鋁薄膜輔助常溫水溶液法製備氧化鋅奈米結構之製程及其性質

Abstract

針對有潛力的寬能隙半導體之應用，本研究探討常溫水溶液法合成不同奈米結構的氧化鋅之製程。研究中以醋酸鋅(Zn(CH3COO)2．2H2O)、氯化鋅(ZnCl2)與硝酸鋅 (Zn(NO3)2．6H2O)作為生長氧化鋅的前驅物，搭配鋁(Al)觸媒與界面活性劑十二烷基硫酸鈉(Sodium dodecyl sulfate, NaC12H25SO4)來輔助。最後，藉由掃描式電子顯微技術(SEM)、X光繞射技術(XRD)、穿透式電子顯微技術(TEM)、能量散佈光譜技術(EDS)、X光電子能譜技術(XPS)與光子激發能譜技術(PL)來分析討論沉積膜的結構與光學性質。根據上述實驗結果，可得到以下的結論。 結果顯示，沉積膜的晶體結構為六方最密堆積，主要是由氧化鋅與鋅所組成，且在適當的沉積溫度（約常溫）、沉積時間（約3小時）與十二烷基硫酸鈉濃度（約5 mM）的情況下，有助於生長較多的氧化鋅奈米結構，其中氧化鋅前驅物種類不是影響氧化鋅多寡的重要因素。氧化鋅奈米結構在富含氧化鋅之沉積膜中，其表面形貌以柱狀(Rod-like)與橢圓柱狀(Elliptic cylinder-like)奈米線（直徑約2 ~ 4 nm）管束為主，其中硝酸鋅前驅物則是傾向生長柱狀的氧化鋅奈米結構，顯示前驅物種類對表面形貌有相當的影響。相對的，在沉積初期或沉積溫度太低的情況下，有利於更多的鋅奈米結構在富含鋅之沉積膜中形成，其表面形貌則傾向以豌豆狀(Pea-like)、樹枝狀(Dendrite)、絨絲狀(Silk-like)、層狀(Layer-like)、帶狀(Ribbon-like)與蜂窩狀(Honeycomb-like)的結構為主。 氧化鋅奈米結構的光學性質方面，柱狀奈米線管束在2.38 eV與3.06 eV的位置各有一個發光訊號產生，而橢圓狀奈米線管束只會在2.28 eV有發光訊號，由文獻可知，這些訊號分別是由氧化鋅內部的氧對位缺陷(Oxygen antisite defects, OZn)、鋅空位缺陷(Zinc vacancy defects, VZn)與氧格隙缺陷(Oxygen interstitial defects, Oi)所造成。 總結而言，氧化鋅奈米結構是可以在室溫下被合成，雖然內部有一些缺線，但是沉積溫度相對於文獻的資料(70 ~ 140 ℃)卻低很多。研究中，沉積溫度可以較低的部分原因，可能是鋁薄膜的應用能有效降低氧化鋅形成的活化能。文章中氧化鋅之成長機制及其化學反應式將進行討論。