[[alternative]]Gigantic enhancement in sensing ability of nanowire sensor by increasing the oxygen vacancy amounts

碩士[[abstract]]近年來，有許多研究團隊已證實金屬氧化物奈米材料的導電性與其表面之氧空缺結構有關，本研究利用兩端擁有不同氧空缺數量的SnO2-X/SnO2奈米線為基礎，比較奈米線兩端之蕭特基接觸元件的感測能力。在紫外光感測部分，兩元件於不同濃度氧氣環境中之感測靈敏度及蕭特基能障高度調控能力，SnO2-X均遠優於SnO2，隨著氧氣濃度升高，變化幅度較劇烈，回復時間也較為快速。氣體感測方面，SnO2-X對氧氣及一氧化碳氣體週期性感測靈敏度亦遠優於SnO2，在不同感測溫度及不同一氧化碳氣體濃度環境中，反應時間及回復時間也較為快速。本研究證明了氧空缺數量較多之SnO2-X擁有較優越之感測能力，此結果進而提供了一個增進奈米感測元件感測能力的方法。[[abstract]]Recently, there are many metal-oxide-based nano materials have been studied, most article indicated that the conductivity of the metal-oxide nano materials due to oxygen vacancies. In this research work, the SnO2-X and SnO2 nanostructures have been used to study the detection ability. The sensing abilities of metal-oxide-based nanosensors will be affected by the oxygen vacancy amounts of nanowire surface. In UV sensing, compared to the sensing abilities of SnO2 schottky contacted devices, the SnO2-X schottky contacted devices improved the sensitivity in different O2 concentration environment. The sensitivity and schottky barrier height variation with the increasement of O2 concentration of SnO2-X are much larger than SnO2, and the reset time is also faster. In gas sensing, the sensitivity of SnO2-X schottky contacted devices is better than SnO2 in different measurement temperature and different CO concentration. The response and reset time are faster, either. This result indicated that the sensing abilities can be gigantically enhanced by increasing the oxygen vacancy amounts. This research work provides a potential method for enhancing the detection ability of nanosensors.[[tableofcontents]]目錄 第一章 簡介 ............................................. 1 1.1 奈米感測材料的演進 .................................. 1 1.2 一維奈米材料 ........................................ 2 1.3 蕭特基接觸元件 ...................................... 2 第二章 研究動機 ......................................... 4 2.1 歐姆接觸元件 ........................................ 4 2.2 蕭特基接觸元件 ...................................... 5 2.3 SnO2-X/SnO2奈米線蕭特基接觸元件 ..................... 6 第三章 元件製作與實驗裝置 .............................. 13 3.1 奈米線的製備 ....................................... 13 3.2 元件製備 ........................................... 14 3.2.1 線源製備 ......................................... 14 3.2.2 奈米線設置 ....................................... 15 3.2.3 SnO2-X/SnO2奈米線蕭特基接觸元件 .................. 