體結構，但c軸晶格常數減小。因為薄膜的厚度在300nm以下，所以拉曼散射光譜只獲得微弱的訊號，樣品的能隙發光強度隨著摻雜濃度上升而下降，缺陷發光則隨釓濃度上升而增加，主要的缺陷有鋅錯位及鋅間隙，所有的樣品僅有Zn0.95Gd0.05O在室溫具有鐵磁性，其餘皆為順磁性。室溫(300K)的m-H曲線，只有x=0.051有磁滯曲線，在氧壓為3×10-1mbar及這樣的濃度下室溫是有鐵磁性。
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