物理學系
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Item 稀土鐵石榴石與鈣鈦礦奈米材料之結構、磁性和應用(2023) 劉仕渝; Liu, Shi-Yu鈣鈦礦和稀土石榴(REIG)薄膜具有優異的光學和磁光特性。因此，將這兩種材料結合在一起可以創造出具有可調控光學和磁性性能的異質結構，並應用於光學通信、光學記憶和磁光元件等領域。在本研究中，我們將深入探討鈣鈦礦和REIG薄膜各自的潛在價值。近年來，一些研究表明使用稀土元素(RE)元素代替釔(Y)來調節石榴石薄膜的應變誘導磁異向性。REIG薄膜(~100 nm)藉由脈衝雷射沉積法製備於(111)取向的釔鋁石榴石(YAG)基板上。釤、钬和釔鐵石榴石(SmIG, HoIG, and YIG)具有垂直於膜面的壓縮應變，而鉺和铥鐵石榴石(ErIG and TmIG)具有弱的拉伸應變。由於負磁致伸縮常數，因此SmIG和HoIG薄膜表現出相對強的垂直磁異向性(PMA)。隨著技術的發展，對高存儲容量和快訪問速度的需求不斷增加。因此我們選擇對擁有相對強PMA的SmIG薄膜進一步研究。藉由降低SmIG薄膜厚度，可使其具有更強的壓縮應變，進而獲得更強的PMA。相比之下，YIG在30-120奈米區間仍展現水平磁異向性(IMA)。這一發現表明磁性能受Y:Sm比的顯著影響。隨後，我們製備了一系列不同厚度、Sm摻雜濃度的SmYIG薄膜。振動樣品磁力計揭露隨著厚度的遞減和Sm摻雜濃度的增加，可使SmYIG薄膜具有較強的PMA。此外，我們展示了在不同Sm摻雜濃度下，SmYIG薄膜的臨界厚度。為基於REIG薄膜的高密度磁信息存儲鋪平道路。YIG與反鐵磁材料的結合因其在自旋泵等應用中的潛力而備受關注。因此，我們於YIG薄膜上沉積氧化鈷(CoOx)薄膜以研究介面效應。由於CoOx薄膜於高溫缺氧環境下製備，所以其表面區域由純CoO組成，界面區域則為CoO和Co的混合物。CoOx/YIG薄膜不僅表現出低溫下由CoO提供的磁耦合，還表現出由鐵磁Co提供室溫負交換偏置(RT-NEB)。與CoOx/YIG薄膜相比，我們於YIG薄膜上製造了進一步氧化的CoO薄膜，並觀察到室溫正交換偏置(RT-PEB)。RT-PEB隨著外加磁化場增加而增加，並在外加磁化場為500 Oe時飽和。隨著溫度降低，PEB 逐漸轉變為 NEB。這些結果清楚地表明 CoO/YIG 雙層系統中PEB和NEB共存，而PEB歸因於CoO界面自旋的反平行耦合，而NEB歸因於AFM-FM耦合。有機-無機鈣鈦礦(MAPbBr3)/鐵磁異質結構在光控自旋電子元件中已被廣泛探討。然而使用金屬鐵磁層作為底部電極仍然是一個挑戰。因此，我們提出插入氧化鋁(AlOx)或石墨烯(Gr)層的超薄異質界面來改善均勻性。通過原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡，我們觀察到MAPbBr3層成功地形成了緻密的連續薄膜。此外，AlO¬x或Gr層的存在可以有效地防止鈣鈦礦和鐵磁金屬薄膜之間的氧化和界面擴散。然而，MAPbBr3層在環境下很容易受溫度、濕度、氧氣濃度影響而分解。因此，我們製備了全無機銫鉛溴化物鈣鈦礦量子點(CsPbBr3 QDs)來替代鐵磁層上方的 MAPbBr3，並研究了藍光雷射對磁性的影響。隨著雷射照射時間的增加，CsPbBr3 QDs的表面形貌和特徵尺寸發生了顯著變化並逐漸演變，引發了一系列氧化還原和界面擴散過程，特別是在 CsPbBr3 QDs/Co異質結構的界面處。