一維氧化鋅奈米結構成長過程之研究

Abstract

本論文主要的研究方向在分析討論氧化鋅(ZnO)一維奈米結構的成長機制，並探討金在ZnO成長時所扮演的角色及其影響。實驗主要分為兩部分，第一部分是利用ZnO和碳粉的混合粉末在高溫爐管系統中以熱蒸鍍法來成長ZnO一維奈米結構，亦即以物理氣相傳輸方式來成長ZnO。實驗中嘗試改變基板溫度、成長時間及選用不同基板等參數，探討ZnO的成長情形與金的影響。第二部分是以Zn(C5H7O2)2．xH2O為前驅物利用金屬有機化學氣相沉積系統 (Metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD)，分別選用鍍金與不鍍金之矽晶片、石英玻璃與Sapphire (氧化鋁單晶)等各式基材來成長ZnO，探討金對ZnO成長的影響。並利用電子顯微鏡來觀察並分析ZnO的形狀、成分與結構。 高溫爐管系統實驗結果方面，在不同基板上成長的ZnO奈米帶或奈米柱，尺寸皆隨著基板溫度增加而變大。而成長時間愈長，奈米柱與奈米帶之尺寸亦隨之增加，另外觀察在Al2O3基板成長之ZnO隨時間增長，由奈米柱轉變成奈米帶。由穿透式電子顯微鏡（TEM）的分析結果可知ZnO奈米帶均為單晶之Wurtize結構，而奈米帶之形狀是以一固定寬度延伸，但愈至末端可發現寬度漸減，另外在奈米帶之末端有一形狀較不規則的金粒，此金粒形狀具有刻面（facets）特徵，且與ZnO相接之界面平整。 MOCVD實驗結果方面，鍍金之基板均可長出具有方向性之ZnO奈米柱，其形狀之特徵為頂端呈現尖錐狀，並無金球在上面。在沒有鍍金之基板，則成長出ZnO薄膜。在Si(100) / Au(10nm)基板上除成長一層均勻具方向性之ZnO奈米柱外，另有一部分為尺寸較大之奈米柱，且隨著時間增加，其相對尺寸差異更明顯。但整體來說隨著時間增加，ZnO奈米柱的尺寸均會明顯增加，TEM分析奈米柱無論尺寸大小均為為單晶之Wurtzite結構，成長方向為[0001]。而ZnO與基板之界面處有一層金，由HRTEM分析後發現金和氧化鋅之關係為[ ]Au ∥[ ]ZnO及 (111)Au∥(0001)ZnO。由上述觀察顯示以MOCVD成長之ZnO奈米柱並非以氣相-液相-固相(Vapor-liquid-solid，VLS)機制形成。