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 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 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 脈衝雷射蒸鍍法製備氧化鈥鋅薄膜的探討： 結構、光學與磁性研究(2014) 蔡承佑; Cheng-You Tsai利用脈衝雷射沉積法製備氧化鋅摻鈥薄膜，鈥的原子莫耳濃度介於3~30%之間，沉積於c方向的藍寶石基板。鍍膜環境氧氣壓力為3×10-2mbar，基板溫度為750℃。部分樣品在溫度650℃進行一小時的退火。拉曼散射光譜顯示僅有濃度5%退火處理後的Ho樣品產生合金相。光致螢光光譜能將大部分的樣品分析出鋅空缺、鋅間隙以及鋅錯位的缺陷發光訊號，而整體發光強度隨著Ho摻入濃度的上升而增強。所有樣品在5K及300K外加磁場下的量測下表現皆為順磁性。Item 脈衝雷射蒸鍍法製備氧化鏑鋅薄膜的探討： 結構、光學與磁性研究(2014) 丁一介; YI-Chieh TING利用脈衝雷射沉積法製備摻雜鏑的氧化鋅薄膜，鏑的原子莫耳濃度介於1~10%之間。在氧氣壓力3×10-1mbar的鍍膜條件下，X光繞射顯示樣品維持原有的晶體結構，沒有雜質態產生。因為薄膜的厚度只有150nm左右，拉曼散射光譜只獲得微弱的訊號。純氧化鋅PL光譜只有本質激發，缺陷發光是Dy摻雜造成，多為鋅空缺及鋅間隙。有摻雜Dy的薄膜在室溫皆具有鐵磁性，低溫(5K)則為順磁性。Item 氧化鈥鋅/氧化鋅雙層膜結構之物性研究(2014) 莊桓嘉; Chuang Huan-Chia本論文以脈衝雷射蒸鍍法於c平面藍寶石基板上先沉積一層氧化鋅緩衝層，再鍍上一層氧化鈥鋅薄膜，探討緩衝層在不同溫度、厚度下對氧化鈥鋅薄膜的影響。 以X光繞射檢測結果顯示我們的氧化鈥鋅薄膜為c軸取向，沒有發現任何其他結晶相。且在參雜高濃度鈥元素時引入氧化鋅緩衝層有助於氧化鈥鋅薄膜品質的提升。以PL檢測結果主要的缺陷發光有鋅空缺和鋅間隙，且隨著樣品檢測溫度的降低薄膜發光有增強的趨勢。SQUID檢測結果顯示氧化鈥鋅薄膜在室溫和T=5K時皆為順磁性。Item 脈衝雷射蒸鍍法製備氧化銪鋅薄膜之探討：結構、光學與磁性研究(2016) 黃文澤; Huang, Wen-Tse本論文利用脈衝雷射沉積法在氧氣壓力3×10-1 mbar、溫度750°C環境下，在c方向的藍寶石基板上製備厚度100 nm的氧化銪鋅薄膜，其中銪的原子莫耳濃度介於0~15 %之間、雷射能量密度1.6 J/cm2，檢測氧化銪鋅薄膜的結構、光學以及磁特性。 利用XRD分析樣品成份發現所有實驗比例皆小於配方比例。X光繞射圖譜和拉曼光譜顯示樣品沒有雜晶相產生，隨著Eu摻雜濃度上升樣品粒徑大小減少。純氧化鋅PL光譜只有本質發光，缺陷發光是Eu摻雜造成，為氧間隙、鋅空缺、和氧空缺。而高濃度的氧化銪鋅(8%、10%、15%)樣品多了鋅間隙發光機制。藉由橢圓偏振光譜和穿透光譜發現銪摻雜的比例上升能隙有逐漸變大的趨勢。藉由SQUID量測3 %、5 %、8 %的氧化銪鋅薄膜在室溫及5 K的溫度下表現出順磁性。Item 利用PLD製備含有氧化鎂鋅緩衝層的氧化釓鋅薄膜之結構、光學與磁性研究(2016) 曾子倫; Tseng, Tzu-Lung本論文以脈衝雷射蒸鍍法在c指向的單晶藍寶石基板上製備Zn1-xGdxO，改變濃度、基板溫度、雷射能量並探討鍍膜速率、薄膜結構特性、光學特性和磁性。