這些結果開啟了鈣鈦礦/鐵磁異質結構在自旋電子學應用研究。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 量產型石墨烯作為紫外光發光二極體透明電流擴散層(2022) 陳又綺; Chen, You-Ci本研究以鎳金屬為催化劑，以電漿輔助式化學氣相沉積(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition;PECVD)於基板上生長石墨烯薄膜作為透明電流擴散層。為於目標基板與石墨烯透明電流擴散層之間形成類歐姆接觸，本研究使用原子層化學氣相沉積(ALCVD)於目標氮化鎵基板表面沉積氧化鎳薄膜作為緩衝層，並對兩者進行熱退火合金化，以降低功函數差異造成之能障，藉優化參數實現低接觸電阻、高 UV 穿透之透明電流擴散層。以圓形傳輸線量測(CTLM)，檢視各製程參數對石墨烯透明電流擴散層與紫外光發光二極體表層之 p 型氮化鎵介面特性之影響。最終藉加入氧化鎳緩衝層，使介面間自蕭特基接觸轉為類歐姆接觸。達成具低特徵接觸電阻與類歐姆接觸之介面特性之大面積高品質石墨烯作為紫外光發光二極體透明電流擴散層之應用。Item 石墨烯作為深紫外發光二極體透明電流擴散層之應用—石墨烯/氧化鎳/氮化鎵磊晶介面研究(2022) 王晏承; Wang, Yan-Cheng石墨烯(Graphene)為一種全為碳原子所組成之層狀結構體，並且每一個碳原子皆為sp2混成(sp2 Hybridization)，最終形成六角形蜂巢狀晶格結構。其諸多特性皆使學界與業界引起了極大興趣，如單原子層之厚度、零能隙、高熱力穩定性、高機械性能、極高之載子遷移率，以及於各光波長下皆有高穿透度，使得其做為深紫外光(UVC)發光二極體之透明電流擴散層(Transparent Conductive Film)眾多材料中之佼佼者。然而，石墨烯作為透明電流擴散層仍有幾項缺陷尚須克服，首先其功函數值遠小於p摻雜之氮化鎵(p-GaN)，使得兩材料無法僅靠熱退火擴散製程消除電洞傳輸時之能障。再者，較難以大面積直接生長石墨烯，過去常以轉印之方式製備，但此方法除無法量產外，轉印期間也容易使石墨烯產生污染與皺摺。為解決上述問題，本研究使用原子層氣相沉積法(Atomic Layer Deposition ; ALD)，於石墨烯與p摻雜氮化鎵層之間，生長功函數介於兩材料之間之氧化鎳作為緩衝層，以改善內建電位(Vbi)之大小，進而使得蕭特基能障(Schottky Barrier)降低，使元件特性由整流特徵轉變為電阻特徵。此外，本實驗使用鎳金屬作為催化劑，並藉由電漿輔助式化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ; PECVD)直接於深紫外光磊晶基板上生長大面積石墨烯薄膜，該工藝可有效降低製程溫度，亦將轉印之製程消除，使量產目標之可能性增加。透過紫外光電子能譜（UPS）確認功函數之改善。並使用穿透式電子顯微鏡進行選區電子衍射（Selected Area Electron Diffraction ; SAED）測得石墨烯之層距為0.334 nm，其數值與理論值相符。經NiO緩衝層參數改善後介面電性由蕭特基接觸轉變為歐姆接觸，且其特徵接觸電阻ρ_c亦降低至2.6×10^(-5) (Ω-cm2)，因此將石墨烯及緩衝層作為深紫外光發光二極體之透明電流層具相當潛力。Item 鐵鈀合金在石墨烯上的表面形貌與磁性(2022) 尹浚翰; Yin, Chun-Han近年來石墨烯由於其較長的自旋散射距離，成為自旋電子學中備受關注的二維材料之一，為了解決CVD製成的大範圍單層石墨烯，因電極與石墨烯間的接觸電阻，使得其傳輸自旋電子流的效果不佳，因此如何提高自旋電子注入效率成為主要研究目標。