15 3.3 電性量測系統與感測裝置 ............................. 16 3.3.1 安捷倫B1500A電性量測系統 ......................... 16 3.3.2 紫外光光源 ....................................... 17 3.3.3 氣體流量控制系統 ................................. 17 3.4 材料分析儀器 ....................................... 18 3.4.1穿透式電子顯微鏡 .................................. 18 3.4.2掃描式電子顯微鏡 .................................. 19 第四章 實驗步驟與方法 .................................. 26 4.1 材料分析 ........................................... 26 4.1.1 穿透式電子顯微鏡 ................................. 26 4.1.2 掃描式電子顯微鏡 ................................. 27 4.2 電性量測 ........................................... 28 4.2.1 基本電性量測：電流密度－電壓特性曲線量測 ......... 28 4.2.2 紫外光感測 ....................................... 29 4.2.3 氣體感測 ......................................... 30 第五章 實驗結果與分析 .................................. 34 5.1 材料分析 ........................................... 34 5.1.1 SnO2-X/SnO2奈米線之穿透式電子顯微鏡的分析 ........ 34 5.1.2 SnO2-X/SnO2奈米線元件之掃描式電子顯微鏡的分析 .... 35 5.2 基本電性量測與數據分析及其機制 ..................... 36 5.2.1 SnO2-X/SnO2奈米線元件之基本電性量測 .............. 36 5.2.2 基本電性量測之數據分析與機制 ..................... 38 5.3 紫外光感測之數據分析及感測機制 ..................... 39 5.3.1 不同氧氣濃度環境下紫外光感測之數據分析 ........... 39 5.3.2 感測機制 ......................................... 42 5.4 氣體感測之數據分析及感測機制 ....................... 47 5.4.1 氧氣及一氧化碳氣體感測之數據分析 ................. 47 5.4.2 感測機制 ......................................... 50 第六章 結論與未來展望 .................................. 77 6.1 結論 ............................................... 77 6.2 未來展望 ........................................... 78 附錄 ................................................... 80 引用文獻 ............................................... 86 圖目錄 【圖2.1】 金屬與半導體(a)形成接面前及(b)形成接面後之能帶示 意圖........................................... 7 【圖2.2】 歐姆接觸元件 .................................. 8 【圖2.3】 歐姆接觸元件之電流-電壓特性曲線 ............... 8 【圖2.4】 蕭特基接觸元件 ................................. 9 【圖2.5】 蕭特基接觸元件之電流-電壓特性曲線 ............. 9 【圖2.6】 蕭特基接觸元件操作於(a)順向偏壓及(b)逆向偏壓下電 子流向示意圖 ................................. 10 【圖2.7】 歐姆接觸元件之氣體感測工作的電流-時間曲線，藍色底 為氮氣環境，粉色底為氧氣環境.................. 11 【圖2.8】 蕭特基接觸元件之氣體感測工作的電流-時間曲線 ... 11【圖2.9】 歐姆接觸元件之紫外光感測工作的電流-時間曲線 ... 12 【圖2.10】 蕭特基接觸元件之紫外光感測工作的電流-時間曲線..12 【圖3.1】 二氧化錫奈米線固體－氣體成長方法示意圖 ....... 20 【圖3.2】具有彎折結構之單晶二氧化錫奈米線的SEM示意圖 ...20 【圖3.3】 奈米線設置時三軸平移台裝置示意圖，載玻片上左為電 性試片、右為線源，試片上方為玻璃探針 .......... 