此外，製備(Zn1-xGdxO/Zn0.9Mg0.1O)雙層膜樣品來探討不同Zn0.9Mg0.1O緩衝層的厚度對Zn1-xGdxO在薄膜結構和光學特性的影響，其中鍍膜氧氣壓力為3×10-1 mbar，Gd摻雜的原子比例為1%、3%、8%。 Zn1-xGdxO鍍膜速率會隨著Gd比例的增加而上升，也會隨著雷射能量的上升而上升。藉由X光光電子能譜測定的Gd摻雜比例皆與配方比例相當接近。X光繞射光譜及拉曼散射光譜顯示所有薄膜皆無雜質或其他晶相產生，代表Gd與Mg成功取代Zn位置。在Gd摻雜濃度變高時，薄膜的粒徑大小持續下降，代表薄膜結晶品質變差；在Mg摻雜的薄膜變薄時，薄膜的粒徑大小持續下降，因其薄膜厚度太薄使其粒徑只能與厚度接近。光致螢光顯示Zn1-xGdxO薄膜的發光都與鋅空缺和鋅間隙有關，而多了一層氧化鎂鋅緩衝層時，會讓Zn1-xGdxO薄膜的缺陷發光強度下降。超導量子干涉磁量儀測定結果顯示所有氧化釓鋅薄膜皆為順磁性。Item 脈衝雷射蒸鍍法製備氧化鈥鋅薄膜的探討：結構、光學與磁性研究(2016) 葉育廷; Yeh, Yu-Ting利用脈衝雷射沉積法製備摻鈥的氧化鋅薄膜(氧化鈥鋅薄膜)，鈥(Ho)的濃度為0到10%之間，沉積於c指向的藍寶石基板。脈衝雷射功率為2.0 J/cm2 ，鍍膜環境氧氣壓力為3×10^-1 mbar，基板溫度為750 oC。本論文探討氧化鈥鋅薄膜的成份，結構性質，光學性質，磁性以及各種特性間的關聯。 利用XPS能譜進行成分分析，分析薄膜中Ho的濃度。X光繞射光譜中，隨著Ho摻雜濃度越高，薄膜結晶品質越差，c軸晶格常數越小。拉曼光譜中，可觀察到氧化鋅E2-low (99 cm-1)及E2-high (438 cm-1)的振動模式，且在Ho = 3%有螢光效應出現。PL光譜中，分析發光來源為近能隙、鋅空缺、鋅間隙、氧空缺所貢獻。橢圓偏振儀及穿透光譜顯示能隙隨著Ho摻雜比例上升而增加。超導量子干涉磁量儀測定結果顯示室溫及低溫的氧化鈥鋅薄膜皆為順磁性。Item 脈衝雷射蒸鍍法製備氧化鉺薄膜的探討:結構、光學與磁性研究(2015) 周楷傑; Chou, Kai-Chieh利用脈衝雷射沉積法製備摻雜鉺的氧化鋅薄膜，在3×〖10〗^(-1)及3×〖10〗^(-3)mbar兩氧壓下用蓋板法與銀膠法固定基板加熱。XPS成分分析利用Er離子面積計算薄膜比例與靶材比例相近。X光繞射譜中，摻雜Er濃度越高，在低氧壓下兩製備法的 ZnO結晶品質越差且c軸晶格常數越大，而高氧壓下兩制備法的ZnO結晶品質越差且c軸晶格常數先變小在變大。蓋板法在不同氧壓下製備氧化鉺鋅薄膜，高氧壓下薄膜整體結晶品質比低氧壓佳。 拉曼光譜中，低氧壓只有蓋板法可觀察到ZnO的E_2 (high)及E_2 (low)的振動模式;高氧壓下兩製備方法皆有ZnO E_2(low)且ZnO有強烈E_2(high)訊號，Er 3at.%螢光效應最強。PL光譜顯示近能隙發光強度隨著Er濃度上升而下降，缺陷發光則隨Er濃度上升而增加，低氧壓PL光譜由近能隙、鋅空缺、鋅間隙所貢獻，高氧壓PL光譜由近能隙、鋅空缺、鋅間隙、氧空缺、氧間隙所貢獻。SQUID m-H圖顯示室溫ZnO無磁性，其他濃度氧化鉺鋅薄膜為順磁性，而低溫氧化鉺鋅薄膜為順磁性。