較佳的做法為使用磁性材料當作電極，磁化後並注入電流以提高自旋電子注入效率。本研究著重於了解鐵鈀合金在石墨烯上的磁性表現與表面形貌，作為往後工業應用上的基礎。本研究使用原子力顯微鏡的接觸模式，清理轉印過後石墨烯上的殘留顆粒，發現鐵鈀合金在清理過後的石墨烯上表面粗糙度僅有些微下降，而矯頑場上升約5 Oe。此外在分析不同厚度的鐵鈀合金在石墨烯上的表面形貌及磁性表現後，發現在厚度較低時鐵鈀合金的成長模式對於基板材料相當敏感，而當鐵鈀合金厚度為8 nm時表現趨於穩定。根據以上結果進一步製作元件以量測其磁阻，發現石墨烯對於鐵鈀合金的磁阻表現也有相當程度的影響，其磁阻變化率下降10倍。這些結果將有助於未來對於石墨烯和磁性材料異質結構的研究發展。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 鎳/石墨烯在條紋狀銅基板上電化學與磁特性研究(2022) 謝銘杰; Xie, Ming-Jie本實驗主要用射頻濺鍍鎳在商用石墨烯/銅基板，並利用原子力顯微鏡、磁光科爾效應儀與循環伏安法，藉以研究鎳/石墨烯結構對薄膜磁特性及電化學電位磁控制的變化。研究中發現在石墨烯上成長鎳薄膜，受到形狀異向性影響，於縱向磁化會呈現出有面上二對稱的磁化難軸與磁化易軸，並利用原子力顯微鏡發現了石墨烯/銅樣品上呈現出有規律的刻痕，而隨著鎳厚度的增加，矯頑力也隨著變大，更容易於觀察。在電化學中循環伏安法，在電化學研究中已知不同條件的樣品在化學溶液有不同的氧化還原反應，故透過循環伏安法來進行鎳/石墨烯的研究是必要的，在電化學實驗中選用20 ~ 70 nm的鎳/石墨烯/銅樣品來進行電位磁控制，在實驗中溶液為10、100 mM KCl分別加入0.1 mM HCl溶液，因此要先從中找到了氯離子的吸附、退吸附電位、鎳/銅的氧化還原電位、氫氣的反應電位，並發現溶液濃度上升會使氧化還原電位上升，其電位利用能斯特方程式計算與實驗系統數據呈現高再現性。依據循環伏安法的實驗結果，會以濃度、電位、厚度的比較來做氯離子吸附退吸附對矯頑力的影響，並且選擇了僅有氯離子的吸退附電位區間進行比較，可以從數據發現濃度改變、電位調控、氯退吸附會影響其矯頑力的變化，並且會符合其薄膜厚度Neel wall與Bloch wall的變化趨勢。Item 單層石墨烯表面的接觸起電現象：穿隧摩擦起電、摩擦化學與結構缺陷間的交互作用(2021) 黃水德; Huang, Shuei-De我們使用原子力顯微鏡(atomic force microscopy, AFM)及其衍伸技術研究了二氧化矽基板上的單層石墨烯表面的接觸摩擦起電效應。我們藉由使用施加了偏壓的原子力顯微鏡探針摩擦單層石墨烯表面，並觀察摩擦之後的石墨烯表面電位會如何隨著所加偏壓的大小、極性、環境溼度與石墨烯的結構缺陷而變化。我們發現在摩擦的過程中，探針上的電荷可以經由石墨烯的結構缺陷穿隧進入並累積在石墨烯與下層二氧化矽基板之間。我們使用克氏探針表面電位顯微鏡(Kelvin Probe Force Microscopy, KPFM)量測表面電位以監測累積電荷隨時間的改變。當我們使用+5V偏壓施加在探針上摩擦石墨烯後，摩擦與未摩擦區域表面電位差可以高達500mV，並表面電位會隨著時間逐漸降低，於3500分鐘後約穩定在150mV。然而，當我們在摩擦時使用負偏壓時，摩擦後的表面電位差會快速在500分鐘後消散到接近零，然後漸漸轉為正電位。