21 【圖3.4】 SnO2-X/SnO2奈米線蕭特基接觸元件的SEM示意圖 ..21 【圖3.5】 安捷倫B1500A半導體元件分析儀 ................ 22 【圖3.6】 四點探針量測系統 ............................. 22 【圖3.7】 可攜式雙波段紫外光光源 ....................... 23 【圖3.8】 氣體流量控制系統 ............................. 23 【圖3.9】 JEOL Ltd.型號JEM-2100F穿透式電子顯微鏡 ....... 24 【圖3.10】 Ｘ光能量散射能譜儀 .......................... 24 【圖3.11】 電子能量損失能譜儀 .......................... 25 【圖3.12】 場發射式電子顯微鏡搭配陰極射線激發放光光譜儀 ..25 【圖4.1】 紫外光感測實驗量測腔體及光源設置圖............ 33 【圖5.1】 (a) SnO2-X/SnO2奈米線低倍率TEM影像及成長方向，插 圖為選區繞射條紋 (b)成長方向(200)的高解析影像，為 SnO2 (c) 成長方向(002)的高解析影像，為SnO2-X .. 53 【圖5.2】 (a) STEM line scan分析 (b) 錫原子及(c)氧原子的 STEM Mapping分析 ............................. 53 【圖5.3】 (a) 本實驗元件之SEM影像及示意圖 (b) SEM EDS分 析 ........................................... 54 【圖5.4】 SnO2-X)/SnO2奈米線元件的電流密度－電壓特性曲線 .............................................. 55 【圖5.5】 (a) 金半接觸形成蕭特基接觸介面後之能帶示意圖 (b) 蕭特基接觸介面操作於順向偏壓及(c)逆向偏壓下之能帶 示意圖........................................ 55 【圖5.6】 (a)蕭特基接觸介面操作於順向偏壓及(b)逆向偏壓時電 子流向示意圖 ................................. 56 【圖5.7】 (a) SnO2-X及(b) SnO2蕭特基接觸元件操作在逆向偏壓下 電子傳輸及能障高度的比較示意圖................. 56 【圖5.8】 SnO2-X蕭特基接觸元件在不同氧氣濃度下電流密度－電 壓特性曲線 ................................... 57 【圖5.9】 SnO2蕭特基接觸元件在不同氧氣濃度下電流密度－電 壓特性曲線 ................................... 57 【圖5.10】 蕭特基能障在不同濃度氧氣環境下變化趨勢圖 .... 58 【圖5.11】 0%氧氣﹢100%氮氣環境下元件照射紫外光前後之電流密 度－電壓特性曲線 ............................ 59 【圖5.12】 20%氧氣﹢80%氮氣環境下元件照射紫外光前後之電流密 度－電壓特性曲線 ............................ 59 【圖5.13】 40%氧氣﹢60%氮氣環境下元件照射紫外光前後之電流密 度－電壓特性曲線 ............................ 60 【圖5.14】 60%氧氣﹢40%氮氣環境下元件照射紫外光前後之電流密 度－電壓特性曲線 ............................ 60 【圖5.15】 80%氧氣﹢20%氮氣環境下元件照射紫外光前後之電流密 度－電壓特性曲線 ............................ 61 【圖5.16】 100%氧氣﹢0%氮氣環境下元件照射紫外光前後之電流密 度－電壓特性曲線 ............................ 61 【圖5.17】 SnO2-X及SnO2在0%氧氣﹢100%氮氣環境下紫外光週期 性感測的電流密度－時間曲線比較圖 ............ 62 【圖5.18】 SnO2-X及SnO2在20%氧氣﹢80%氮氣環境下紫外光週期 性感測的電流密度－時間曲線比較圖 ............ 62 【圖5.19】 SnO2-X及SnO2在40%氧氣﹢60%氮氣環境下紫外光週期 性感測的電流密度－時間曲線比較圖 ............ 63 【圖5.20】 SnO2-X及SnO2在60%氧氣﹢40%氮氣環境下紫外光週期 性感測的電流密度－時間曲線比較圖 ............ 63 【圖5.21】 SnO2-X及SnO2在80%氧氣﹢20%氮氣環境下紫外光週期 性感測的電流密度－時間曲線比較圖 ............ 64 【圖5.22】 SnO2-X及SnO2在100%氧氣﹢0%氮氣環境下紫外光週期 性感測的電流密度－時間曲線比較圖 ............ 64 【圖5.23】 SnO2蕭特基接觸元件在不同氧氣濃度環境下紫外光週期 性感測的電流密度－時間曲線比較圖 ............ 65 【圖5.24】 SnO2-X蕭特基接觸元件在不同氧氣濃度環境下紫外光 週期性感測的電流密度－時間曲線比較圖 ........ 65 【圖5.25】 SnO2-X蕭特基接觸元件在不同氧氣濃度環境下紫外光 週期性感測的電流密度－時間曲線比較圖，取出一個週 期之暗電流以比較元件電流輸出值 .............. 66 【圖5.26】 元件在不同氧氣濃度環境下紫外光感測靈敏度之變化趨 勢圖，插圖將SnO2之數據展開 .................. 67 【圖5.27】 元件在不同氧氣濃度環境下紫外光感測之反應時間趨勢 圖 .......................................... 67 【圖5.28】 元件在不同氧氣濃度環境下紫外光感測之回復時間趨勢 圖 .......................................... 68 【圖5.29】 (a) SnO2-X及(b)SnO2之蕭特基能障隨氧氣濃度上升的 變化趨勢機制圖 .............................. 68 【圖5.30】 紫外光感測機制(載子傳輸通道) (a)初始狀態 (b)紫外 光開啟(反應狀態) (c) 紫外光關閉(回復狀態) ... 69 【圖5.31】 紫外光感測機制(蕭特基介面) (a)初始狀態 (b)紫外 光開啟(反應狀態) (c) 紫外光關閉(回復狀態) ... 69 【圖5.32】 SnO2-X及SnO2在250oC下純氧及2ppm一氧化碳環境中 之電流密度－電壓特性曲線 .................... 70 【圖5.33】 SnO2-X及SnO2在250oC下純氧及2ppm一氧化碳氣體週 期性感測之電流密度－時間曲線 ................ 70 【圖5.34】 SnO2-X及SnO2在275oC下純氧及2ppm一氧化碳環境中 之電流密度－電壓特性曲線 .................... 71 【圖5.35】 SnO2-X及SnO2在275oC下純氧及2ppm一氧化碳氣體週 期性感測之電流密度－時間曲線 ................ 71 【圖5.36】 金半接面吸附氧分子提升蕭特基能障示意圖 ...... 72 【圖5.37】 (a)SnO2-X及(b)SnO2在高溫下氣體感測之熱電子效應、 氣體分子吸附與脫附及電流輸出比較示意圖 ....... 72 【圖5.38】 SnO2-X及SnO2在200oC下純氧及不同濃度一氧化碳氣體 感測之電流密度－電壓特性曲線 ................. 73 【表5.1】 不同氧氣濃度環境下之蕭特基能障高度 ........... 74 【表5.2】 氧氣濃度改變時蕭特基能障變化量 ............... 74 【表5.3】 不同氧氣濃度環境中兩元件蕭特基能障高度差(以0%為基 準) ........................................... 74 【表5.4】 不同氧氣濃度環境下紫外光感測之靈敏度 ......... 74 【表5.5】 不同氧氣濃度環境下紫外光感測之反應時間 ....... 75 【表5.6】 不同氧氣濃度環境下紫外光感測之回復時間 ....... 75 【表5.7】 250oC下純氧、2ppm一氧化碳氣體感測之靈敏度、反應時 間及回復時間.................................. 75 【表5.8】 275oC下純氧、2ppm一氧化碳氣體感測之靈敏度、反應時 間及回復時間.................................. 75 【表5.9】 200oC下純氧、不同濃度一氧化碳氣體感測之靈敏度、 反應時間及回復時間 ........................... 76 附錄圖目錄 【圖1】 SnO2-X在0%氧氣﹢100%氮氣環境下之254nm紫外光週 期性感測的電流密度－時間曲線 ............... 80 【圖2】 SnO2-X在20%氧氣﹢80%氮氣環境下之254nm紫外光週 期性感測的電流密度－時間曲線 ............... 80 【圖3】 SnO2-X在40%氧氣﹢60%氮氣環境下之254nm紫外光週 期性感測的電流密度－時間曲線 ................ 81 【圖4】 SnO2-X在60%氧氣﹢40%氮氣環境下之254nm紫外光週 期性感測的電流密度－時間曲線 ................ 81 【圖5】 SnO2-X在80%氧氣﹢20%氮氣環境下之254nm紫外光週 期性感測的電流密度－時間曲線 ................ 82 【圖6】 SnO2-X在40%氧氣﹢60%氮氣環境下之254nm紫外光週 期性感測的電流密度－時間曲線 ................ 82 【圖7】 SnO2在0%氧氣﹢100%氮氣環境下之254nm紫外光週期 性感測的電流密度－時間曲線 .................. 83 【圖8】 SnO2在20%氧氣﹢80%氮氣環境下之254nm紫外光週期 性感測的電流密度－時間曲線 .................. 83 【圖9】 SnO2在40%氧氣﹢60%氮氣環境下之254nm紫外光週期 性感測的電流密度－時間曲線 ................. 84 【圖10】 SnO2在60%氧氣﹢40%氮氣環境下之254nm紫外光週期 性感測的電流密度－時間曲線 ................. 84 【圖11】 SnO2在80%氧氣﹢20%氮氣環境下之254nm紫外光週期 性感測的電流密度－時間曲線 ................. 85 【圖12】 SnO2在100%氧氣﹢0%氮氣環境下之254nm紫外光週期 性感測的電流密度－時間曲線 ................. 85[[note]]學號: 600210016, 學年度: 10