這是因為當我們使用加了偏壓的原子力顯微鏡探針在環境條件下摩擦單層石墨烯時，其表面會產生摩擦化學反應，在石墨烯表面產生化學官能基，進而影響到摩擦後的表面電位。此外，我們也使用了氬氣電漿來處理石墨烯，以產生不同結構缺陷程度的單層石墨烯樣品。我們並發現結構缺陷愈多的石墨烯，其表面電位在摩擦後消散的愈快。我們的研究可以將石墨烯應用到新穎的奈米摩擦發電機(triboelectric nano-generators, TENG)之中。Item 鐵在不同退火溫度下沉積在石墨烯/銥(111)系統之結構及磁特性研究(2021) 郭恩見; Guo, En-Jian本論文主要研究為不同厚度的鐵在不同退火溫度時，沉積在石墨烯/銥(111)系統之結構及磁特性，當退火溫度提高時，樣品最上層的鐵越是傾向於穿過石墨烯至銥(111)基板上形成插層結構。為了清楚了解到退火溫度對鐵形成插層結構的效益，本論文將退火溫度分為300 K、400 K、480 K及520 K四個系列進行研究，並利用歐傑電子能譜儀及低能量電子繞射儀對各系列樣品進行結構上的分析，從歐傑電子能譜儀及低能量電子繞射儀實驗結果發現，隨著退火溫度升高時，由於鐵會逐一穿過石墨烯至銥(111)基板上形成插層，且每當形成一層完好的插層結構後，鐵才會接續穿過石墨烯排列下一層，因此鐵在銥(111)基板上排列更加整齊，整個系統會傾向於分層明確且晶格較為單一的簡單系統。另外本論文使用歐傑電子訊號強度衰減公式做理論計算，將理論值與實驗所得的數據互相比對後相當吻合，這樣更能確定系統模型假設的正確性。從以往鐵/銥(111)系統的磁性量測中得知，鐵/銥(111)是水平磁化系統，當鐵接觸到銥(111)基板時，隨著鐵厚度增加，會有最多三層的磁性死層。而從四組不同退火溫度的樣品所量測到的磁性是水平磁化系統，當退火溫度升高時，磁性有延後出現的趨勢，且飽和磁化量的成長趨勢降低，從低能量電子繞射的實驗結果得知，這是因為退火溫度高的系列，由於面心立方排列的銥原子將上層鐵的晶格撐大再加上鐵的插層機制，以至於鐵的假晶成長延後直到鐵厚度超過系統可以負荷的最大應力後，鐵逐漸回到自身晶格大小，才能從表面磁光科爾效應量測到磁性。Item 石墨烯在不同基板上的偏振解析拉曼光譜(2021) 張瑀真; Chang, Yu-Chen石墨烯為一種單層碳原子構成蜂巢狀二維平面的特殊材料，自2004年開始，單層的石墨烯成功地被塊狀的石墨剝離後，近幾年大家開始探索且研發其他更多不同導電特性的二維材料。石墨烯具有獨特的高導電、高導熱以及對光的高敏感性而備受重視。本研究利用化學溶劑濕式蝕刻法以及氣泡轉移法，以在不影響石墨烯品質的情況下轉移到矽基板，測量石墨烯二維材料的原子振動反應並探討與其基板的交互作用情形，利用偏振拉曼光譜儀系統量測原子振動的偏振狀態。本研究使用不同偏振態的入射光 （圓偏振光、線性偏振光）照射石墨烯樣品，讓石墨烯因在不同基板上的耦合效應不同而破壞了簡併振動帶，因而使得簡併聲子振動比例有所不同，也導致偏振拉曼振動狀態和振動強度的改變。我們更進一步利用石墨烯中簡併聲子振動帶的特性量測到二維材料具有旋光轉換的效應。本研究也將會介紹如何使用偏振程度（Degree of polarization）的算式結合拉曼光譜來了解不同基板上石墨烯原子振動狀態的偏振特性並能夠藉由數值模擬來驗證實驗結果。這些成果及實驗方法將有助於深入研究光與二維材料與基板交互作用，探討更多基本的材料物理特性及未來可能的應用。
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